地下管线是现代化城市运行与发展中必不可少的重要部分,在城市建设或施工过程中,缺乏施工区域地下管线分布图会影响工程安全及进度。因此,确定如何运用快速、精准的管线探测手段,获取探测区域管线信息是一个值得研究的课题。与传统地球物理探测手段相比,探地雷达(Ground-penetrating radar,GPR)技术具有分辨率高、检测效率快、抗周围干扰能力强、可进行无损检测且能检测非金属等优点,已经成功运用到管线探测中。尽管如此,目前运用探地雷达对管线探测仍存在目标回波图谱解译困难、管径识别误差较大、管线材质识别方法复杂等问题。基于此,本文结合时域有限差分(Finite Difference Time Domain,FDTD)数值模拟和实地测量对探地雷达在不同情况下测量到的管线图谱特征和管线信息提取方法进行研究。首先,构建地下管线回波双曲线数学模型并分析不同条件下管线成像双曲线的特征;进一步利用时域有限差分法构建不同情况下城市地下管线模型,建立常见地下目标体的图像特征库;然后,创建三维地下管线模型,研究二维雷达探测图像三维成像特点并计算地下管线与测线夹角;最后,通过单波道数据间相互关系提取管线回波双曲线,计算管线位置及管径大小。本文的主要内容和研究成果如下:(1)建立成像管线位置、传播时间和传播速度之间的数学关系,分析成像双曲线的特点,通过正演模拟得到不同填充介质下成像双曲线顶端走时不同,双曲线开合程度存在差异,填充介质的介电常数越大,双曲线半轴越小,双曲线的开口越小;在不同埋深情况下,管线埋深越浅其双曲线顶点位置也越浅,成像会更加尖锐,但其成像双曲线的渐近线相交点位置相同;不同管径下,成像双曲线的渐近线相交点不同,双曲线开口大小也不一样,但各条双曲线的渐近线夹角相同。(2)基于FDTD法使用gprMax软件进行了探地雷达正演模拟实验,研究不同管线材质、形状和填充材料在复杂环境下对探地雷达成像剖面图的影响,建立对应的图像数据库,提高对地下管线解译的效率和精度。(3)通过对三维地下管线模拟,对二维成果数据进行三维成像,计算地下管线走向与测线之间夹角。结果表明,三维成像方法可以计算管线走向夹角,实验结果误差为2.99%,在对地下探测目标识别中,三维模拟相较于二维有着很大的优势。(4)根据管线目标信号在B-Scan数据中呈现为双曲线的特征,采用均值法对测量得到的数据进行去直达波处理后,基于单波道数据间相互关系提取成像双曲线,并拟合计算得到管线目标位置,进而完成对地下管线的检测和定位。结果表明,该方法能较准确的检测地下目标且计算量较小。(5)利用双曲线参数拟合法、三点定圆法和多次波法计算管径并进行精度验证,研究三种方法的适用条件。结果表明,三点定圆法精度最高,误差在8%以内,但对选点要求较高;双曲线参数拟合法误差在13%以内,人为因素影响较小;多次波法局限于非金属管道,误差与双曲线参数拟合法相近。