随着各大国对空间资源的开发和利用,空间目标逐渐增多,飞行器在轨运行的安全问题日益加重,国土防空受到严重挑战。美国、加拿大等大国都建立了空间目标监视系统的计划,发展我国空间目标监视系统迫在眉睫。目前,空间目标监视主要依赖的是地基监视平台,实现了超过90%的空间目标编目。而基于天基平台的监视系统仍旧处在理论研究及预言阶段。地基监视系统对空间目标进行观测,由于观测距离远,且某些频段电磁波传播过程中存在大气衰减,低轨小尺寸和中高轨目标的回波能量微弱,限制了地基监视系统远距离空间目标监视的能力;基于卫星平台的天基监视系统可以实现无国界限制地观测空间目标,并对地基监视系统中需要观测的远距、微弱目标实现高精度的监视,可有效弥补陆/海基和空基监视系统的缺点,近年来受到各军事强国的重视。由于空间目标与天基监视平台之间存在高阶的相对高速运动,对雷达成像系统提出了严峻挑战。另外,平台和目标均在特定的轨道运行,受到观测几何条件的限制,雷达对目标观测时间有可能较短,实现短数据条件下的高分辨成像与识别难度很大。并且空间目标(尤其是碎片目标)因质量、形状等因素存在高速自旋现象,同时,因航天器表面材料脱落、剥离等原因出现的碎片运动轨道状态相近,在雷达波束照射范围内,会存在大量群目标。本文针对相对空间平台的高阶且高速运动的空间目标、自旋目标以及群目标成像问题,开展了宽带和窄带体制下的空间目标成像理论方法研究。对于空间态势信息的获取具有重要的理论意义,拥有广阔的应用前景。全文研究的主要内容包括:第一章介绍了空间目标的现状、雷达成像的历史,并简要概述了国内外发展现状以及未来的研究热点。随着太空资源的开发,各大国纷纷开展空间监视系统的研究,对空间平台的空间目标成像提出了新的挑战。第二章首先介绍了传统逆合成孔径雷达(Inverse Synthetic Aperture Radar,ISAR)成像的基础理论,通过发射大带宽信号以及脉冲压缩技术实现距离向高分辨,并结合平动补偿,利用雷达对目标的多角度观测实现方位向高分辨。其次,介绍了基于空间平台的空间目标观测模型,后续成像工作是在平台与目标相同的轨道倾角下开展的。最后,重点阐述压缩感知理论的稀疏采样以及重构原理,在短数据条件下,结合该理论进行高精度成像具有独特优势。第三章研究了空间平台雷达对空间目标的高精度一维距离像获取问题。由于空间目标相对于空间平台雷达存在超高速的相对运动,距离向回波经解线频调后仍为线性调频信号,且参数调频率未知。本文通过对星载平台空间高速平稳目标运动特性的分析,提出基于分数阶傅里叶变换(Fractional Fourier Transform,FrFT)和多项式拟合的高精度距离压缩方法。该方法利用FrFT对空间目标部分解调回波进行距离压缩,并结合多项式拟合迭代实现变区间的快速参数估计,为距离向压缩提供精确的分数阶旋转角。与传统ISAR距离向压缩方法相比,该方法能够实现高精度距离向压缩,提高成像质量。仿真实验验证了该方法的有效性。第四章研究了空间碎片群目标成像问题。针对星载雷达空间碎片群目标回波无法分离问题,本文利用回波在距离向表现出的块聚集特性,提出了一种基于块稀疏的高分辨ISAR成像方法。基于块稀疏压缩感知理论,该方法通过利用空间碎片群目标特性,抽取出各个碎片的高分辨一维距离像数据,并结合平动补偿和RD(Range-Doppler)算法得到各碎片的ISAR像。在小样本条件下,本文方法能够有效实现空间碎片的数据分离和高分辨ISAR成像。仿真实验表明,本文方法的重构精度以及运算速度均优于非结构类的稀疏ISAR成像方法。第五章研究了窄带雷达系统下的空间碎片成像问题。对于空间目标(尤其是碎片目标),高速自旋运动会引入较大的多普勒带宽,低重频条件下多普勒模糊现象变得非常严重。同时,由于空间碎片目标做高速自旋运动,使雷达观测过程中的目标回波受到阴影效应的影响。为了解决上述问题,本文提出了一种基于稀疏重采样的高分辨成像方法。由于散射点在空域具有非常强的稀疏性,在多周期观测下,所提方法结合采样矩阵能够提取多次观测周期下的目标回波数据,显著提高目标的成像质量。但星载平台观测的碎片目标多以群目标形式出现,针对空间碎片群目标成像问题,对前面所提的方法进行了改进。由于空间各碎片之间因质量、密度等物理差异存在明显的转速差,利用这一特点,对观测时间内碎片群的多周期观测数据做自相关处理,能有效检测碎片群的各个转速。通过估计得到的目标转速设计不同的观测矩阵,对原始数据进行抽取,并结合稀疏重构方法同时得到各个目标的像。数据抽取操作主要提取与转速相配对目标的回波,能有效抑制其它目标的回波,同时,多周期的空间重采样等价于提高系统采样率,可以有效克服低重复频率下遇到的多普勒模糊问题。理论分析与仿真实验均证明所提方法能够在低重复频率条件下,对高速自旋碎片目标/群目标实现成像。第六章给出本文的研究总结以及下一步需要开展的工作。