核磁共振技术在医学诊断、材料分析等领域已成为一种强有力的分析方法。然而,传统的核磁共振设备体积庞大,价格昂贵,且封闭式的结构限制了被测物的最大可测量尺寸。在实际中,为了在工程现场实现对大型样品的无损测量,需要对核磁共振设备重新设计,使其结构开放并尽量便携。本论文针对该需求,研究一种新的核磁共振方法:便携式全开放核磁共振技术。该技术的特点是设备便携,结构开放,被测物位于传感器外部,可以实现对大体积样品的无损测量。然而该技术的研究面临诸多的问题:相对于传统封闭式核磁共振而言,便携和开放的磁体结构是以牺牲磁场均匀度和磁场强度为代价,所以便携式全开放核磁共振信号的信噪比低,横向弛豫过程衰减很快,这增加了信号的分析难度;需要针对不同的工程测量对象,设计不同结构的磁体和射频线圈,这对电磁场的设计提出了挑战;同时工程现场复杂的测量环境也会影响测量结果,所以便携式全开放核磁共振技术是一个理论与实际结合非常紧密的研究方向。目前,便携式全开放核磁共振系统的传感器设计还没有形成一套成熟的、可操作性强的方法,相应的信号分析方法也多是借鉴传统核磁共振均匀磁场下的分析方法。因此,针对便携式全开放核磁共振这种特殊结构,研究上述问题具有重要的理论和实用价值。本文从电磁场的角度出发,针对便携式全开放核磁共振系统的磁体及射频线圈结构,提出一套设计和优化方法,并研究了相应的信号分析方法,为该技术的发展奠定了基础。本文主要包括以下几个方面:1)便携式全开放核磁共振传感器研究。传感器包括磁体和线圈两部分,本研究主要针对磁体结构的设计展开,具体分为两步:首先根据等效面电流法和毕奥萨伐定理推导出永磁体静态磁场,以及静态磁场梯度的解析表达式,以测量区域内一阶梯度绝对值最小为优化目标,使用该解析算法快速确定磁体的基本结构;然后使用有限元方法,对磁体结构进行精确的优化仿真。针对射频线圈的设计,本研究基于似稳场的假设,使用毕奥萨伐定理直接计算其磁场分布,并根据磁场分布规律确定最优线圈。由于目前的便携式全开放核磁共振传感器的灵敏区域较小且贴近传感器表面,无法对被测物进行深层测量。为克服这一问题,本文提出一种三模块磁体结构,使用上述方法,设计出新的1800和3600全开放传感器,并进行了相应的实验研究。2)非均匀场下核磁共振测量信号分析方法研究。由于便携式全开放核磁共振传感器的静态磁场强度较小,且分布不均匀,测量信号信噪比差,原有的核磁共振信号分析方法不适用于该类型信号的反演。为了解决这一问题,本研究结合截断奇异值分解法(TSVD)及BRD正则化算法的优点,尝试了混合TSVD-BRD算法,并对全开放核磁共振信号进行了反演处理。在寻找最优正则化因子的过程中,使用拟牛顿法中的BFGS法进行迭代。应用实例证明该算法具有较好的反演效果。3)应用研究。在本研究设计的新型传感器上,进行了一系列的样品测量研究。使用1800全开放核磁共振传感器对人造岩心与真实岩心的核磁共振参数进行了测量,实验结果证明该传感器非常适用于岩心分析。使用1800全开放核磁共振传感器对汽轮机油的老化状态进行了检测评估,分析了其老化程度与横向弛豫时间及纵向弛豫时间之间的关系。使用3600全开放核磁共振传感器对木材水分状态进行了测量,能够较好的分辨自由水和束缚水在木材中的分布。使用3600全开放核磁共振传感器对非岩心类的孔隙介质进行了测量,证明该传感器能够清楚的分辨不同孔隙尺寸的孔隙介质。本文在便携式全开放核磁共振传感器设计方法、信号反演算法、以及实际应用等方面开展了一系列的工作,对便携式全开放核磁共振技术进行了较全面的研究。为推进便携式全开放核磁共振技术在工程实际中的应用奠定了基础。