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探地雷达是一种应用广泛的地球物理方法。地面雷达可以对目标进行无损探测,但是探测深度有限。钻孔雷达可以接近目标地质体,在探测深度方面,比地面雷达有了大幅度的提升。但是传统的钻孔雷达无法在单孔情况下对地下目标进行方位识别,而多孔测量会让花费成倍的增加。定向钻孔雷达可以在单孔中对目标方位进行精确测量。定向钻孔雷达包括定向发射和定向接收两种形式,本文研究定向接收。本文研究的定向接收天线采取天线阵列的形式,包括位于东、南、西、北四个方位的全向接收天线。根据四个接收天线接收信号相位的不同来进行方位识别。传统的方位识别算法包括反正切法算法和残差法算法。反正切法算法是将接收到的电场数据合成磁场数据,利用磁场数据的东西方向分量和南北方向分量的反正切关系进行方位识别。残差法算法是假设信号以不同的方位角入射,计算相应方位角下接收天线接收到的信号,再将计算值与实测值做差求取绝对值,即求残差。残差最小值对应的方位角即为所求。空间谱方法是通过计算空间中各个方位的能量来估计方位角的方法。相比于反正切法算法与残差法算法,空间谱方法具有更强的抵御随机噪声的能力。多重信号分类算法(MUSIC算法)是传统的空间谱方法。MUSIC算法既适用于均匀线阵,又适用于均匀圆阵。MUSIC算法需要求取接收信号组成矩阵的协方差矩阵,再求协方差矩阵的特征值和特征向量。大特征值对应的特征向量组成信号子空间。小特征值对应的特征向量组成噪声子空间。利用信号子空间与噪声子空间的正交关系构造MUSIC算法的空间谱。通过对不同方位计算MUSIC算法的空间谱,最大值对应的方位即为来波方位。本文在MUSIC算法的基础上提出并实现了基于波束空间的多重信号分类算法(BS-MUSIC算法)。BS-MUSIC算法是通过将四个接收天线的接收信号合成两个波束,再对这两个波束作为通道利用MUSIC算法进行方位识别。因此,计算量由原来的对四维数组的处理降为为对二维数组的处理,因而降低了运算量、节省了运算时间。线性预测算法也是空间谱估计算法。本文对线性预测算法进行改进,提出并实现了基于定向钻孔雷达系统的线性预测算法。线性预测算法是通过对未来或者之前数据的预测,求取权系数。再利用权系数构造线性预测空间谱,进而求取方位角的方位识别算法。通过对未来数据进行预测求取权系数的方法称为前向预测算法;通过对过去数据进行预测求取权系数的方法称为后向预测算法;对未来和之前的数据同时预测求取权系数的方法称为双向预测算法。传统的线性预测算法仅仅适用于均匀线阵。本文将定向钻孔雷达系统的四个接收天线分为东西向的均匀线阵和南北向的均匀线阵。为了提高运算精度,对这两个均匀线阵分别增加虚拟天线,使得东西向的均匀线阵和南北向的均匀线阵分别具有四个接收天线。再将线性预测算法应用于这两个线阵,并将这两个线阵的方位识别结果进行综合。最终求得波达方向。井眼、探管、以及接收天线之间的相互影响对方位识别造成严重的干扰。本文利用带子网格的FDTD算法对上述情况进行数值模拟。在仅考虑井眼情况下,井内仅有一个发射天线和一个接收天线时,井内流体的介电常数越大,直达波信号越强,反射信号越后延,同时波形畸变也越严重。在井内有一个发射天线和位于东、南、西、北,四个方位的接收天线时,接收天线的阵列半径越大,接收信号的区分度越好,井内流体的相对介电常数越大,接收信号中的谐振越强烈。经数值模拟谐振是由反射波在接收天线之间来回震荡形成的。在同时考虑井眼和探管时,探管直径越大,接收信号的区分度越好;井内流体的相对介电常数越大,直达波和反射信号强度均增大;探管的相对介电常数越大,接收信号中谐振现象越明显。由于井眼和探管的存在会让电磁波发生反射和折射,进而影响接收信号的相位信息,对目标的方位识别结果造成严重干扰。将考虑井眼和探管的接收数据,按照均匀介质下的方位识别算法求得的方位角称为视方位角。本文通过求得射入各个接收天线的电磁波的传播路径,找到视方位角和真方位角之间的关系,并把这个关系称为井眼周围不均匀性的校正关系。并用GprMax模拟数据对校正关系进行验证,结果表明,校正关系可以有效地消除井眼和探管的影响。基于井眼周围不均匀性的校正关系,本文对方位识别算法进行改进。本文提出并实现了利用方位角合成纵横切片的算法,并利用偏移成像算法对各个方位的纵向切片进行偏移处理,最终实现对偏移后的数据进行三维成像的算法。本文利用带子网格的FDTD算法合成数据,对生产实践中遇到的主要情况进行数值模拟。本文模拟了三个模型,分别为孤立目标、穿井目标、以及孤立目标和穿井目标的组合。经计算,方位识别和成像算法得到以上模型的有效验证,因此本文提出的算法具有普遍适用性。最后,本文设计实验对于以上方位识别算法提出检验。设计的实验包括变收发距实验和变方位角实验。将实验所得数据利用各方位识别算法进行计算,所得结果均符合目标模型。因此,本文提出的算法具有实际应用价值。