航空磁测技术自20世纪30年代发展至今,因其具有高效率、不受地形限制等优点逐渐成为应用最广的磁法勘探手段。近年来随着无人机技术的不断发展,旋翼机所具有的磁干扰小、高安全性、适应地形能力强等特点为小范围测区的精细化探测提供了更灵活的平台,在探测未爆炸物（UXO）、定位地下固体废弃物以及圈定煤层火烧区边界等磁测任务中具有突出优势和重要意义。磁梯度张量描述了磁场分量的空间变化率,相比与磁总场和磁场分量包含了更加丰富的信息,具有抗地磁场时变干扰的能力,成为磁测研究的热点。旋转调制法作为一种从频率域测量磁梯度张量的方法,硬件成本更低且只包含单频点噪声,相比差分法、直线法等其它张量测量方法更具优势。本文的研究内容一共有两大部分。第一部分是三轴同步旋转式张量仪的研制,首先研究了三轴同步旋转调制测量原理,按照信号的传递路径分析了三轴同步旋转式张量仪的误差来源及传递关系,分别仿真分析了机械、电子、数据处理等方面的静态误差对于张量测量结果的影响,为张量仪的设计提供指导。然后根据仿真结果,综合考虑仪器静态性能、动态性能以及实用性,研究了设计方案。硬件设计方面介绍了探头部分的固定设计以及整机的转动设计、电源的分析和信号调理电路的设计,软件设计方面介绍了上位机采集软件和嵌入式软件的设计、给出了张量解算的详细流程,最后通过磁偶极子运动实验验证了张量仪测量结果的正确性,在屏蔽筒条件下测试出张量仪的分辨力为5.27 n T/m。第二部分是张量仪与无人机飞行平台的挂载方式研究。首先对软支架测量系统建立无人机-吊舱联合运动模型,分析了测量吊舱在自身重力、气动因素、无人机拉力等多重影响下的运动特性,对硬支架测量系统研究磁干扰模型及补偿方法,然后仿真分析了三轴同步旋转式张量仪的动态误差,最后,进行野外探测实验,分别用两种挂载方式对同一目标进行探测飞行,结果证明软支架的连接方式放大了仪器的静态误差,吊舱运动导致地磁场的耦合,增加了仪器的动态误差。三轴同步旋转式张量仪更适合通过硬支架的连接方式挂载在旋翼机上,经过磁干扰补偿后,本文设计的硬支架测量系统具有探测小范围测区的能力。