超宽带(Ultra-wideband:UWB)多输入多输出(Multiple-input Multiple-output:MIMO)雷达技术以其良好的分辨率和穿透能力、较少的天线单元需求和高效的数据捕获能力,在穿墙探测成像中的应用越来越广泛。超宽带穿墙雷达能够穿透非金属屏蔽的障碍物,实现对墙后或复杂环境中隐藏目标体进行无损性探测定位,从而在军事作战、安检监测、人质解救以及灾后救援等领域中具有广泛的应用前景和重要的研究意义。本文在穿墙雷达技术研究的背景下,结合超宽带技术和MIMO技术的优势,围绕如何设计一个性能良好的超宽带MIMO穿墙雷达系统并且实现多目标穿墙二维成像展开研究。在穿墙应用中,步进频连续波信号(Stepped-frequency Continuous Waveform:SFCW)是频率域雷达最常采用的信号形式之一,采用SFCW技术的雷达系统与时域脉冲雷达系统相比,具有更灵活的频带控制能力,可以改善成像分辨率,更加适应雷达天线的工作频带范围。在超宽带信号被广泛应用的背景下,为了提高雷达系统的分辨率并实现穿墙成像,节约成本,本文采用了基于矢量网络分析仪的超宽带步进频连续波信号模型。二维成像是穿墙MIMO雷达系统中最重要的信号处理步骤之一。电磁波穿透墙体时会产生反射、折射、速度变化和能量衰减等现象,从而造成成像结果中目标体位置产生偏移、散焦或虚假目标等问题。本文研究了基于互相关的时间域后向投影算法(Cross-correlation Based Time Domain Back Projection:CC-TDBP),可以加快传统的BP算法的计算速度,并对伪像杂波进行抑制,提高成像质量。此外,考虑到墙体对电磁波折射和速度的影响,提出了基于射线追踪的改进穿墙BP算法,校正穿墙成像结果。MIMO阵列结构的设计关系到雷达系统的复杂性和成本,而且直接影响成像质量,合理的阵列拓扑结构设计至关重要。本文根据虚拟阵列的等效相位中心近似原理和多项式因子分解的方法,研究设计了一种8发8收的线性稀疏阵列结构。MIMO雷达系统的稀疏阵列拓扑结构设计结果获得了较大的阵列孔径和较小的天线单元间距,保持了较好的方位分辨率和主、旁瓣控制。这样收发分置的稀疏天线阵列设计在保持孔径长度的同时,减少了阵列天线单元的数目和系统的成本。相比于带有轨道式的合成孔径体制的雷达,MIMO雷达系统采用电子射频开关切换的工作方式可以提高数据采集速度。另外,在MIMO穿墙雷达系统中,天线对向墙体辐射能量和探测目标信号具有重要意义,为了平衡距离分辨率和墙体穿透能力,选用了一种新设计的超宽带低频小型化Vivaldi天线,尺寸为250mm×200mm×1.6mm,天线实际可以工作的频带为0.5-2.5GHz,方向性能良好,增益随频率变化稳定,可应用于穿墙成像。最后,完成了MIMO穿墙雷达系统的设计与集成,系统理论上距离分辨率为6.8cm,阵列实际孔径长度约为1.1m,角度分辨率为0.101rad。利用所设计的雷达系统进行了不同的实验,并应用提出的不同算法成像对比结果。仿真和实验结果表明,无论是在距离方向还是方位方向,所提出的成像方法都能有效地抑制伪像,对不同的目标进行聚焦,所设计的MIMO穿墙雷达系统能够对墙后的人体目标进行较为精确的检测和定位。本文的研究成果对后续的科学研究与试验具有很大应用潜力,并为穿墙成像技术的研究提供了良好的科学实验平台。