探地雷达是地表地球物理科学中一种重要的探测工具。其中,能够满足特定应用环境需求的探地雷达又称为特殊探地雷达,如钻孔雷达、机载探地雷达、前视探地雷达、水下探地雷达等。特殊探地雷达可以极大地弥补常规地面探地雷达勘探技术的不足,因此极具应用前景。天线作为探地雷达系统最为核心的组成部分之一,能够辐射或接收指定频段的电磁波,完成电磁能量在自由空间和雷达系统间的相互转换,其设计的好坏往往决定了探地雷达系统整机性能的优劣。常见的探地雷达系统天线主要有喇叭天线、偶极子天线、碟形天线、Vivaldi天线等。由于特殊探地雷达往往受到特定工作环境的约束,导致其天线系统的设计会受到环境及雷达本身的影响和限制,因此传统探地雷达天线已很难满足其需求。特别是近年来随着勘探技术的发展,特殊探地雷达对其天线系统工作带宽以及辐射定向性等性能提出了更高的要求,因此开展特殊探地雷达宽带定向天线技术的研究有着重要的现实意义。本论文针对钻孔雷达、机载探地雷达以及前视探地雷达等特殊探地雷达系统对其天线在工作带宽、定向性、时域辐射性能以及结构尺寸等方面的需求,着重开展了以下研究工作:1.钻孔雷达定向天线的研究。针对定向钻孔雷达系统对接收天线工作带宽及定向性的需求,利用介质埋藏和反射板天线技术,设计了两款针对钻孔雷达系统的宽带定向接收天线。该研究首先从简单的偶极子钻孔雷达天线模型出发,介绍了钻孔雷达天线的基本原理;其次,结合钻孔雷达系统的需求,设计了两款带有金属反射板的钻孔雷达定向天线:钻孔雷达定向偶极子天线和钻孔雷达Vivaldi天线。然后,根据实际钻孔雷达样机脉冲源的工作频率,加工了所设计的钻孔雷达定向偶极子天线,并测试了该天线的时域工作性能。结果显示所加工的钻孔雷达定向偶极子天线具备良好的宽带特性和时域定向性,在钻孔环境中其工作频带为190～350MHz,中心工作频率270MHz,相对带宽55%;工作频带内天线幅度响应平坦,远场时域波形拖尾幅度小于10%,拖尾时间小于一个脉冲宽度,并且归一化能量方向图前后比大于10d B。最后,我们将所设计的三个定向偶极子天线装入钻孔雷达系统样机,并进行了井下探测实验。探测结果显示所组装的钻孔雷达样机能够有效探测井周裂缝,并提供裂缝的距离、深度、方位和倾角等信息,从而实现了井周目标的三维定位。2.无人机载探地雷达天线及合作型目标物的研究。针对无人机载探地雷达系统对宽带定向天线的需求,利用指数渐变的开口槽以及侧边缘开槽技术,设计了一款适合无人机搭载的宽带定向Vivaldi天线。该研究首先从机载探地雷达理论模型出发,分析了飞行高度与接收信号之间的关系,得出了无人机载探地雷达天线需要有良好的增益、定向性及工作带宽。然后设计、加工并测试了一款可应用于无人机载探地雷达的宽带Vivaldi天线。采用指数渐变的开口槽以及侧边缘开槽技术,天线在尺寸不变的情况下,有效拓展了低频工作带宽,并提高了天线的定向性能。微波暗室测试结果显示所设计的宽带Vivaldi天线在300MHz～2GHz超宽带频率范围内都有着良好的时域辐射性能和定向性,且天线具有紧凑的结构尺寸（600 mm×450 mm×1.5 mm）,以及较轻的重量（670g）,因而十分适合旋翼无人机等飞行平台搭载。此外,针对无人机载探地雷达环境干扰抑制的问题,提出了利用基于延迟线传感器的合作型目标物抑制环境杂波干扰的探测方法,并且设计了一款可用于目标物定位及环境温度监控的无源合作型目标物。所设计的合作型目标物具备微秒级的信号延迟能力,因此其雷达反射特征信号可以轻易地从纳秒级的环境干扰信号中分离出来。该方法能有效地抑制环境杂波对目标探测的影响,实现对目标物的高精度定位。并且该合作型目标物具有对环境温度极度敏感的特性,利用该特性我们设计了一个基于探地雷达和合作型目标物的混凝土内部温度监测系统,实验结果显示该温度监测系统能够得到与实际情况相同的混凝土温度随时间变化曲线。3.基于超薄吸波材料的前视探地雷达定向天线研究。针对前视探地雷达系统对天线定向性以及背向信号屏蔽能力的需求,利用超薄吸波材料设计了一款具有背向信号屏蔽能力且结构紧凑的宽带定向天线。该研究首先利用传输线等效电路理论分析了基于FSS结构层与磁性材料的超薄吸波材料的吸波原理,并提出了一种超薄吸波材料的设计方法。其次,根据所提出的设计方法设计了一款基于V字形FSS结构层的超薄吸波材料,该吸波材料可在50～400MHz频带范围内实现对入射电磁波的高效吸收,且材料厚度小于十分之一波长。然后,将所设计的超薄吸波材料与宽带平板偶极子天线相结合,设计了一款针对前视探地雷达系统的定向天线。天线在130～275MHz宽带范围内有着良好的时域工作性能,相对工作带宽71.6%,前后比大于10d B,辐射波形干净、拖尾小。此外,由于基于超薄吸波材料的吸波腔体与天线的距离不受四分之一波长的限制,因此天线有着非常紧凑的结构尺寸。最后,分别在微波暗室和室外场景下对所设计的定向天线进行了测试。测试结果表明该天线有着良好的工作带宽、定向性、背向屏蔽能力以及时域辐射性能,因此非常适合工作于前视探地雷达系统中。