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时域超宽带雷达是探地雷达技术中最常用的体制之一，探地雷达(Ground Penetrating Radar,GPR)技术是近半个世纪以来得到迅速发展的一种无损探测技术，其利用高频电磁脉冲在不同电磁性介质中的传播规律实现对地下结构与目标的探测。相比于其他地球物理方法，探地雷达技术具有无损性、高分辨率、高效率、抗干扰能力强以及结果直观等优点，因此近年来探地雷达技术已广泛应用于包括公路路面、桥梁结构、铁路路基、隧道挖掘、国防安全、建筑结构、深空探测、考古探矿等多个领域。 然而，长期以来探地雷达技术的应用研究大多局限于针对地下目标或地下结构的定性探测，即一种“有或无”的判断，而缺乏对于地下介质特性参数的定量检测研究，这在很大程度上限制了探地雷达技术应用的发展。因此，本文的主要研究目的在于将探地雷达技术过去针对判断“有或无”的探测手段深化为利用探地雷达技术定量分析介质的参数特性，以满足更广泛与深入的探测应用需求。 本文围绕时域超宽带探地雷达技术，提出了相应的探地雷达信号处理方法与介质参数估计方法，并对这些方法在钢筋混凝土结构检测、公路路面厚度与缺陷检测、月球次表层结构探测等领域的应用展开了深入研究。本文主要工作及创新性成果可归纳为: 1)提出了一种基于傅里叶-小波的探地雷达信号降噪方法，其中包括一种最优小波基选取方法与一种改进的阈值收缩函数，该降噪方法在仿真数据与实验数据中均取得了比频域滤波与传统小波降噪方法更佳的处理效果;另外，提出了一种改进的相关层位检测方法来提取地下层位信息，能够克服以往检测方法的缺陷，更可靠准确地识别地下层位信息。 2)针对地下分层介质，分别提出利用探地雷达信号估计无耗介质与有耗介质参数特性的方法;针对内部含柱状目标的介质，提出一种基于F-K偏移与最小熵准则的介电常数估计方法。同时，通过数值仿真与实验结果分别验证了上述几种方法的估计效果与精度。 3)基于自主研制的探地雷达-电磁感应(GPR-EMI)系统，提出一种混凝土保护层厚度与钢筋直径的估计方法，其中包含了一种探地雷达信号传播时延校正方法，并通过模型仿真与样件实验验证了该探测系统与检测方法的精度与可靠性。 4)基于自主研制的车载探地雷达路面检测系统，提出一种沥青上面层探地雷达薄层反射信号的检测方法与沥青路面厚度的估计方法，并通过外场实验与钻孔取芯结果证明了该车载系统与厚度检测方法在沥青面层与上面层厚度检测中的精度;同时，根据模型仿真与样件实验，提出了针对路面压实不足、层间剥离、离析等路面缺陷的检测方法。 5)通过测月雷达第一通道与第二通道科学数据得到了“嫦娥三号”着陆区次表层地质结构，并首次利用测月雷达数据对着陆区地下100米内各层物质特性进行了全面估计，包括介电常数、密度、电导率、孔隙率、损耗角正切以及钛铁含量等;另外，根据雷达图像与介质参数估计结果，分析了着陆区晚雨海纪以来的地质演化过程，并对雨海地区玄武岩单元的划分作出了新的解释。