地球同步轨道合成孔径雷达(Geosynchronous synthetic aperture radar,GEO SAR)具有超长的合成孔径时间、超高的运行轨道、弯曲的运行轨迹,以及多样的运行方式等特点。相比于低轨(Low earth orbit,LEO)SAR,这些特点使其在地球测绘、自然灾害监测、动目标指示、干涉、差分干涉等方面具有巨大的潜在优势。然而,由于经典的SAR信号处理理论在GEO SAR系统下已不再适用,这些优势也对GEO SAR系统的实现带来了技术上的挑战。本文综合考虑以上因素在回波仿真、成像处理、对流层传播等方面的影响,对GEO SAR系统的全流程信号仿真与处理展开研究,实现了高精度回波仿真、二维空变成像处理、空时变对流层建模、二维空变误差相位自聚焦补偿,为GEO SAR系统预研及应用提供了理论支撑与建议。本文的主要工作和创新点如下:第三章,提出了一种基于逆向后向投影(reverse backprojection,ReBP)的高精度回波仿真算法。受到弯曲运动轨迹与地球自转的影响,GEO SAR的回波数据存在着严重的距离向和方位向空变,如何精确高效地实现GEO SAR回波仿真,成为其信号处理研究的基本问题。ReBP算法继承了后向投影(backprojection,BP)算法精度高、对各类SAR系统普遍适用的优点,所生成的回波数据以实测SAR图像为输入,能够精确地反映数据获取过程中由于几何因素、大气传播、获取模式等引入的距离向和方位向空变。通过进一步改进波束投影计算方式,ReBP算法可广泛用于收发分置、超高分辨、中高轨、GEO等多种SAR系统的多模式回波数据仿真。第四章,提出了可用于GEO SAR二维空变补偿的距离多普勒-方位向调频尺度变换(Range Doppler-Azimuth Chirp Scaling,RD-ACS)和波方程-三次方位向调频尺度变换(ωK-3ACS)的成像算法。根据GEO SAR回波数据沿距离向和方位向的缓变特性,建立了二维空变的高阶泰勒展开斜距模型。一方面,针对轻度的方位向空变,采用RD-ACS算法进行补偿,即分别通过改进的RD算法和ACS算法补偿数据的距离向和方位向空变;另一方面,针对严重的方位向空变,则采用更为精确的ωK-3ACS算法进行补偿,即分别通过ωK和3ACS算法补偿距离与方位向空变。ωK-3ACS算法首次通过全孔径处理的方式实现了GEO SAR 550s超长合成孔径时间下2m分辨率成像处理。此外,本文将二维空变的高阶泰勒展开斜距模型引入BP算法处理流程中,通过优化相位计算、投影计算、数据插值等,降低了计算冗余,提高了算法效率。第五章,建立了适用于GEO SAR系统的对流层空时变化模型,并分析了对流层传播对GEO SAR系统的影响。相比于LEO SAR,GEO SAR超长的合成孔径时间和超高的运行轨道会引入更严重和复杂的对流层传播延迟。本文将对流层延迟划分为确定性的背景分量和随机性的扰动分量:一是引入全球气压、温度、湿度等气象预报模型(Global pressure and temperature 2 wet model,GPT2w),在经典的天顶静水延迟和湿延迟模型以及投影函数的基础上,建立了背景对流层延迟的时空变化模型。该模型可以计算合成孔径内任意场景位置对应的背景对流层延迟,以及随雷达位置而变化的斜距延迟。二是引入Mat(?)rn幂律谱模型和随机走动(Random walk)理论,建立了随机扰动分量的空时变化模型。此外,本文通过蒙特卡洛仿真实验和ReBP回波仿真,分析了对流层延迟确定分量和随机分量对GEO SAR方位脉冲响应、成像结果的影响,实验结果验证了对流层模型及理论分析的准确性。第六章,通过图像漂移自聚焦算法(Mapdrift algorithm,MDA)与相位梯度自聚焦算法(Phase gradient algorithm,PGA)相结合,首次实现了GEO SAR对流层二维空变误差相位的高精度估计与补偿。首先,基于改进的MDA,通过聚焦图像子带、子块划分,估计了对流层扰动相位的二维总体变化趋势;其次,基于改进的PGA,通过检测聚焦图像中的类点目标,估计了类点目标附近局部相位的精细变化;然后,根据类点目标在场景中的位置坐标,通过插值和最小二乘拟合,进行MDA与PGA估计相位信息融合,从而实现对流层扰动相位的二维空变估计;最后,通过方位向解压缩-相位相乘-方法压缩处理,实现了对流层扰动相位影响补偿。