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探地雷达是利用高频脉冲电磁波探测近地表介质分布的一种地球物理方法，以其诸多优点已经被广泛应用于多年冻土区的勘察工作中，并取得了较多的成果。针对探地雷达在冻土勘察中存在的问题，本文结合理论模型分析，正演模拟和实际勘察应用等手段，通过建立冻土介电常数半经验模型，并对电磁波在冻土中传播的主要影响因素，典型冻土的探地雷达正演模型进行了模拟分析，最后在天山高山多年冻土区的实际勘察中进行了应用研究。得到了如下结论:
1.在微波频段范围内，针对三种典型的土壤类型（砂土、粉土、粘土），建立了冻土介电常数半经验模型以及冻土介电常数与温度的变化关系。结果表明:在冻融过程中，当温度达到273K左右时，冻土中的冰消融，自由水会大量释放，导致冻土介电常数‘阶跃’现象的产生，该种突变为探地雷达在多年冻土区中的应用提供有利的先决条件。
2.对电磁波在冻土中传播的主要影响因素进行模拟和分析。研究发现:在探地雷达频段范围内，介电常数的实部会明显的改变电磁波的传播速度，而虚部会对电磁波在冻土中传播产生衰减和频散，电导率对电磁波传播能量的衰减影响更加明显，实际上电导率对电磁波传播特性的影响已蕴含在介电常数的虚部中。测量参数方面，因天线中心频率和天线距会直接改变探地雷达在冻土勘察中的分辨率，因而是勘察精度的主要影响因素。
3.建立了典型冻土的探地雷达正演模型，模拟分析了电磁波在不同冻土模型中的传播过程以及探地雷达探测的有效性。正演结果表明:冻融界面处相对介电常数的巨大差异，使得雷达波的反射系数出现正负，导致其振幅强度、极性、相位等均发生改变，这为识别冻土上限位置、探测季节活动层厚度提供了有利条件。同时，厚层地下冰因其与周围岩体介电参数的反差，在一定天线频率和合理的天线距下，也能进行有效的探测。最后，对于上限附近不同体积含冰量地下冰分布，因其含冰量的较大差异，通常呈双曲线同相轴出现，因而也对其进行有效识别。
4.基于以上理论研究，在天山高山多年冻土区开展了探地雷达的实际勘察应用。勘察结果表明，探地雷达可以较为有效确定多年冻土分布区域，冻土上限位置，厚层地下冰的赋存情况和研究斜坡冷生现象，是研究多年冻土分布规律和特点的一种有效手段。在地表水补给充分和植被覆盖较好的条件下，多有多年冻土存在且冻土上限较浅，在该条件下存在的冻土，往往是退化型岛状多年冻土区域内最晚退化的冻土。