小回线瞬变电磁法在城市地下空间调查、浅地表岩溶勘察、川藏铁路地质调查以及南水北调工程堤坝渗漏等国家重大工程中有巨大的应用前景。该方法具有施工效率高,装置影响小,不受场地范围限制以及分辨率高等特点,作为一种新技术是当前研究热点。但是,该方法的正演理论和精细化数据处理方法研究滞后,严重制约在浅表地质工程调查中的应用效果,使之成为亟需解决的关键问题。本文采用理论分析、数值模拟和野外试验相结合方法,开展小回线瞬变电磁法正反演理论和应用研究,取得以下结论:（1）针对小回线瞬变电磁法正演响应计算问题,提出采用电偶极子积分叠加方法进行求解。将场源剖分成无数个电偶极子组成,推导了电偶极子所满足的电磁场各分量计算表达式,解决了小回线瞬变电磁法层状模型正演计算问题。采用Euler变换进行频-时转换计算,耗时仅为正余弦变换算法的十分之一,计算效率和精度高。建立层状模型分析小回线瞬变电磁场衰减规律,并与大回线装置响应进行对比。结果表明,小回线瞬变电磁法不仅能准确反映地层深部异常信息,而且对浅表目标体探测更灵敏。研究内容为开展小回线瞬变电磁法反演研究提供正演理论基础。（2）采用时域有限差分算法模拟典型地质异常体小回线瞬变电磁场三分量传播规律并进行分析。结果表明:均匀介质中,磁场水平分量Hx和Hy的传播规律犹如“蝴蝶”翅膀一样,向四周扩散;磁场垂直分量Hz以47度倾斜圆锥主剖面向下向外传播,犹如“烟圈”扩散一样;当异常体位于场源正下方时,磁场水平分量感应产生正负响应,且正负响应的极大值位于异常体端点,而磁场垂直分量感应产生正响应;当异常体位于场源左侧时,磁场水平分量感应产生负响应;当异常体位于场源右侧时,则感应产生正响应;覆盖层和低阻层的存在延缓了瞬变电磁场向地层深部扩散时间,存在低阻屏蔽作用。（3）针对“烟圈”快速成像方法或者线性迭代方法存在近似计算和反演精度低等问题,提出将非线性优化算法应用到小回线瞬变电磁法反演计算中,采用粒子群和萤火虫两种优化算法。对算法最优参数组合和收敛特性进行了分析,针对PSO算法精度低,FA算法计算效率低等问题,提出一种改进的PSO-IFA混合优化算法（PSO-IFAH）。结果表明:与PSO和FA算法相比,改进的PSO-IFAH优化算法计算精度提高了87.62%,效率提高了65.22%,具有高精度和高效率特点。（4）将“烟圈”快速成像方法,Occam线性迭代方法,PSO算法,FA算法以及PSO-IFAH算法应用到小回线瞬变电磁反演中。对三种优化算法的抗噪能力和初始模型搜索范围不同对算法精度和速度的影响进行分析。结果表明:非线性优化算法反演效果优于线性反演方法和快速成像方法;改进的PSO-IFAH优化算法对覆盖层和低阻薄层模型反演精度高,稳定性好;对三维异常体模型进行反演处理。研究表明,低阻异常体存在体积效应影响,使其反演结果范围大于真实模型;受低阻异常体影响,高-低阻异常体模型反演结果呈现低阻异常;改进的PSO-IFAH算法抗噪能力优于FA算法和PSO算法;当模型搜索范围小且接近真实值时,非线性优化算法计算效率和精度高;反之则算法效率低,误差大。（5）针对PSO-IFAH算法初始模型搜索范围问题,利用快速成像方法和线性迭代反演方法约束PSO-IFAH算法计算,提出一种精细化FLCPSO-IFAH联合反演方法。结果表明,FLCPSO-IFAH联合反演方法计算效率提高了61%以上,计算精度提高55%以上,算法精度和速度得到进一步提升。以实测数据为例进行反演计算,从反演结果来说,FLCPSO-IFAH精细化联合反演方法效果和精度最好,异常细节突出明显。研究内容解决了小回线瞬变电磁法精细化反演方法难题,为实现浅层精细探测和处理提供了有效方法。（6）将小回线瞬变电磁法应用到城市地面塌陷应急调查项目中,采用FLCPSO-IFAH联合反演方法进行精细化数据处理,结合地质和钻孔资料进行解释,精确有效的反映出浅表电性结构分布情况,推断了基岩面和溶蚀发育带分布情况,圈定了主要溶蚀发育带。研究内容丰富和发展了瞬变电磁法理论,促进了瞬变电磁法技术发展,有效解决了实际工程应用难题,为人民生命财产安全和社会安全稳定提供了专业技术保障。