我国在半湿润地区、半干旱地区以及干旱地区，水土流失比较严重，对土地不合理的利用方式加速土壤环境的恶化，这些问题严重影响着我国生态及农业的可持续发展。土壤水分的快速准确测量对于保障农业生产与生态环境的可持续发展具有重要的意义，现有的磁共振测量仪器能够定量检测浅层土壤水分分布，但是由于仪器体积大、重量重，不方便在农业应用中实现土壤水分的现场快速测量。本课题以土壤水分测量传感器小型化、轻量化为设计目标，针对现场土壤水分检测研究相应的磁共振传感器及回波信号分析方法，解决了两个关键问题：磁共振传感器的电磁设计方法；土壤水分的磁共振信号特征量提取方法。围绕这两个问题，本文完成的工作包括：
　　①基于坐标变换的思路研究了Halbach磁体结构的设计方法。根据现场土壤采样测量的需求，本文提出采用轻量化的Halbach磁体结构传感器。根据Halbach磁体周期性对称的结构特点，采用等效面电流法计算单个磁体的磁场分布，然后通过坐标变换法计算其余磁块的磁场分布，最后根据磁场不均匀程度最小化为目标优化得到Halbach磁体结构。采用坐标变换的计算理论减少了重复计算的次数，提高了Halbach磁体磁场的计算与优化效率。
　　②研究了基于等效磁偶极子方法的Halbach磁体匀场线圈设计方法。为了提高Halbach磁体的磁场均匀度，在无源匀场的基础上提出了有源匀场的方式，以抵消主磁场中与坐标有关的高阶不均匀项。将布线区域的电流密度等效成磁偶极子的形式，以等效磁偶极子为中间变量建立流函数与目标磁场的关系，引入能耗最小化并构造无约束优化问题，计算得到流函数，最后通过流函数离散化得到匀场线圈的绕线结构。实验证明：使用有源匀场后，Halbach磁体的磁场均匀度从114.2ppm提高到了26.9ppm。
　　③设计了一种具有恒定梯度的全开放式Inside-out传感器，解决了现有磁共振传感器不够轻便的问题。根据现场土壤插入式测量的需求，本文提出采用Inside-out磁体结构的传感器。该传感器的优点在于重量轻、体积小、测量不受样品尺寸限制，还能够同时测量土壤水分的横向弛豫时间T2和扩散系数D。
　　④提出了部分单元等效电路和二阶矢量位解析法相结合的算法，能够准确计算Inside-out型磁共振传感器射频线圈的交流阻抗。为了评估金属屏蔽层对射频线圈阻抗的影响，利用部分单元等效电路法计算自由空间中射频线圈的电阻，再利用二阶矢量位解析法计算考虑金属屏蔽层之后，射频线圈的电阻增量与电感，从而实现了射频线圈的交流阻抗计算。
　　⑤提出了射频线圈的宽带匹配方法。针对Inside-out这种具有恒定梯度的磁体结构，在传统π型匹配网络的基础上增加并联电阻，以此来降低射频线圈的品质因数，增加射频带宽，扩展了实际测量区域。与传统的π形匹配方式相比，改进的宽带匹配方式将信噪比提高了41.3%。
　　⑥提出横向弛豫时间T2和扩散系数D的土壤水分表征方法。以横向弛豫时间谱中波峰的积分面积表征水分的存在状态和多少，以扩散系数表征水分的动力学运动特性。从测量结果显示：土壤含水量越少，T2谱峰的面积越小；土壤颗粒尺寸越小，T2越小，扩散系数D越大。其中颗粒半径在0.5~3mm的三个样品中水分的扩散系数基本相同，颗粒半径0.2~0.5mm的样品中扩散系数明显大于前三个样品。这主要是样品中水分基本处于饱和状态，对于颗粒半径在0.5~3mm范围内，样品孔隙中的水分基本处于自由态，扩散系数基本不变。当孔隙更小时，水分子受到孔隙壁的影响增大，水分子的自由行程更短而加速了横向弛豫过程，宏观上体现出扩散系数更大、横向弛豫时间更短的特性。
　　本文在磁共振传感器设计的电磁理论优化方法、磁共振信号分析算法以及土壤实验等方面开展了一系列的工作，对磁共振技术进行了较全面的研究，为后续磁共振技术在现场土壤水分检测方面奠定了基础。