前向散射雷达作为一种特殊几何配置的双基地雷达,其利用了目标雷达散射截面(RCS)在前向散射区迅速增大的特性,在探测隐身目标和低慢小目标方面具有传统单基地雷达无法比拟的优势;而且如果应用阴影逆合成孔径(SISAR)成像原理,则可以提取目标阴影轮廓像用于识别,因此在近年来受到各国研究人员的关注。目前多数前向散射雷达信号处理方法,包括参数估计和SISAR成像等,都只适用于短基线情形下的地面运动目标探测;而面向空中运动目标探测的前向散射雷达具有基线长、目标速度快及观测时间长等特点,因此需要针对其特殊的回波特征进行信号模型和处理方法的相关研究。本文针对面向空中运动目标探测的前向散射雷达系统,在回波建模分析、运动参数估计和SISAR成像等方面开展了研究,主要研究内容和成果如下:1)研究了前向散射雷达空中运动目标回波信号模型和回波特性。传统地面目标前向散射回波信号模型没有考虑散射相位的影响,在描述空中运动目标回波上精度不足。针对这一问题,给出了一种基于复散射系数的空中运动目标前向散射回波信号模型,其将目标复散射系数和多普勒对回波的贡献解耦表示,在精确描述信号的同时也利于回波特性的理论分析。进而基于复散射系数回波模型分别对空中目标前向散射回波幅度、相位特性进行了理论和仿真分析,并给出了前向散射远场回波幅度周期性起伏和相位周期性跳变、近场回波幅度遮挡和相位慢变等特性的理论解释,最后定量推导了前向散射近场和远场的边界,为相关信号处理算法奠定了理论基础。2)研究了前向散射雷达空中运动目标参数估计方法。针对现有前向散射雷达地面运动目标参数估计方法没有考虑散射相位和信号随机初相影响的问题,分别从时频分析和匹配滤波的角度给出了多普勒调频率的估计方法,并提出了一种基于最小二乘估计的全局运动参数估计方法,有效避免了散射相位和初相对参数估计的干扰。随后针对现有空中运动目标航迹起始算法鲁棒性差和精度低的问题,提出了一种基于最小二乘估计的三维航迹起始算法,在保证运算量工程可实现的基础上大大提高了航迹起始的精度和鲁棒性。3)研究了前向散射雷达空中运动目标高精度SISAR成像技术。针对传统地面前向散射雷达无线电全息信号(RHS)重构精度低的问题,提出了一种基于改进分段希尔伯特变换和主瓣包络拟合的空中目标RHS重构方法,应用该方法可以精确重构RHS信号。针对大衍射角SISAR成像运动补偿难的问题,通过建立目标复散射系数与载波频率的时间尺度变换模型,提出了一种基于双频的大衍射角SISAR运动补偿和成像方法,所获得的精确斜距和历程估计可以用于高精度大衍射角SISAR成像运动补偿。4)对基于全球导航卫星系统(GNSS)发射源的前向散射雷达空中运动目标探测及成像技术进行了研究。首先基于理论推导建立了GNSS前向散射回波信号模型,并理论证明了回波信号多普勒频率随时间线性变化的特点。进而基于复散射系数回波模型给出了GNSS前向散射探测的SISAR成像方法。通过处理飞机目标的实测GNSS前向散射回波数据,首次获得了空中目标的GNSS-SISAR轮廓像,验证了信号建模的正确性和导航星无源SISAR成像的能力。