合成孔径雷达(SAR)是一种具有二维高分辨率成像能力的雷达系统,在军事和民用领域有着广泛的应用。由于分辨率的提高对目标识别、特征提取等能力的提高有极大的帮助,近年来,超高分辨率SAR成像技术成为SAR领域的研究热点之一。成像算法是SAR信号处理的核心。在超高分辨率成像中,高的方位向分辨率意味着大孔径,此时雷达平台的机动飞行难以避免,因而在众多算法中,卷积反投影算法(CBP)和极坐标格式算法(PFA)因其易于结合运动补偿而成为较合适的选择。但这两种算法有各自的缺陷,传统CBP运算量过大;PFA不仅需要在频域插值,而且还存在平面波前近似,有效成像场景大小受到限制。另一方面,高的距离向分辨率意味着信号的大带宽。基于步进调频信号的合成带宽技术可以解决超大带宽难以实现的问题,但无法完全避免拼接误差。本文以SAR成像算法为中心,研究的目的是通过对现有算法做进一步的完善和拓展,解决以上提到的几个问题。论文第一章绪论,回顾了SAR技术的发展历程,分析了国内外SAR超高分辨率成像的研究现状,并介绍了本文的研究背景和主要工作。论文第二章对CBP的快速实现方法进行了深入研究。首先对CBP的基础,计算机辅助层析成像(CAT)及图像重建原理作了简单的介绍,接着说明了CBP应用于聚束SAR时的有关概念。在考虑波前弯曲的情况下,CBP无场景大小限制。而在场景较小的情况下,CBP也可采用平面波前假设。为了提高CBP的处理效率,本章对其在这两种情况下的快速实现方法都进行了研究。在考虑波前弯曲时,对基于四叉树式递归划分子图像的快速实现方法进行了详细探讨,它在递归分解中通过子图截取和FFT实现快速滤波和降采样。在场景足够小可以采用平面波前假设时,提出了一种无需逐像素插值的快速实现方法,利用一系列FFT和乘法运算代替了反投影过程中数量巨大的插值操作。两种方法都使得CBP的运算效率得到了显著的提高。论文第三章对一种无需插值的高效PFA算法——基于变尺度原理(PCS)的PFA进行了深入研究。首先简要介绍了PFA的算法原理,分析了极坐标格式转换过程中距离重采样和方位重采样的尺度变换本质,然后利用极坐标格式转换的尺度变换特性,对基于PCS的PFA算法的信号处理流程进行了分析推导,并通过仿真实验从算法效率、成像质量等方面对传统基于插值的PFA和基于PCS的PFA进行了分析比较。论文第四章研究超高分辨率情况下PFA由于波前弯曲效应导致有效成像场景范围过小的问题,因为超出场景范围限制会引起散焦。在数字聚束思路的基础上,本章研究了两种基于子图像的大场景PFA成像方法。首先研究了基于四叉树式递归划分子图像的PFA,接着研究了另一种效率、精度更高的基于子图像的二级PFA。只要将子图大小控制在传统PFA限制的有效成像场景范围内,子图内由距离弯曲带来的散焦效应即可完全忽略。经过几何失真校正,再将每块子图拼接起来得到无散焦的全图像,便可达到有效扩大场景范围的效果。另外,为了将基于PCS的PFA扩展应用于此以提高处理效率,对具体实现时需要注意的几个问题进行了简要分析。论文第五章针对发射步进调频信号的情况,研究带宽合成技术在PFA中的应用。首先简单介绍了步进调频信号模型,然后分别将三种经典的合成带宽方法(时域合成带宽,频域合成带宽,去斜模式时域合成带宽)应用于PFA,对其中需要注意的脉冲串组内运动补偿问题和详细的处理流程进行了研究。为了消除传统合成带宽方法中无法避免的拼接误差,又研究了一种利用改动的PFA对步进调频信号直接处理的方法,将带宽合成融入PFA重采样的过程从而消除了拼接误差。为了避免插值,选择对基于PCS的PFA进行扩展改进,提出了一种能够直接对步进调频信号进行成像处理的高效PFA,使得重采样的实现只需要通过一系列FFT和复乘操作。最后,结束语对全文的研究工作进行了总结,并指出了有待进一步分析研究的问题。