合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)成像技术具有全天时、全天候、成像距离远以及透过一定遮挡物获取高分辨率图像的能力。近几年来,随着星载SAR技术的发展,一种将SAR平台有效载荷放置在地球同步轨道卫星上的遥感系统成为SAR领域的新兴研究热点。相对于低轨道星载SAR系统而言,地球同步轨道SAR (GEO SAR)具有重访周期短,测绘带宽,战场生存能力强等优点,在灾害评估、海洋监测、情报侦察、地理测绘等方面具有非常广泛的应用前景。GEO SAR系统卫星轨道高度较高、合成孔径时间长,具有与低轨道星载SAR (LEO SAR)不同的特性,例如雷达载体运动的直线运行轨迹假设及“走-停”假设斜距模型不再成立等。因此,适用于低轨星载SAR系统的成像算法难以实现GEO SAR精确聚焦。本文详细地分析了 GEO SAR系统特性,并围绕GEO SAR零多普勒中心控制、回波信号建模及高分辨成像算法方面进行深入研究,所取得的主要研究成果如下:1.结合GEO SAR系统运动特性,提出了适用于GEO SAR弯曲轨迹模型的合成孔径时间计算和分辨率分析方法。首先,以空间六坐标系为基础建立了卫星轨道模型,并对其特殊的运动特性进行了详细分析。基于该特性分析,进一步研究了 GEO SAR合成孔径时间长短与卫星参数之间的关系,并提出了基于矢量梯度法的GEO SAR空间分辨率计算方法。所推导的方位向分辨率数学表达式仅与合成孔径初始和结束时刻天线和目标的相对位置有关,适用于弯曲合成孔径轨迹的GEO SAR成像系统,为后续的高分辨率成像算法研究奠定基础。2.针对GEO SAR多普勒中心频率受地球自转和椭圆轨道影响所产生的频率偏移问题,提出了适用于椭圆轨道GEO SAR的2-D零多普勒中心频率控制方法。首先,对GEOSAR多普勒特性进行了详细分析,给出多普勒中心频率和调频率的数学表达式,并讨论了卫星姿态扰动对多普勒中心频率和多普勒调频率的影响。接着,研究了一种基于矢量运算的2-D姿态角偏航导引方法,即通过调整GEO卫星平台的俯仰角和偏航角来实现回波信号的多普勒中心频率保持在零频附近。最后,介绍了一种2-D相位扫描的控制方法避免了 GEO SAR平台姿态转动,提高了零多普勒中心控制的可靠性和灵活性。仿真结果表明,采用零多普勒中心偏航导引方法可以有效降低GEO SAR成像处理对多普勒参数误差的敏感程度,从而提高图像质量。3.研究了 GEO SAR小场景快速成像算法。首先,基于卫星轨道参数建立了适用于小场景GEO SAR的斜距模型,并对GEO SAR目标斜距模型的适用性进行了分析。随后,考虑了“走-停”假设带来的误差,提出了适用于GEO SAR的高精度回波信号模型,并对“走-停”假设给成像带来的影响进行分析。接着,基于推导的精确回波模型,提出了两种适用于GEOSAR小场景成像算法。一种为改进SPECAN成像算法,该算法具有较高的成像效率,适用于实时成像处理。另一种为改进NLCS成像算法,该算法补偿了随距离空变的距离单元走动,适用于GEOSAR宽测绘场景高精度聚焦成像。这两种算法可以看作是中、低轨道星载SAR中的SPECAN算法和NLCS算法在GEO SAR平台上的推广。最后,通过点目标仿真实验验证了所提两种成像算法的有效性。4.研究了 GEO SAR大场景高分辨成像算法。首先,建立了 GEO SAR弯曲轨迹模型下的高精度斜距模型,并对该斜距模型相干积累时间的适用范围进行了分析。随后,针对大场景GEOSAR成像处理中目标距离单元徙动(RCM)在距离向和方位向具有空变性这一问题,提出两种成像方法。一种是基于扩展Keystone变换的成像方法,该方法是针对传统Keystone变换不能处理目标非线性RCM的问题提出的一种新的数据处理方法,可看作是对传统Keystone变换的扩展。另一种是基于广义Omega-k算法的成像方法。该方法是针对传统Omega-k算法中的Stolt插值无法处理目标RCM沿方位向空变的问题提出的一种新Stolt处理方法。前者拥有较高的运算效率,后者的作用范围较广,适用于更大场景的高分辨率GEOSAR成像处理。最后,仿真实验验证了所提方法的有效性。