随着社会进步和科学技术的发展,人类活动频度的增加和人类工程使城市地质环境所受影响和压力与日俱增。导致地质环境的改变日益增大,地质环境加速恶化,城市地质灾害已呈现出多发趋势。为了保障城市运行健康安全有序,查明这些地质灾害问题是必须而迫切的,必须依靠地质普查和地球物理探测相结合的方法。本研究针对探地雷达应用于城市地质灾害勘探中的相关问题进行了研究。基于电磁理论建立的探地雷达探测技术,其成像方法类似于传统的地震勘探技术。本研究采用电磁场时域有限差分法对探地雷达模型进行数值计算研究,对常见地质灾害模型的探地雷达进行三维正演成像,设计实用的三维成像软件对二维探地雷达数据进行三维成像。三维成像是探地雷达发展的必然趋势,其图谱对于地质解释人员来说大部分目标能直接识别。而对于大量的图像判别和多目标、复杂目标状态时,如何自动化识别出目标体,提高识别准确率、降低劳动强度,仍然是当前的探地雷达应用的难点。本研究对三维图像中的目标体所在纵向时域数据利用物体半空间的电磁谐振特性进行极点识别。电磁谐振理论在探地雷达应用上仍处于起步阶段。基于谐振区的奇点展开法是瞬态电磁场理论中的重要发展里程碑。该方法中能够使用较少的特征极点对目标的特性进行描述,使得识别系统的复杂度大大降低。该方法在军事领域取得了极大成功,但在以半空间探测为主要应用场所的探地雷达领域其应用进展仍然不大。本研究对常见的基本形状的物体电磁瞬态散射模型,研究其在介质空间和半空间环境下的电磁谐振。使用FDTD三维建模方法进行正演,然后利用矩阵束法对雷达回波信号时域曲线的晚期谐振段进行极点提取,提取结果与理论基相符合。分别研究了金属球体、介质球体、球状洞室、充水球状洞室、矩形柱状物体、圆柱状物体和柱状充水洞室,在介质空间、半空间的电磁谐振特性。对半空间散射回波,采用SVD解卷积法去除半空间界面对回波造成的影响。对非规则物体的FDTD三维建模,采用构造HDF5文件,将三维模型数据存贮于HDF5文件中,然后由gprMax软件调用实现非规则复杂三维模型的构造。对洞室内注不同水位的复杂电磁散射模型,研究其随水位升高时谐振极点为变化规律。为进一步研究半空间内物体的谐振特性,本研究探讨了探地雷达半空间圆柱状物体的电磁散射解析解,从解析理论的角度研究其散射特性。采用模式匹配法得到了偏心介质柱在线电流源和平面波源激励下的电磁散射解析解。该解在同心柱情况和偏心柱情况下,都与FDTD数值计算结果具有高度一致性。相对于文献方法,本研究解析解得到了数值计算结果的验证。表达式简洁,计算速度快,对于快速计算半空间圆柱状物体的散射性状,进一步研究物体的电磁谐振的本质有重要意义。上述研究成果,对于运用探地雷达技术探测、识别和解译城市地质灾害,如隐伏于城市地下的洞穴、暗河、岩柱、断层、岩层的类型及其演化规律等,提高城市防灾能力具有重要应用价值。