未爆弹主要指战争或其他军事活动后遗留的尚未引爆的地雷、炸弹、炮弹、手榴弹、各种子母弹甚至导弹等。这些弹药通常散布于地表或地下极浅的位置,对人们的生命财产安全构成极大威胁。与此同时,未爆弹有效期长达数十年,且持续不断的局部战争遗留了大量的未爆弹,这些因素都加重了未爆弹清理的难度。在未爆弹清理过程中,如何准确探测出未爆弹对于高效清理至关重要。至今为止,包括磁法、电磁法、探地雷达等地球物理探测方法已经被广泛应用于未爆弹探测。其中电磁法由于抗干扰能力强,几乎不受大地响应影响,因此在未爆弹探测中起到重要作用。作为一种时间域电磁感应探测方法,瞬变电磁法能够有效地探测并识别出完整的、具有危险性的未爆弹,因此基于此方法已经发展出包括机载、车载以及便携式等一系列探测系统。其中便携式瞬变电磁未爆弹探测系统能够适应山地、林地等各种地形,因此研究基于此系统的未爆弹探测理论、系统设计以及数据处理方法对于未爆弹清理具有重要意义。本文围绕便携式瞬变电磁系统探测未爆弹的理论与方法、系统的设计优化以及数据处理等三方面展开,主要研究以下几方面的内容:本文首先研究了瞬变电磁系统激励下未爆弹时域响应特性。根据实心铁球体的理论响应,分析球体响应随时间衰减规律,建立了早期随幂函数衰减、晚期随指数衰减的未爆弹特征响应的参数化模型。分别利用长直螺线管与矩形线圈组测量未爆弹纵轴与横轴特征响应,以提高测量结果的准确性。最后本文测量了不同参数铸铁管,60mm、82mm以及120mm三种未爆弹的纵向特征响应与横向特征响应,分析特征响应参数随目标体长度、直径、质量等因素的变化规律。其次,本文研究了基于三维感应偶极子模型的未爆弹响应正演理论。通过将未爆弹响应分解为目标体特征响应、传感器特性以及目标体与传感器相对位置等三个因素,基于这些因素建立了未爆弹响应的正交偶极子模型。基于此正演模型,理论计算了轴对称目标体在单分量发射、中心三分量接收条件下的测线响应与二维响应,详细分析了目标体响应随目标体位置、姿态、特征响应等参数的变化规律。同时实测目标体测线响应与二维响应,通过对比正演数据与实测数据,分析轴对称目标体响应形态随目标体参数变化规律,讨论了三维感应偶极子模型的准确性。本文详细分析了便携式瞬变电磁系统传感器的设计与优化。通过建立一次场强度与发射线圈尺寸、功率、质量等参数的关系,本文详细讨论了发射线圈的设计与优化,研究结果表明:增加发射线圈直径、质量以及功率能够提高一次场强度;降低发射线圈匝数、提高发射电流关断时的钳位电压能够降低发射电流关断时间。通过建立接收线圈本底噪声与其尺寸等参数关系,本文详细讨论了接收线圈的设计与优化,研究结果表明:提高接收线圈尺寸,降低谐振频率均可以有效降低接收线圈的本底噪声水平。基于这些研究,本文设计了一款发射线圈直径0.5m,匝数30,接收线圈边长0.06m,谐振频率50kHz的便携式瞬变电磁传感器。实验结果显示,此系统能够准确探测到埋深1m的82mm迫击炮弹。最后,本文通过分析DE算法的流程与参数设计规律,研究了基于DE算法的未爆弹响应反演理论与方法,以克服传统反演算法局部收敛问题。本文模拟各种条件下目标体响应并基于DE算法进行反演。计算结果表明,理想条件下DE算法能够准确估计出目标体的位置、姿态以及特征响应等参数;信噪比较高时,DE算法能够准确估计出目标体的各项参数;信噪比较低时,DE算法仅能够估计出目标体位置,不能准确估计出目标体的姿态以及特征响应。对实验数据反演结果表明,此算法能够准确估计目标体位置、姿态以及特征响应等参数。本文从未爆弹瞬变电磁响应的理论研究、系统设计优化以及数据反演等几个方面讨论便携式瞬变电磁系统探测未爆弹的理论与方法。成功设计出一款便携式瞬变电磁探测系统,利用DE算法反演此系统探测出的未爆弹响应,反演结果与真值高度吻合,证明了本文所设计的系统以及数据处理算法的可行性。