传统的探地雷达成像算法由于直接使用时域回波进行成像,故抗噪声性能不佳且成像分辨率受到发射信号脉宽的约束。将支持低速采样和高概率重构的压缩感知（CS）理论应用到探地雷达成像上不仅可以降低信号采集成本,还在不增加天线孔径和发射频率的情况下提供了一条高分辨率成像的途径。随着雷达技术的进步,多输入多输出（MIMO）雷达凭借其较高的频率灵活度、高效的数据采集效率等众多优点开始被应用于地下目标探测领域,结合MIMO雷达和压缩感知能够对地下目标高分辨率成像。但是,当面对地下空洞目标时,标准的MIMO压缩感知成像方法无法对地下空洞进行完整的重构。同时,传统的二维探测成像模式难以应用在目标位置未知的三维空间中。针对脉冲探地雷达和MIMO探地雷达所存在的三个问题,将本文的工作内容概括如下:1.针对BP算法成像与发射信号的脉宽、波形等因素有关,成像中无法直观反应埋藏物体位置的问题,提出了一种能对地下物体精准成像的压缩感知卷积后向投影（CSCBP）方法。该方法首先通过压缩感知将回波信号投影至时域延时向量,随后利用待成像点最近几个测点双程走时的相似性对该点是否成像进行判断,最后使用卷积和的方式对需要成像点求取像素值。实验结果表明,该方法不仅拥有压缩感知算法优越的抗噪声性能,同时成像更加准确。2.针对MIMO探地雷达压缩感知成像无法完整重构地下空洞的问题,提出了一种对地下空洞完整成像的方法,并命名为二次重构法。该方法使用MIMO雷达以实现快速数据采集,同时使用全变分最小化重构算法作为成像的重构方法,以保证成像结果拥有清晰的边缘轮廓。在二次重构中,首先采用了一种改进的直方图法以从传统成像中获得空洞顶层的精确位置。然后利用获得的空洞顶层位置信息选择有效阵列并将空洞顶层作为已知信息重新构建字典,以解决回波数据与字典不匹配的问题。仿真实验表明,二次重构方法不仅能对地下洞室进行完整成像,而且具有较高的分辨率。3.针对传统的探地雷达二维成像在实际操作中不易使用,成像结果不够直观的问题,提出了多层平面介质探地雷达压缩感知三维成像方法。该方法使用平面MIMO阵列获取探测数据,以提升探测速度;针对二维成像效率低下、位置不够精确的问题,提出了使用压缩感知对地下区域三维重建方法;针对不同层状介质模型难以推广的问题,提出了使用等效介质层理论来对多层介质场景等效近似的方法,实现了不同介质层数目在同一个模型求解。实验结果证明了该方法的在多层平面介质中成像直观、精准。