瞬变电磁法是目前应用最广泛的物探方法之一,中心回线装置因具备结构简单、质量轻巧以及易与目标体达到最佳耦合等特点成为最常用的瞬变电磁测深装置。近年来,人们对浅层探测应用越来越重视,而瞬变信号由于受到关断时间、位移电流、接收线圈过渡过程等影响,导致其早期失真严重,因此早期信号处理成为研究难点。由于复杂地质结构的高维瞬变场正演求解涉及空间区域剖分计算和时频域变换,数值计算难度较大,因此多维正演求解问题也亟待解决。论文针对以上问题,首先推导了垂直磁偶极子的频域响应,并沿大回线进行面积分得到中心回线源的一维瞬变响应,对计算过程涉及的汉克尔变换和G-S变换进行仿真分析,得到:采用140点汉克尔滤波系数和16点G-S变换滤波系数时可获得较高精度,适用于瞬变电磁时域响应计算。在一维正演基础上,论文分析了关断时间和回线边长对瞬变响应的影响,结果表明:关断时间越小、回线边长越短,响应中早期信号越多,越有利于浅层探测。在实现浅层探测的同时,附加效应(位移电流效应、接收线圈过渡过程)也不容忽视。论文就此展开讨论,得到以下结论:1)随着频率增加,位移电流影响越大。位移电流对时域响应的影响时间大致在几十到几百纳秒间,关断时间越小影响越大。2)基于接收线圈的等效电路模型,讨论了不同响应下的过渡过程,研究表明:在阶跃响应下,当接收线圈处于临界阻尼时,响应衰减较快并无过冲;在斜阶跃响应下,阻尼系数越大,一次感应电压上升和下降越快;二次场感应电压在关断前后出现极性反转,由于接受线圈的过渡过程,实际观测电压为一次场和二次场的叠加,导致有效采样时间变长,观测到的早期信号越少。针对复杂地质结构的高维瞬变电磁场正演困难问题,论文采用Maxwell软件建立了瞬变电磁模型,仿真结果表明:层状模型在合适参数设置下,可获得很高精度(约2.5%以内),因此借助Maxwell软件开展瞬变电磁正演具有可行性;接着搭建了接收线圈模型,分析了斜阶跃响应下分布电容对过渡过程的影响,得到的剔除一次场后响应曲线与二次场理论曲线基本重合。最后,对低阻模型进行仿真,得到“穹型”的感应电压曲线。在中心回线反演过程中,论文提出了差分进化和粒子群混合算法,该算法具有双种群进化策略和信息交换机制,能够降低传统粒子群算法、差分进化算法在求解过程中出现“早熟”现象的概率,提高了反演计算的精度和效率,可适用于瞬变电磁反演计算。