分层粗糙面及其与目标的复合散射和成像在雷达探测、目标识别、微波成像等领域有着非常重要的理论意义和应用价值。对于探地雷达探测中分层粗糙面以及分层粗糙面与埋藏目标的宽带复合电磁散射,采用时域有限差分法进行建模和计算,可以方便地处理包括不同粗糙度分层粗糙面与不同形状大小、不同介电属性目标所组成的较复杂的媒质模型,且计算精度高。时域有限差分法是一种便于处理宽带散射的时域方法,能够很好地适应探地雷达探测主要涉及的脉冲信号宽带电磁散射计算,以及时域信号的可视化处理。在成像方面,主要提出了一种时延校正算法和一种基于时延预校正的后向投影算法,分别用于探地雷达探测中分层粗糙面的轮廓估计,以及分层粗糙面与埋藏目标的复合散射成像计算。论文的主要工作和研究成果如下:分别对探地雷达探测单层粗糙面、双层粗糙面及三层粗糙面的宽带电磁散射建立了时域有限差分计算模型,计算得到了其B-Scan回波数据。分析了均方根高度和相关长度对单层粗糙面雷达扫描回波特性的影响,以及单层粗糙面的回波形态与粗糙面轮廓之间的关系。分别讨论了两层粗糙面和三层粗糙面在各层粗糙面轮廓相同、轮廓不同但粗糙度相同、粗糙度不同三种情形下的散射特性,以及上层粗糙面轮廓对下层粗糙面回波形态的影响。采用时域有限差分法分别对简单目标、埋藏目标与光滑水平界面、埋藏目标与单层粗糙面以及埋藏目标与多层粗糙面的宽带电磁散射进行了建模和计算。讨论了矩形目标、圆及椭圆形目标、三角形目标、裂隙目标的近场回波特性,以及这些目标的形状大小、介电特性及放置角度等对目标回波形态的影响。分析了不同粗糙度下单层粗糙面散射对矩形和圆形埋藏目标的回波形态的影响,以及单层粗糙面与多个埋藏目标的复合散射特性。探讨了双层粗糙面具有相同粗糙度和不同粗糙度两种情形下双层粗糙面散射对位于其下方的矩形金属目标回波特性的影响。分析了不同均方根高度、不同相关长度以及均方根高度和相关长度均不同的情形下,三层粗糙面散射对其下方埋藏目标回波特性的影响。给出了双层粗糙面散射的轮廓估计方法。采用直接提取粗糙面的回波峰值曲线来实现其上层粗糙面的轮廓估计。对其下层粗糙面的轮廓估计,提出了一种时延校正算法以校正其下层粗糙面的回波形态,即人为地设置一个光滑水平界面来替代原来的粗糙界面,并推导出光滑水平界面与粗糙面之间的距离所带来的时间延迟计算式,将该时间延迟加载于下层粗糙面的回波上,实现对下层粗糙面的回波形态的校正。校正后的回波峰值曲线即为下层粗糙面的轮廓,即实现了对下层粗糙面的轮廓估计。对上下两层粗糙面具有相同和不同粗糙度两种情形下的下层粗糙面回波形态进行了校正计算,验证了两种情形下的校正效果。将时延校正算法扩展至多层粗糙面的轮廓估计,分析了多层粗糙面中顶层以下粗糙面轮廓估计的步骤,并推导了用于多层粗糙面散射中的顶层以下粗糙面轮廓估计的分步骤时延校正算法的计算式,采用该计算式可对多层粗糙面散射中的任意一层粗糙面进行轮廓估计。将该分步骤多层粗糙面时延校正算法应用于不同粗糙度下三层粗糙面的轮廓估计,并对三层粗糙面设置了两种不同的媒质参数情形,对不同粗糙度情况下两种媒质情形的三层粗糙面进行了第二层和第三层粗糙面的轮廓估计,验证了分步骤时延校正算法的轮廓估计效果。采用后向投影方法分别对单个及多个不同尺寸、不同埋藏位置、不同介电属性的矩形与圆形目标进行成像,验证了后向投影方法的成像效果。推导了分层媒质结构中埋藏目标的后向投影成像方法的计算式,将其应用于不同媒质参数情形下分层媒质中不同尺寸、不同埋藏位置的矩形与圆形目标的成像计算,验证了用于分层媒质结构中埋藏目标的后向投影方法的成像效果。针对分层粗糙面与埋藏目标复合散射情形下的目标电磁成像,提出了一种基于时延预校正的后向投影成像算法,并推导了该成像算法的计算式。将基于时延预校正的后向投影成像算法应用于粗糙面与目标复合散射情形下的不同尺寸、不同埋藏位置的矩形与圆形目标的电磁成像,验证了该成像算法的有效性。