近年来,受益于电子技术和计算机技术的快速发展,量子磁力仪的各项性能指标均得到了巨大的提升,尤其是Overhauser磁力仪。然而,地磁场是一个既有大小也有方向的矢量场,Overhauser磁力仪只能测量磁场的大小,而不能给出磁场的方向信息。因此,为了解决Overhauser磁力仪获取地磁要素单一的问题,又能够充分利用它高灵敏度和低噪声的优势,矢量Overhauser磁力仪的研制也被提上了日程。本文研究的对象就是实验室自主研发的JOM-4SF型Overhauser磁力仪样机,以及如何在它的基础上,通过装有正交线圈系统来测量磁场的方向,即矢量Overhauser磁力仪的研制。首先,本文详细介绍了Overhauser磁力仪测量地磁场大小的原理、JOM-4SF型Overhauser磁力仪样机的系统架构以及灵敏度的评估方法。将磁力仪样机测得的磁场数据用同步法处理后,灵敏度能达到0.014nT@3s,达到世界领先水平,为矢量Overhauser磁力仪的研制奠定了良好的基础。其次,从射频极化信号能影响接收到的拉莫尔信号质量的角度入手,研制了一种射频频率可变的、简易的Overhauser磁力仪来研究射频频率与不同溶液极化程度的关系,通过研究溶液的部分特性来提高矢量Overhauser磁力仪的性能。最后,阐述了如何借助Overhauser磁力仪及辅助磁场产生装置来实现磁场大小和方向的测量,也就是矢量Overhauser磁力仪的测量原理及实现方案。实验结果表明研制的矢量Overhauser磁力仪已经可以实现自动测量及记录地磁总强度F、磁倾角I和磁偏角D三个地磁要素,磁倾角和磁偏角的灵敏度分别能达到0.2805°和0.1562°。