探地雷达(GPR)利用了电磁波在不同电磁特性物体分界面上的折射和反射原理,实现对地下目标场景的反演。由于探地雷达的探测环境较为复杂,回波信号中不仅存在着有效信号分量,还有收发天线之间的直耦波分量、经地表直接反射波分量、噪声分量以及射频干扰分量等,如果不进行GPR信号预处理技术,有效回波信号容易被淹没在能量较强的直耦波和地表直接反射波当中,导致无法有效探测目标。本文针对GPR回波信号模型,研究了针对直达波去除和噪声抑制的信号预处理技术,结合实测数据分析了信号预处理技术的有效性。GPR成像是将GPR探测的地下目标回波信息转化为图像信息以更加直观的方式显示地下场景的信号处理技术。由于分层介质场景、双站工作模式的复杂性,本文从时域后向投影(BP)成像、频域距离偏移(RM)成像以及压缩感知(CS)成像三类成像算法入手,研究适合分层介质场景以及双站模式的GPR成像算法。其中,针对BP算法在GPR场景中计算复杂度较高的问题,研究了计算效率改进的BP算法,同时针对旁瓣和干扰能量较高的问题,本文提出了基于互相关信息的BP改进算法,并将此方法与计算效率改进的查找表BP算法结合起来,在提高计算效率的同时又保证了旁瓣和干扰的抑制能力,理论分析并实测数据以及仿真数据验证了算法的有效性。然后,针对传统RM算法在分层介质以及双站模式中应用的局限性,研究了基于分层介质的RM(LRM)算法,并将其推广到双站模式的LRM(BLRM)算法,实测数据以及仿真数据验证了算法在分层介质以及双站模式中应用的有效性。最后,研究了基于压缩感知(CS)理论的GPR成像算法,结合GPR成像模型以及地下目标的稀疏环境,利用三种稀疏重构算法实现了压缩感知理论下的成像结果,从聚焦度角度获得了比传统算法更好的成像效果,并从成像位置成功概率角度研究三种压缩感知算法随信噪比(SNR)、压缩数据比以及目标之间间隔的变化情况。