弱磁测量作为探测物质特性和未知世界的有效手段之一,被广泛应用于地球物理勘探、军事和医疗等领域。基于不同测量原理的弱磁传感器的结构、特性、以及应用领域也各不相同。Overhauser传感器(也称为探头)是一种基于自由基物质动态核极化(Dynamic Nuclear Polarisation,DNP)效应的弱磁测量传感器,具有高精度和高灵敏度的特点,在陆地磁测、海洋磁测、空间磁测、军事和各类工程领域已得到广泛应用。自由基物质动态核极化的实质是自由基溶液中电子系统与质子系统的双共振现象,也就是电子-核的Overhauser效应。其原理是利用射频(Radio Frequency,RF)电磁波使溶液中的电子系统达到激发状态,由于耦合作用,处于激发状态的电子系统将能量传递给质子系统,使质子系统也处于激发状态,从而产生电子-质子双共振现象。与直接激发质子相比,这种方式可使质子的激发程度得到增强,从而可增加探头输出信号的信噪比,提高磁场测量精度。本论文旨在研究基于自由基物质动态核极化效应的磁场测量原理和传感器谐振腔等关键技术,并结合现代电子技术研制出对传感器进行激励的相关测试装置和Overhauser传感器样机,为后续相关研究及产品设计提供参考和实验平台。本文介绍了弱磁测量传感器的分类及发展趋势,对基于预极化方法的质子传感器的研究现状和不足之处进行了介绍,在此基础上分析了基于动态核极化方法的Overhauser传感器的优势,并介绍了其国内外研究现状。同时基于近代物理学理论,进一步分析了采用动态核极化效应增强自由感应衰减(Free Induction Decay,FID)信号的原理,在理论分析的基础上,对计算传感器中电磁场的方法进行了研究和介绍。根据动态核极化效应的理论,研究和分析了传感器总体结构组成,对传感器中的自由基物质和有机溶剂的选取进行了研究,并确定了自由基溶液的谐振频率。依据动态核极化效应磁场测量原理和选取的自由基物质。对适合Overhauser传感器的谐振腔结构展开了进一步研究,研究和分析了电容加载式同轴谐振腔在减小传感器尺寸方面的优势。通过软件对电容加载式同轴谐振腔进行了建模和仿真,根据仿真结果分析了谐振频率难以与所选用的自由基物质一致的问题,并针对电容加载式同轴谐振腔这一局限之处,提出了基于笼式线圈的改进型谐振腔结构和激励方式。对笼式谐振腔的等效电路进行了理论分析,并通过COMSOL软件对谐振腔进行仿真研究和分析,仿真结果表明改进型笼式谐振腔的谐振频率能与选取的自由基溶液谐振频率相一致,验证了谐振腔设计的可行性,并对组成谐振腔的导体材质进行了分析和研究,选择了银箔作为谐振腔的导体。针对传感器输出信号微弱,易受到噪声干扰的问题,设计了平衡式的信号接收线圈和银质屏蔽外壳,以减小外界电磁干扰对传感器输出FID信号的影响,并对线圈的参数和内部直流极化磁场的特征进行了研究和仿真。分析了接收线圈和传感器输出信号的噪声来源,研究了采用输出端串联谐振以提高FID信号信噪比的方法,设计并制作了传感器样机。为了对激励时序、射频和直流激励信号的参数选择进行研究,设计了传感器激发测试平台,并对激励时序、射频信号的激发时间和功率、以及直流信号的幅度和激励时间对传感器输出FID信号质量的影响进行了研究和测试,确定了测量时间间隔为3s的激励时序,并为进一步研究更短时测量的时序和激励信号参数提供了实验平台。本文同时对传感器样机开展了磁场测量实验,根据实验数据计算得到了传感器样机和国外商用传感器产品在人工磁场下的测量标准差。对实验结果进行了对比和分析,进而得到了样机和商用传感器产品在人工磁场下的的测量不确定度,同时在野外环境中对传感器样机和国外商用传感器产品进行了对比测试。验证了样机在输出信号质量、测量不确定度、以及对磁场异常变化点的捕捉能力方面已经接近国外成熟商用产品,从而也验证了本文在传感器结构设计、工作物质选取、以及谐振腔、信号接收线圈、抗干扰设计等关键技术方面的研究取得了预期的效果。本文最后对研究的主要内容和成果进行了总结,对未来的研究工作进行了展望,为后续开展相应的研究提供了一定参考。