探地雷达,也叫做地表穿透雷达(GPR),是利用电磁波在不同介质之间的传播规律,对地下环境进行参数反演、成像、检测、识别的一种现代无损的对地探测技术。与对空雷达不同,在探地雷达的探测环境中,对象常为各种土壤、公路材料、水等,不仅不同类型的材料的电磁特性相差很大,而且在同一物质中,其电磁特性也随着外界空气湿度、温度等影响而改变。由于电磁特性决定了波场传播的速度,波速作为GPR成像的重要参数之一,决定了其聚焦能力的好坏。在常见的波速估计算法中,往往对于剖面法探测的GPR进行设计的很少。另一方面,在很多工作环境中,如公路、桥梁、甚至是月壤都是层状介质结构,这给波速估计、成像算法提出了更高的要求。本文针对分层介质环境,对剖面法进行探测的GPR的波速估计、成像算法进行研究。由于GPR原始回波中包含了强烈的地表反射波,和来自系统及环境的噪声,本文首先对其回波数据进行预处理。为后处理提供了良好的回波数据后,利用图像熵和频率-波数域(F-K)偏移结合的算法,从单层介质出发进行波速估计,再对F-K算法进行改进,提出了可以进行下层介质估计的分层介质波速估计算法。由于后向投影(BP)算法模型简单、可移植性强,本文将其引入分层介质的成像中来,提出了分段进行的BP算法,并针对传统BP算法计算量大的问题,进行快速BP算法的改进,又在快速BP算法的基础上,为解决旁瓣和杂波干扰的问题,提出了自相关BP算法。鉴于BP算法对多层介质成像的计算复杂、折射点计算困难的问题,本论文接下来又进行了有限差分逆时偏移(FD-RTM)算法的研究,该算法可以运用在多层层状介质的成像中,弥补了BP算法的缺陷。首先介绍了经典的FD-RTM算法,但其计算过程中对波动方程进行了近似,造成了聚焦能力差的问题,对此作者又进行了线性变换有限差分(LTFD-RTM)算法的研究,并针对层状介质,在此基础上进行改进,提出了分段LTFD-RTM算法。最后针对实测数据进行处理,对于算法的适用条件和优缺点进行了更以一步的分析,并对未来研究方向进行展望。