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本文主要围绕机载/星载探地雷达探测多尺度分层粗糙面介质电磁散射及其逆问题进行研究，理论推导给出了小尺度分层粗糙面介质电磁多次散射高阶微扰解闭合解析表达式，同时基于该高阶正演理论模型，采用模拟退火算法对小尺度分层粗糙面介质电磁高阶散射逆问题进行了研究。建立大尺度分层粗糙面介质电磁散射模型，对次表层探测雷达MARSIS(Mars Advanced Radar for Subsurfaceand Ionospheric Sounding)/SHARAD(Shallow Subsurface Sounding Radar)实测回波数据进行数值仿真，并且基于大尺度粗糙面分层介质雷达散射回波数值模拟方法，发展由火星次表层探测雷达回波波形数据定量获得分层介质电特性参数的反演方法。利用建立的大尺度分层粗糙面介质电磁散射模型对机载极地探冰雷达冰川表面杂波信号进行数值模拟，并提出了一种数字滤波方法对表面强杂波信号进行抑制。本文的主要工作和创新点包括以下几个方面: 1.首次基于Huygens原理谱域积分方程、微扰法SPM(Small PerturbationMethod)和电磁场边界条件理论推导给出任意多层小尺度随机粗糙面非均匀介质三维电磁多次散射高阶微扰解的闭合解析表达式。 2.首次给出了分层粗糙面介质电磁散射、辐射和传输电磁场高阶微扰解的核函数解析表达式，并且基于高阶解表达式首次给出了分层粗糙面介质电磁多次散射高阶微扰解的明确物理含义。数值仿真分析了多层粗糙面非均匀分层介质三维全极化电磁散射系数随分层介质电特性参数变化关系。 3.基于Stratton-Chu积分方程、Kirchhoff近似理论和几何光学(GeometricalOptics)理论推导给出大尺度分层粗糙面介质电磁散射场的积分公式。理论推导和数值仿真分析了粗糙度对火星次表层探测雷达表面和次表面雷达回波信号的影响。 4.基于激光测高仪MOLA(Mars Orbiter Laser Altimeter)和高分辨率全景相机HRSC(High Resolution Stereo Camera)获取到的高分辨率真实火星表面数字高程数据DEM(Digital Elevation Model)，基于大尺度分层粗糙面介质电磁散射模型，首次对火星次表层探测雷达MARSIS/SHARAD实测回波数据进行仿真，可以作为对实测雷达回波数据解释和火星次表层参数估计正确与否的验证方法。 5.提出采用大尺度分层粗糙面介质电磁散射物理模型的雷达回波信号模拟方法对MARSIS2682轨道和SHARAD6830轨道雷达实测数据的解释假设和参数估计进行验证。结合MARSIS/SHARAD实测数据处理分析，给出了火星北半球区域不同环形山形成地质构造模型。数值仿真分析了双频段方法探测薄干冰层的可行性，并且对雷达回波信号杂波抑制处理、SAR(SyntheticAperture Radar)分析及成像方法进行了研究。 6.基于大尺度分层粗糙面介质电磁散射雷达回波信号模拟方法，提出了一种机载极地冰川探测雷达回波信号杂波抑制方法，主要用于对机载探冰雷达探测极地冰层边缘和沿海岸的起伏大、粗糙度大的冰川区域表面相干强杂波进行抑制，进而提取出被湮没的冰底层弱信号。对机载冰川探测雷达回波信号进行数值模拟，并数值分析了冰川几何结构、目标参数和雷达系统参数对雷达回波信号影响，对于机载探冰雷达系统设计提供重要的科学依据。 7.首次建立了基于分层粗糙面介质电磁散射高阶微扰解的参数反演模型，采用改进的模拟退火算法对该非线性最优化反演模型进行求解，并给出多参数反演结果及噪声分析。 8.针对目前对实际次表层探测雷达MARSIS/SHARAD实测数据处理方法的局限性，如传统的基于平面分层介质Fresnel反射/透射模型和求解病态方程估计参数误差大及Fresnel模型适用范围有限等特点，提出了采用改进的遗传算法研究大尺度分层粗糙面介质散射逆问题，进而实现利用MARSIS/SHARAD雷达实测数据对火星表面及表面下分层介质电特性参数进行估计。