探地雷达(Ground Penetrating Radar, GPR)自20世纪初出现雏形发展至今，已有百年历史。它利用电磁波对地下目标和介质结构进行无损探测，具有探测速度快、穿透能力强、分辨率高的特点，是一种广泛应用的无损探测技术。随着硬件技术与数据处理手段的日益发展，探地雷达数据解译技术已逐步由近似、定性的解译转向精确、定量的分析处理。由于探地雷达一般工作于复杂的介质环境中，数据处理所需的介质参数(如电磁波速)具有不确定性，给雷达成像处理和数据解译带来不小困难。实现不依赖介质参数的自聚焦处理一直是探地雷达数据解译的一个难点问题，也是限制诸多处理算法从实验室条件走向实用的重要因素。在探地雷达的诸多应用中，对具备圆柱状何外形的地下目标进行探测是一个备受关注的课题，因为这类目标代表了诸如管线、钢筋、隧道等大量的人造物体，对于市政建设、交通、安防、环境等领域具有实用价值，如何精确、定量地从探地雷达探测数据中提取地下圆柱体目标的几何和物理属性信息，是具备实用价值和研究价值的热点问题。基于这一应用背景，本文研究了基于精确电磁正演的全波反演技术在探地雷达自聚焦中的应用。
　　首先，本文实现了表层探地雷达的三维频域全波反演。利用探地雷达对地下圆柱体目标进行探测的物理模型，基于共偏移扫描，分析了对圆柱体目标进行扫描的回波特性，以及从中提取目标参数的经典方法，即基于射线追踪原理的算法，分了经典算法所面临的主要问题，指出全波反演技术的必要性，进而基于全波反演理论，建立了精确、定量估计圆柱体几何属性(包括目标位置、半径)以及介质介电属性(包括相对介电常数、电导率)的基本方法和一般处理流程。由于这是一个有限参数的优化问题，首次引入了ShuffledComplexEvolution(SCE)这种全局最优化算法到全波反演问题中，实现了基于全波反演的地下圆柱体目标的精确估计。同时，由于采用了三维电磁正演，有效解决了反演的二维近似造成的不可误差。
　　第二，建立了未知振源子波情况下对实测数据的全波反演方法。鉴于实测条件下用于电磁场正演的振源子波未知，课题引入了基于反卷积原理的子波估计方法，从所观测数据中估计振源子波。子波估计的准确度有赖于所采用的初始模型，而初始模型一般误差较大，导致子波估计不准确。本文研究了使用相位和幅度补偿因子来修正所估振源子波的方法，并将振源子波修正纳入到全波反演中，使其和模型参数同步优化。对于这样的高维参数联合优化问题，结果的稳定性、所需要的计算资源等，都是重大的挑战。课题研究了高维联合优化反演降维处理的方法，利用级联的相位参数优化和幅度参数优化反演策略，实现了包含子波优化的全波反演算法。
　　第三，提出使用线性相位补偿因子的复合相位补偿全波反演方法。由于相位补偿因子对所估振源子波的修正能力受到限制，当振源子波的初始误差超出相位补偿因子的修正能力时，包含子波优化的全波反演可能会陷入局部最优化解，对此，提出了线性相位补偿因子，提升了全波反演的适应性和准确性。利用这一改进，课题初步研究了利用全波反演对地下圆柱体目标的属性进行识别的问题。
　　此外，考虑到精确的三维电磁正演需要大量的计算资源和计算时间，课题还研究了全并行的全波反演技术，并使用超大规模集群计算机实现全波反演。所提出的并行全波反演技术使计算时间缩减两个数量级，将基于纸面分析的理论得以实现，并为后续基于全波反演对更高分辨能力、更快反演速度、更大应用范围的探地雷达技术发展需求提供了理论和实现基础。