地下水作为人类可用淡水资源的重要组成部分,在保障居民生活、维护工农业生产、支撑社会经济发展和维持生态平衡等方面具有不可替代的重要作用。但我国地下水供给严重不足,地下水资源被超采、被污染等问题十分严峻,已严重影响了经济发展和人民生活,甚至威胁国家安全。因此,急需研究针对地下水探测的技术手段,以实现准确探测地下水含量、科学评估地下水储层特征并有效监测地下水受污情况的科学目标。水文地质磁共振测井技术是一种国际上新兴的用于浅地表水文地质调查的地球物理方法。与其他地球物理方法相比,它具有直接、定量和高效探测地下水资源的突出优势。但受限于水文地质监测井孔径的尺寸限制,此类仪器所能探测到的原始信号十分微弱。为了提升信号强度,国外研究人员采用降低纵向分辨率的方式来增加参与共振的氢质子数量,却也因此牺牲了仪器对于薄含水层的识别能力。同时,在有限空间内合理设置磁体布局、优化射频磁场与静磁场的匹配、提升接收系统的弱信号检测能力也是设计此类仪器所面临的重要挑战。本论文针对浅地表水文地质磁共振测井系统所涉及到的关键技术及设计方案进行了细致地研究。为提升测量分辨率并增强测量信号强度,提出了基于补偿磁体的高分辨率磁共振测井探头设计方案;为实现射频磁场与静磁场的精准匹配,使共振区域内氢质子能够被精准激发,以降低反演解释误差,提出了基于动态占空比调节方案的无衰减发射技术;为近一步抑制接收系统中的多种噪声干扰,以提高弱信号的检测能力,提出了磁共振测井接收系统噪声抑制关键技术。论文主要研究内容如下:（1）从水文地质磁共振测井基本原理入手,说明了磁共振技术在测量样品所含氢原子核数量、纵向弛豫时间和横向弛豫时间等参数方面的优势,揭示了磁共振回波信号与样品含水量、孔隙度和渗透率等参数之间的内在联系。推导了磁共振测井响应信号计算公式,分析了静磁场与射频磁场两个关键要素对于共振信号频率、纵向分辨率及响应信号强度的影响方式。阐述了噪声对于测井信号的影响,指出系统内部本底噪声和外部环境噪声是系统所面临的主要噪声干扰源,并给出了相对应的解决策略,为浅地表水文地质磁共振测井系统的设计提供了思路。（2）针对目前水文地质磁共振测井系统纵向分辨率不足问题,从分析测井探头的设计要素入手,指出该问题的本质原因是有效共振区域纵向厚度过高。接着对永磁体材料进行了分析,并基于等效电流模型推导了磁场分布计算方程。在传统Jackson测井探头设计方案基础上,创新性地提出了通过引入补偿磁体扩展有效共振区域径向范围的设计方案,并利用Uniform Design方法实现了补偿磁体布局的最优解。对新探头外部磁场的测量和评估分析表明,新方案保留了高纵向分辨率优势（约为1 cm）,理论上将信号强度提升了6倍,为实现高分辨率测井探头的设计提供了技术支撑。（3）对于储能电容能量消耗导致发射电流波形衰减的问题进行了研究。从分析测井探头构建方案入手,指出了将核心电子线路短节及相关辅助功能短节集成于探头中的必然性,又说明了采用储能电容作为发射电源的必要性。以氢质子宏观磁化强度运动方程为基础,指明了脉冲衰减现象对氢质子扳倒角度准确性的影响。介绍了基于占空比动态调节策略的无衰减发射技术,并通过仿真验证了该技术的可行性。接着开展了无衰减CPMG发射技术在实际应用中的测试工作,将发射电流波形幅度波动范围整体上控制在1.4%以内,实现了对氢质子扳倒角度的精准控制。（4）针对磁共振测井系统所采集信号幅度微弱并同时面临多种噪声干扰的问题,提出了一系列适用于磁共振测井接收系统噪声抑制的关键设计方案。针对外部噪声,采用差分线圈抑制共模噪声干扰,利用MOSFET的快速开关特性隔离强发射脉冲并吸收振荡噪声,并借助串联LCR电路高Q值特点限制信号调理电路的带宽;针对系统内部噪声,研究了运算放大器供电电源纹波噪声对输出波动的影响,确定了最适用于作为磁共振测井接收系统中信号调理电路的电源供电方案。测试结果表明,信号调理电路电压噪声水平约为4.3 n V/Hz1/2,接收系统整体本底噪声水平约为46 n V/Hz1/2,能够满足μV甚至n V级信号的采集需求。最后,基于上述设计方案和关键技术研制了浅地表水文地质磁共振测井系统原理样机,并基于Lab VIEW软件开发了系统上位机来实现测量参数配置和回波数据采集等功能。在实验室内开展了样品测量实验,结果表明本文所设计的新系统能够准确的测量出含水样品的含水量及孔隙分布,与公开的文献报道对比表明,新研制的浅地表水文地质磁共振测井系统技术指标达到了国际同类仪器的先进水平。本文的研究为填补我国在浅地表水文地质磁共振测井技术领域的空白,提供了有力的技术支撑。