无论是城市地下空间开发还是野外资源勘探,探测都是前提,目前地下空间探测与感知技术成为重要的研究方向,但由于地表情况复杂,对地下空间和异常体的定位会面临地质、背景干扰和空间等各个因素的制约,因此设计一种比现有仪器更能有效获取地下信息的仪器,实现高精度细节成像显得至关重要。为了更好的指导仪器系统设计,从麦克斯韦方程组出发,计算了层状大地模型下磁偶极源的响应,简化后得到二次磁场和一次磁场的比值与大地的视电导率呈简单的线性关系。结合电磁场的趋肤效应,不同的频率下的探测深度不同,设计了宽频带扫描的发射方式,由高频至低频的二次磁场响应逐点计算大地的视电导率,进而在深度方向上成像。但目前的大磁矩发射系统无法实现频率的连续可调,因此从理论计算和有限元仿真分析了线圈的电感特性,研究了利用功率放大器驱动非谐振匹配线圈在宽频带范围内的磁矩发射能力,认为采用大面积、单匝的线圈能够在高频段产生大的发射磁矩。同时设计了不同的接收线圈以满足不同的工作频率范围,避免了低频时线圈灵敏度较低和高频时自谐振的情况。从理论计算得到二次磁场信号相对于一次磁场信号小了几个数量级,因此构建了一次磁场消除模型,在适当的位置配置定制的补偿线圈后,结果表明一次磁场信号衰减可达-40.32d B。为了获取微弱二次磁场信号,设计了微弱信号检测装置,三级可调的程控放大适用于不同的线圈灵敏度,过采样和抽取滤波等信号处理能够提高信号的信噪比,采用正交矢量解调的方式获取微弱二次磁场信号的幅值和相位信息,实现不同频率下V级别信号的检测,满足理论计算的需求。设计的频率域电磁法探测系统难免存在误差,在不依赖外部环境的情况下,研究了自校准方式,分析功率放大器和收发线圈带来的相位偏移,实时监测发射线圈中的电流幅值和相位,通过数字相位校正原理,按照坐标旋转公式对二次磁场信号进行修正。外场实验结果表明,经过自校准的仪器能够在深度方向上视电导率成像,较好的定位地下空间的左右边界和空腔结构。