机载探地雷达是探地雷达(GPR)的一种形式。相比于常规探地雷达,机载探地雷达可勘察危险地区或人员难以涉足的区域。首先,机载瞬态脉冲探地雷达回波信号为超宽带信号,采用实时采样的方式系统设计复杂,成本高,功耗大。分析脉冲信号源工作原理,得出控制雪崩瞬态脉冲源开关状态变换的电压值不是一个精确值。这个不确定电平致使瞬态脉冲探地雷达辐射信号和回波在一定时间范围内有随机抖动的特性。这个随机抖动使得雷达回波信号与采样系统具有一定的非相关性。上述情况对回波采集带来两个问题:第一,单纯采用顺序等效采样的方法已经不能正确重构回波波形;第二,回波信号相对采样时钟的随机抖动范围较小,使得随机等效采集难以覆盖一个完整采样时钟周期。针对上述问题,本文提出了一种将间隔测量与延迟芯片相结合的方法。其中,测量采样触发信号与采样时钟时间间隔解决了第一个问题;延迟芯片步进调整回波信号与采样时钟的相位,解决第二个问题。设计了以现场可编程门阵列(FPGA)为中心控制器的随机等效采集系统,实现对机载瞬态脉冲探地雷达回波信号的获取以及波形重构。对随机取样的关键技术—时间间隔测量电路和预触发功能进行深入的讨论分析。此外,还给出正确接收ns级随机采集触发脉冲的信号转换电路方案。其次,本文阐述机载步进频率探地雷达数据采集系统的设计与实现。通过对步进频率雷达系统的信号流进行理论推导和数值仿真,表明了步进频率探地雷达信号特征。根据步进频率信号的这些特征,提出可对正交基带信号进行筛选、缓冲和发送的采集系统方案。最后,对以上两套数据采集系统的电源、时钟、数据采集以及通信等核心模块进行调试,确保整个数据采集系统完成预设功能。同时,将两套采集系统与探地雷达的其它模块进行联合测试,验证雷达整体系统性能。机载瞬态脉冲探地雷达在地面上开展浅地层目标探测实验,实现对浅地层金属目标的准确识别。机载步进频率探地雷达开展同轴线闭环测试实验,雷达系统各个单元工作正常。