星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)作为一种高分辨率的微波遥感手段,在军事和民用方面都有重要的应用价值。当前,不同的应用对SAR成像的分辨率、测绘带宽、极化形式等提出了越来越多的要求,为了在同一个平台上满足多种应用需求,具备多种工作模式成为未来SAR卫星技术的发展趋势。星载多模式SAR是指除了常规条带成像模式以外,系统还可以工作在Scan SAR、聚束、TOPS/inverse TOPS和滑动聚束等成像模式下。这些工作模式通过不同的工作时序控制和波束控制,在分辨率和测绘带等性能之间进行折衷,极大地丰富了星载SAR的观测能力。目前,国内外在星载SAR单种工作模式上的研究都已经相对成熟,但对星载多模式SAR的研究大多针对一种或较为相近的几种模式进行。本文以整体的思路研究多种工作模式,通过对星载多模式SAR回波信号的统一建模,研究多模式成像处理的通用算法,以及多模式成像性能分析和参数设计的一般性方法,试图建立星载多模式SAR成像技术研究的统一理论框架。在此基础上,针对当前存在的问题和未来发展趋势,提出了区域TOPS、全极化TOPS和组合TOPS三种新的工作模式。论文主要的研究内容如下:第二章研究了星载多模式SAR的信号建模与仿真。首先,介绍了各工作模式的工作原理。然后,在条带模式SAR信号模型的基础上,建立了多模式SAR信号的统一模型。在此基础上,分析了多模式信号的方位多普勒特性,总结了各模式时频关系的异同之处,初步讨论了在成像处理时各模式的需求以及各模式的性能。最后,设计并实现了多模式星载SAR仿真系统,给出了高分辨率聚束模式的点阵目标仿真和宽测绘带TOPS模式的分布目标回波仿真实例。本章研究成果为后文通用成像处理算法、统一的成像性能分析和参数设计的研究建立了理论与仿真基础。第三章研究了星载多模式SAR的成像处理算法。首先,研究了时/频域扩展技术的原理,并归纳出基于时/频扩展技术的星载多模式SAR成像处理方法。然后,研究了分数阶傅利叶变换/时频变换的原理,归纳出基于时频变换技术的星载多模式SAR成像处理方法。在对比分析两种技术特点的基础上,结合频域扩展和时频变换技术,提出了一种TOPS模式的高效成像处理算法,与已有算法相比,提速35%以上;在TOPS模式成像算法基础上,扩展了通用的多模式成像处理算法,算法共用核心模块,通过对部分模块的组合调整,可以处理条带模式、Scan SAR模式、聚束模式、TOPS/inverse TOPS模式和滑动聚束模式的数据;论文给出了算法的具体处理流程,并通过点阵目标和分布目标的仿真实验验证了算法的有效性。第四章研究了星载多模式SAR的成像性能分析和参数设计问题。成像性能分析方面,首先,结合第二章信号建模与信号特性分析的研究结果,分析了各成像模式的分辨率和测绘范围;然后,推导了多模式星载SAR的点目标雷达方程和分布目标雷达方程,并分析了多种成像模式天线方向图照射特点及其对信噪比的影响;最后,对多种成像模式的模糊特性进行了分析,推导了多模式SAR的模糊度计算方法。系统参数设计方面,提出了星载多模式SAR系统参数设计的一般流程,在此基础上,首先针对多模式波束方位向扫描的问题,研究了波束电扫描对脉冲重复频率(Pulse Repetition Frequency,PRF)选择的影响问题;然后,根据工作特点,将星载多模式SAR系统分为单测绘带非连续测绘和多子测绘带连续测绘两类,研究了两类系统的系统参数设计一般方法,并提出了一种TOPS模式的系统参数设计方法。第五章针对当前工作模式存在的问题和未来发展趋势,提出了几种新工作模式。首先,通过分析多种工作模式下分辨率和测绘带宽的关系,提出了“区域TOPS”的概念,能够用于对局部区域的高分辨率和/或宽测绘带观测,并给出了4种实现方式及其参数设计方法,以本文仿真结果为例,通过增加天线方位模块数,可以在保持测绘带宽的情况下,将方位分辨率从12m提高到7.4m,提高38.33%。然后,分析了传统全极化星载SAR的距离模糊度问题,指出传统交替发射的全极化星载SAR系统中,受同极化模糊的影响,交叉极化距离模糊度会受到不同程度的恶化,为此提出了全极化TOPS模式以解决交叉极化距离模糊度差的问题。以本文的仿真结果为例,在/5HH HVS S?d B的情况下(如森林),可以改善交叉极化距离模糊度0.9d B;在/20HH HVS S?d B的情况下(如海洋),可以改善交叉极化距离模糊度14.2d B。最后,针对机械扫描SAR不能快速切换指向的问题,提出了一种结合TOPS模式和inverse TOPS模式的组合TOPS模式,解决了机械扫描的星载SAR系统无法实现TOPS模式而获取高质量的图像的问题,并且相关结果也可以推广到马塞克模式中。