探地雷达(GPR)通过向地下发射高频率宽带电磁波来探测地下物体、地层界面以及地下介质属性和分布结构，被广泛应用于经济建设和军事各领域。由于雷达信号会受到各种电磁和背景噪声干扰，使得接收到的信号不能直接准确地反映地下介质信息，造成对目标检测和识别的困难。特别当目标体积较小或目标层厚度较薄时，目标的反射波很难被识别。在对路面、隧道以及地下污染物等检测时，遇到的地下介质多是层状分布的。人们不仅希望获得各层的深度和厚度，还希望得到各层介质的介电常数和电导率等参数。因此，本文将包含薄层的层状介质作为研究的对象，研究如何利用雷达回波识别薄层，计算层的深度、厚度以及电性参数的方法。　　本文的主要工作和创新包括:1.比较了短时傅氏变换、小波变换、s变换和广义s变换等时频变换对探地雷达信号的处理效果，对利用广义S变换提高探地雷达信号对薄层分辨率进行了重点研究，同时给出了选取广义S变换窗口参数以及频率点的方法。2.研究了不同参数薄层目标的探地雷达信号的时频谱特征。基于含薄层目标的韵律型和渐变型地层理论模型及其模拟的雷达信号，研究总结了韵律型和渐变型地层的模型的雷达信号频谱响应的不同的规律，建立了地下薄层目标物理和电性参数与探地雷达信号峰值频率和峰值幅度之间的定量关系。3.通过定义新型的探地雷达信号倒频谱，根据地层反射系数序列频谱的实部和虚部的倒频谱的幅度相同，而相位相差π/2的特点，提出了一种定性识别探地雷达薄层信号的倒频谱方法。4.根据地层不同的几何和物理参数对地层反射系数序列频谱属性的不同影响规律，利用不同频谱属性分别估算地层的一个和几个参数，然后，把这样估计的参数作为初值，用全局最优化算法求解包含所有未知参数的谱反演目标函数，同时反演所有未知参数。从而，提出了一种新的计算地下层状介质厚度、深度、介电常数和电导率的分步反演方法。该方法减小了谱反演方法的多解性，提高了反演的精度和效率。若干理论模拟实验和对公路检测资料的处理结果表明了本文方法的正确性和有效性。