探地雷达(GPR)是一种利用地下不同介质电磁特性的电磁反射回波提取地下介质分布情况的射频电磁技术,在地质工程检测、冰川探测、水文水利、灾害救援等方面都有广泛的应用。目前现有文献对地下异质体(如空洞,裂缝,断裂岩等)的检测估计大多数是基于GPR扫描图像中双曲线参数,但估计精度受目标电尺寸、目标形状、埋地方位、发射脉冲分辨率、扫描方式等多方面因素的影响,使得由GPR信号反射幅度响应探测裂缝状异质体仍然是一项挑战性任务。本文围绕地下隐藏异质体目标几何参数估计问题,对电磁波在线状目标体上的散射机制与目标体几何特性的关系进行深入研究,为实际交通安全隐患排查与设施维护提供理论指导。本文的具体安排如下:1.根据电磁波对线状目标体极化效应的影响,探索出电磁波除了在目标体表面形成反射波,还存在与目标体固有特性相关的谐振波,在瞬态响应中分别对应了早时响应部分与晚时响应部分,其中晚时响应包含了目标的几何与介电参数,因此可以对晚时响应回波研究目标的几何参数估计方法。而获得晚时响应的难点则是从接收回波中区分早时响应与晚时响应。首先分析了电磁波对线状目标体的极化效应,推导了自由空间中θ?极化与φ?极化下细导线的散射电场,进一步针对半空间中细长目标体的电磁散射问题,从坡印廷矢量着手,分析不同极化下半空间线状目标体散射场的短时能量谱差异,从中提取在目标影响下的瞬态晚时响应。利用线状目标体对电磁波线极化的敏感性,提出一种基于极化差异的地下介质体裂缝方位向估计方法,构建线状目标几何匹配模型,建立地下目标方位向与入射波方位的关系,分析了两种极化下回波幅值系数差异,通过幅值系数差异随入射角的变化关系,根据不同入射角下测得的不同极化幅值能量差异进一步确定地下目标方位向。实验结果证明了提出方法的有效性。2.针对埋地线状良导体目标的长度估计,首先分析了电磁波在埋地良导体目标上产生大幅值回波的条件,阐述了电磁波在目标体上的散射机制以及目标与地面之间的相互作用,根据电磁波在目标体上的爬行波构建了目标的散射回波时延差模型,建立了瞬态响应回波晚时谐振态与目标长度的关系,推导了电磁波在介电媒质中以两倍目标时长为自周期以及与目标体方位角相关的联合周期的谐振关系,从时频分布获得相应的谐振频率并估计目标长度。根据瞬态响应回波早时部分首达时间的时延差,结合首达回波与晚时谐振回波的能量变化趋势估计目标的方位角,数值仿真结果与分析验证了提出方法的有效性以及对噪声具有鲁棒性。3.针对地下充水裂缝的宽度估计问题,首先构建了基于扩展射线理论(ERT)的介电圆柱体目标电磁散射模型,分析了目标体内部谐振能量传输方向与内部多次反射路径长度。讨论了利用内部谐振估计目标宽度的可行性。研究表明电磁波在目标体内奇数次传播的能量将沿着目标表面形成爬行波返回到接收机,而偶数次传播的能量集中在圆柱体径向,几乎不用通过爬行波直接返回接收机。并且证明在圆柱体内部的奇数次传播与偶数次传播的路径差为一个直径的距离,利用这个结论作为目标宽度估计的依据。考虑到难以从时域回波中区分奇、偶数次传播路径差,而从时频分布中分析得到,奇数次传播相比于偶数次传播经历了爬行波的滤波效应,使其谐振频率较低,因此通过时频域上奇数次传播与偶数次传播对应的不同谐振频率段能有效获取两者之间的路径差,从而估计目标宽度。仿真与实验结果验证了提出算法,尤其是能对地下充水裂缝目标进行有效的宽度估计。4.针对地下介电圆柱状目标的长度与宽度估计,分别从水平极化与垂直极化探测目标,利用前者在目标轴线方向产生的较强爬行波与目标长度相关的外部谐振估计目标长度,根据后者在目标径向的透射波及与宽度相关的内部谐振估计目标宽度。考虑到谐振频率提取方面,之前时频分布的方法对良导体目标有较好的效果,而对相同形状尺寸的介电目标会因谐振回波能量较弱而难以在时频分布中体现。为了解决此问题,对目标冲激响应分析极点特性,从极点信息中获取目标的谐振频率。分析了与目标宽度相关的内部多次反射以及外部爬行波产生的谐振,提出利用谐振频率谱提取谐振频率。仿真与实验结果分析了不同介电常数目标场景所对应的电磁散射机制,有利于实际应用中针对不同目标场景选取更准确的估计方法,提高估计精度。5.针对地下电大尺寸介电目标的几何参数估计,分析了电大介质目标在扫描图像中遇到的前表面虚像与后表面微弱信号检测问题,由于传统的基于阈值检测的幅值能量扫描图像中,目标的弱能量信号容易漏检,为此利用希尔伯特变换获取幅值扫描图像的相位信息,并进一步得到相位差,既突出了背景中的目标变化信息,又消除了背景。利用记录信号与来自于目标前或目标后回波之间的几何关系区分真实目标点与虚像点。对于目标后表面的微弱信号,分别针对两种情况提出微弱信号补偿方法。方法一:针对目标在浅层且与下一层有交界面的情况,提出基于超前/滞后弱信号补偿方法,利用电磁波在目标体内部传播的速度变化产生相对于背景交界面超前/滞后现象对目标后表面进行补偿。方法二:针对目标处于深层且在采样时间窗内没有下一层交界面的情况,提出基于介质体内部谐振弱信号补偿方法对目标后表面回波进行补偿。通过前表面真实目标点与后表面补偿点得到重构目标。通过比较重构目标的几个特殊距离参数与实验设置真实参数,验证了提出算法的可行性与鲁棒性。