逆合成孔径雷达(Inverse Synthetic Aperture Radar,ISAR)成像可获得目标的一维、二维和三维高分辨率成像结果,提供观测目标的尺寸和结构等丰富的特征信息,它在空间态势感知和防空反导等领域中发挥着重要的作用。经过六十多年的长足发展,ISAR成像的基本理论较为成熟。但是,随着ISAR系统的不断发展和目标观测需求的不断提高,ISAR二维和三维成像尚有不少问题亟待解决。首先,随着当前ISAR信号频率向高频段方向的不断发展,雷达对发射及接收系统的相位噪声和非线性影响更为敏感,将造成回波的距离维相位误差,进而降低目标的ISAR成像质量。其次,对于远作用距离和弱后向散射系数的目标进行观测时,其回波的信噪比较低,传统的ISAR成像方法难以完成精确的平动补偿与成像。再次,对编队飞行目标的复杂观测场景进行成像时,子目标相对雷达视线的运动形式存在一定的差别,而其回波严重耦合,如何实现编队飞行目标良好的聚焦处理是目前雷达成像研究领域中的难题。同时,序列ISAR图像包含了更多目标的信息,如何基于序列ISAR图像实现目标的精确定标和三维重构,是目前ISAR雷达成像研究领域中的挑战性问题。上述这些问题不仅是雷达成像研究领域的难题,同时也是制约实际ISAR系统发展与应用的技术瓶颈。因此,本文研究的ISAR二维与三维成像方法具有重要的理论意义和应用价值。本文在国家自然科学基金、国家863课题与横向课题等项目的资助下,结合实际ISAR系统的发展趋势和复杂目标观测的迫切需求,针对ISAR距离维相位误差补偿、低信噪比下ISAR成像、多目标ISAR成像、图像定标和目标三维重构等问题进行了深入的研究,取得一些理论研究成果,并获得聚焦良好的仿真与实测数据处理结果,进而提升了ISAR的信息获取能力。本文的具体内容可分为以下六个部分：1.首先,对ISAR成像的基本原理进行介绍,构建了ISAR成像几何模型和信号模型。然后,对ISAR成像处理过程中平动补偿的物理意义和常用方法进行了详细的讨论,阐述了越距离单元徙动(Migration Through Range Cells,MTRC)现象的产生原因、影响以及相应的校正方法,为后文的二维与三维ISAR成像方法研究打下理论基础。2.针对高波段宽带ISAR的距离维非线性相位误差严重影响目标成像质量的问题,提出了一种精确的基于最小熵与自聚焦处理的距离维相位误差快速补偿方法,获得高精度的目标距离维聚焦处理结果。首先,建立了ISAR回波距离维相位误差的高阶多项式模型,详细分析了不同阶次相位误差对距离压缩结果聚焦度的影响。然后,将距离压缩结果的最小熵作为目标函数,利用启发式搜索算法,对二阶距离维相位误差进行准确高效的估计和补偿。最后,采用距离维自聚焦处理以准确估计和校正三阶及三阶以上的高次距离维相位误差,以获得高精度的距离维相位误差补偿结果。仿真数据处理结果验证了距离维相位误差对ISAR目标成像聚焦度的影响和本章所提出方法的有效性。3.针对低信噪比下传统ISAR成像方法难以精确平动补偿与成像的难题,提出了一种基于频谱信号相位求导和粒子群优化的自适应的低信噪比下ISAR平动补偿与成像方法,获得了低信噪比情况下聚焦良好的ISAR实测数据成像结果。首先,结合相干的ISAR原始雷达回波,建立了目标平动分量的高阶多项式模型,可有效对不同的目标平动形式进行表示。接着,基于距离维回波频谱相位求导提出了一种目标平动分量多项式系数的粗估计方法,并将其结果作为后续利用粒子群优化进行平动分量精确估计的参考初始值,以提高运算效率。然后,利用粒子群优化(Particle Swarm Optimization, PSO)算法对目标平动分量进行精确估计,该算法实现简便,有计算效率和估计精度高等优点。最后,分析成像结果聚焦度随目标平动分量重构精度的变化特性,以自适应地确定目标平动分量多项式模型的阶数,因此,本章所提出方法的通用性更强。仿真和实测数据处理结果验证了本章所提出方法的有效性。4.针对编队飞行目标等复杂观测场景中不同子目标回波严重耦合的难题,提出了基于粒子群优化和改进CLEAN算法的多目标ISAR成像方法。首先,针对传统多目标ISAR成像算法将不同目标的运动限定为基本一致或者完全不同的局限性,将多目标划分为多个组目标,同一组目标内不同子目标的运动形式和参数是一致的,该模型的通用性更强。其次,构建组目标平动分量的多项式模型,迭代利用PSO算法对不同组目标的平动分量进行准确的估计和补偿,得到不同组目标的粗聚焦成像结果。然后,提出了改进CLEAN算法对该组目标成像结果进行提取,在保留被提取组目标图像完整性的同时,对虚假点和噪声进行了更有效的压制。最后,利用聚类数估计和K-均值算法对同一组目标内的子目标进行分割和提取,进而通过单目标成像算法逐个得到每个子目标的良好聚焦成像结果。仿真实验结果验证了本章所提出方法的有效性。5.针对ISAR成像处理的横向定标难题,基于目标等效旋转角速度与ISAR散射点回波二次相位系数的解析关系,提出了一种基于离散多项式相位变换的ISAR图像定标方法,获得高精度的Yak42飞机实测数据定标处理结果。首先,对距离单元回波进行了深入的分析,详细推导了目标等效转动角速度与散射点二次相位系数的解析关系。其次,计算不同距离单元回波的归一化幅度方差,并选取值较小的距离单元。接着,利用频域加窗技术对上述距离单元中的强散射点频谱进行提取,同时给出了窗长的自适应确定方法。之后,提出采用二阶离散多项式相位变换(Discrete Polynomial-Phase Transform, DPT)对强散射点回波中的二次相位系数进行估计,相比传统基于最大对比度搜索和尺度Radon-Winger变换(Radon-Wigner Transform, RWT)的方法,该方法精度和计算效率较高,且实现简单。最后,利用最小均方误差(Least Square Error,LSE)估计得到目标的等效转动角速度,实现ISAR图像精确的方位定标。仿真和实测数据的定标结果验证了本章所提出方法的有效性。6.针对现有的基于序列ISAR图像的目标三维重构算法存在尺度模糊和无法定标的问题,提出了一种基于松弛约束分解的目标三维重构和图像定标联合处理方法,其性能优于现有的基于因式分解的三维重构方法。首先,构建了ISAR目标的三维运动和成像模型,并详细推导了目标三维结构向成像平面的投影方程解析表达。之后,将大转角的ISAR回波分段处理,以降低后续成像处理的难度,得到未定标的序列ISAR图像,进而得到目标散射点的航迹矩阵。然后,提出了改进的因式分解方法,并利用其对散射点航迹矩阵进行分解,该方法有效避免了航迹矩阵中散射点未定标的方位位置对三维重构精度的影响。接着,基于重构的投影向量,通过最小均方误差估计方法对目标等效转动角速度进行估计,并重新对散射点的航迹矩阵进行方位尺度校正。最后,迭代利用松弛约束的因式分解方法和目标等效转动角速度估计方法来提高算法精度,进而联合实现目标三维结构的重构和ISAR图像的定标。仿真数据处理结果表明了本章所提出方法的性能优于现有的基于因式分解的三维重构方法。