时间反演（Time Reversal,TR）是一种新型信号处理手段,它基于无耗、非时变介质中的波动方程不变性,将多个传感器接收信号通过物理或数值的方式反转并回传,使其经过逆向传播后在原始的信号源或目标处产生相干叠加。在电磁波成像领域,时间反演和传统成像技术最本质的区别在于:它有效地融合了波的物理传输与阵列信号处理过程,能对环境自适应地完成空时同步聚焦,尤其在复杂传播背景下可以借助多径信息拓展常规阵列的等效孔径,从而提升系统的成像性能与环境适应能力。这些独特的性质使时间反演在目标检测、识别、定位及追踪领域具有广泛的应用前景,与此同时现有的一些方法在成像分辨率、稳定性及技术延伸性等许多方面仍有待改善,因此研究时间反演成像技术具有非常重要的理论意义和应用价值。本文从时间反演基本理论出发,在对时间反演镜（Time Reversal Mirror,TRM）与时间反演传输矩阵等现有方法的机理、成像性能及尚存局限性深入分析的基础上,提出三种新的成像方法对其进行改进和创新。另外,在对频控阵（Frequency Diverse Array,FDA）技术的研究基础上,将时间反演与之结合,提出一种增强现有频控阵雷达目标参数估计性能的方法。论文的主要工作总结如下:首先,探讨了时间反演基本理论与方法。分析了时间反演的基本原理及其空时同步聚焦性质,在此基础上具体讨论了时间反演镜、时间反演算子（Time Reversal Operator,TRO）分解以及空频时间反演等几种重要的成像方法,为后续的研究奠定理论基础。其次,研究了基于时间反演镜的目标成像方法。采用时域有限差分法建立了TRM目标探测模型,分析、评估了数种TRM最佳时间帧（Optimal Time Frame,OTF）求解算法,并重点针对传统TRM在多目标成像中的远近问题,提出了改进的Multi-TRM方法。该方法基于不同散射体回波脉冲的时域选通、分组隔离以及分时回传机制,将经过置零、叠加与归一化等修正处理的时间反演场进行输出,获取成像结果。仿真结果表明,在多目标场景下Multi-TRM法消除了不同散射体回传信号之间的干扰,可以完成所有目标的同步成像,提升了TRM对多目标探测的有效性。接着,研究了基于时间反演传输矩阵的目标成像方法。在对空频时间反演的分析基础上,引入旋转不变信号参数估计（Estimation of Signal Parameters via Rotation Invariance Techniques,ESPRIT）模型,提出了SF-ESPRIT单点目标成像方法。对比传统的时间反演算子分解法,该方法仅需利用天线阵列单次测量的回波数据构造SF-MDM,对其奇异值分解（Singular Value Decomposition,SVD）后,基于子阵列位移不变性与信号子空间旋转不变性构造目标伪谱,获取成像结果。仿真结果表明,SF-ESPRIT法在良好噪声条件下,一方面具有远高于传统SF-DORT法的成像分辨率,另一方面在与传统SF-MUSIC法实现相似高分辨成像的同时,拥有更高的成像效率。除此之外,在对超宽带频-频采样成像理论的研究基础上,提出了基于空频-频频联合数据的SFF-DORT成像方法。该方法采用阵列单次回波数据构造新的SFF-MDM,对其奇异值分解后通过求解累积相位差波动值提取成像所需的左奇异向量,再基于两种不同的方法将其分解为多个子向量,使目标信息分别由阵元间相对相移以及粗频依赖性编码,最后累积对应所有天线位置及粗频分量的子向量构造成像函数。对比传统FF-DORT法,SFF-DORT法在单目标及多目标场景中均可实现更高的成像分辨率,同时具有更好的抗噪声能力。数值仿真及初步实验结果证明了该方法的有效性。最后,以频控阵为背景,探讨了将时间反演技术与FDA-MIMO雷达结合以改善该雷达系统性能的方法。推导了FDA信号模型和发射波束表达式,对其波束特性以及基于非线性频率编码的波束解耦方法进行了详细讨论。在此基础上,重点分析了FDA-MIMO雷达阵列模型,并将时间反演成像理论中的信号反转、回传、聚焦过程应用于FDA-MIMO雷达接收信号处理中,提出了一种新的TR-FDA-MIMO目标距离-角度联合估计方法。仿真结果表明,TR-FDA-MIMO法可以有效提高传统FDA-MIMO雷达输出伪谱的距离与角度维分辨率,实现更加精确的目标参数估计,并且在不同信噪比与天线阵元数条件下均表现出更好的鲁棒性。