实现对目标的快速、精确成像一直以来都是雷达技术的重点研究方向之一,雷达成像技术主要依托于雷达成像系统实现。目前有三种常见的雷达成像系统,它们在成像应用中分别面临系统复杂、扫描帧率低、应用场景受限、制造调试成本高等局限。这些局限性促使大家去寻求一种体积更小、价格更低的雷达成像系统,在不依赖雷达成像系统和待探测目标之间的相对运动的前提下,实现对目标的高分辨快速成像。受到光学成像中编码孔径成像的启发,以及近年来超材料的蓬勃发展,本文利用可编程超表面波束捷变天线进行孔径编码成像,利用波束捷变天线可在发射端、接收端或收发端对电磁波信号进行幅度/相位的调制,实时、有计划地改变空间中电磁波的幅度、相位分布,以提供丰富的测量模式实现目标探测并进行成像。本文围绕新近提出的数字编码超材料成像方法展开研究,致力于提高超材料编码孔径成像的质量及稳定性,给低频穿透成像带来新的发展思路。文章首先介绍了超材料数字孔径编码天线的基本工作方式及性能。接着对不同体制的孔径编码成像过程和原理进行了推导,得出一般的等效数学问题,针对对应的矩阵求逆问题介绍了三种经典的算法,基于MATLAB和Feko仿真软件针对简单点目标和复杂辐射特性的目标进行了成像仿真实验。为后续提出1-bit超材料辐射场生成方法与基于稀疏辐射场的超材料编码优化成像方法提供了技术铺垫。然后提出了一种适用于1-bit可编程超材料数字孔径编码天线的辐射场生成算法。所提算法能够根据所需辐射场逆推超材料编码,该算法首先利用简单线性平面逼近鞍形曲面求解编码,再通过迭代方法对所求编码进行纠错更正。文中给出了所提方法的理论推导与仿真、实测验证。结果表明,相比于现有方法,所提方法能够在任何距离的辐射场平面生成与期望辐射场更接近的辐射场,并且该算法还适用于生成多点辐射场、特殊图形辐射场等复杂辐射场。结合所产生的点聚焦辐射场的编码,本文进行了人体目标呼吸心跳信号的仿真与实测。实验结果表明,利用所提方法设计的超材料编码可以帮助超材料阵面有效聚焦波束,并显著提高对人体目标生命体征信号的探测效果。最后,针对低频穿透成像中所面临的低信噪比、信干比、信杂比的问题,提出了稀疏参考矩阵优化方法。对于每个独立的辐射场,尽可能将其信号能量集中在某些局部,提升其信号获取能力和抗噪性能。对于编码孔径成像过程而言,超材料天线所产生的各组辐射场组成了成像过程中的观测矩阵。在可以产生任意所需辐射场的前提下,本文基于压缩感知成像中的稀疏参考矩阵的思路,提出了对辐射场进行优化的方法,通过优化辐射场组成的参考矩阵,降低参考矩阵的时空相关性以及条件数,获得更好的性能。然后根据提出的辐射场算法,计算参考矩阵对应的编码组合,与随机编码组合进行仿真与实测实验的对比。结果表明经过优化的编码组合具有更加准确的成像结果和稳定的成像性能。本文研究工作将对推进数字编码超材料的实际应用以及基于该超材料的编码孔径成像实用化具有重要推动意义。