探地雷达(Ground-penetrating radar,简称GPR),作为一种操作简单、作业轻便高效的无损检测手段,探地雷达方法已经成为浅地层地球物理勘探最为经济有效的手段,广泛地应用于地质,考古,环境,水文、工程等众多领域。目前,探地雷达的理论研究主要有两个大的方向:其一是探地雷达数据数字信号的处理解释方法。其二是探地雷达正演分析,为解译人员提供异常识别和反演依据。　　 由于探地雷达主要应用于浅地层勘探,各种噪声和杂波的干扰常常很严重,而电磁波在地下的传播过程又十分复杂,因此正确识别提取有用信息,是探地雷达剖面数据处理解释的重要环节;同时,为了准确地应用探地雷达探测地下目标体,需要了解在环境和目标介质介电参数分布及相互作用下,电磁波的相应的传播规律和介质的瞬态电磁反射特征。因此,数值模拟方法对于数据分析解释以及异常目标的正确认识具有重要意义。　　 为了更好地分析探地雷达探测记录,有效地识别地下目标,本文从正演数值模拟计算与信号分析及数据处理解释两个角度系统地研究探地雷达技术。采用时间域有限差分方法通过数值模拟来研究探地雷达仿真数据特征;基于小波理论研究了探地雷达数据小波分析及其能量尺度分布关系的一些变换特征,以及小波目标数据增强处理;基于时频分析研究了探地雷达的时变特征、分频切片技术和能量分布时频表示。取得的创新性研究成果如下:　　 1.首次采用时间域有限差分方法对不同岩溶类型的探地雷达数据特征进行系统地正演分析。依据数值模拟结果对若干典型的岩溶溶蚀剖面进行分析,给出探地雷达电磁波在岩溶区的传播规律和剖面特征的描述,减少了数据解释的盲目性。通过数值模拟正演结果与实测剖面数据实例结合分析,获得了有关岩溶区不同岩溶类型探地雷达剖面响应特征和规律的直观认识,提高了探地雷达数据处理准确识别、解译的能力。　　 2.在对探地雷达信号的小波变换分解形态特征分析的基础上,提出采用小波回归分析方法来评价小波分解效果,对信号的趋势分析与对比更加客观,因而对不同小波函数的分解效果及选取有更好的指导意义。通过岩溶区三种较典型的探地雷达信号来具体说明小波分解的尺度—能量分布特征。提出采用RMS值(均方根值)对小波变换的细节能量分布特征给出评估。RMS(均方根)值更好的支持探地雷达信号细节变化特征与尺度一能量分布关系的理解和分析。对小波分析细节信号序列能量值引入归一化处理,使不同采样数据的同一变换特征识别更加容易,也便于对比不同信号之间的结构特征。　　 3.提出了基于小波分析变换的探地雷达剖面目标信号增强处理方法。不同于常规的小波降噪、滤波等处理方法,采用小波系数分解尺度分段控制的空间剖面增强处理方法,可以凸显感兴趣的特定目标信号剖面结构特征,使之处理后更易于识别。在改善剖面图像可视化质量同时,提供了合适的噪声控制和背景压制效果。　　 4.较系统地研究了探地雷达时频分析方法。通过对比几种时频分析方法,指出探地雷达基于S变换的时频分析应用分辨率更好一些。提出了探地雷达数据解译的分频切片方法,用分频分析的时频表示方法来研究探地雷达信号的变化特征。根据分频切片结果,可以比较容易地识别探地雷达剖面层位及其变化规律。需要注意到是,不能孤立的考虑其反映的地质解释意义。　　 5.根据探地雷达信号能量时频分析的分布特征,提出基于时频分析的探地雷达数据分频降噪和干扰抑制处理方法。方法简单,效果明显。该方法可以进一步用来去除某些不希望的特定频率信号成分,或者对微弱的有效信号所在频带进行分频振幅增强处理等。　　 6.利用信号的能量集中特性,提出一种探地雷达信号相对能量分布的分析方法。实例处理表明,有利于突出探地雷达数据局部的能量分布特征而又保持较好的整体均衡关系;应用探地雷达信号的极性信息来调制能量分布结果,提出“能量相”分布分析,用能量相分析弱信号的奇异特征更加明显。