穿墙成像雷达(Through-Wall Imaging Radar,TWIR)利用低频电磁波的穿透特性,对隐蔽在建筑物之内的目标进行探测、定位和成像等状态分析,大大提高了城区作战能力、反恐斗争以及灾难救援时人员搜救能力,成为了近些年来的研究热点。由于二维成像是对真实三维空间二维投影的结果,成像结果不可避免地会出现定位误差、阴影效应以及空间模糊等现象,获取目标场景的三维信息成为了迫切需要。本文围绕穿墙三维成像问题,对穿墙三维成像基础、穿墙二维多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)阵列设计以及介质穿透三维图像快速重建三个主要问题进行了分析研究。首先分析了三维成像中目标空间、数据空间和图像空间与成像过程的对应关系,建立了步进频信号体制的三维回波模型;具体分析了三种常见时频域三维成像算法,并针对介质穿透成像的特点选取时域后向投影(Back Projection,BP)算法作为基本穿墙成像算法;通过角度旋转变换方法将二维空间中的传输路径的求解方法应用于介质穿透三维成像中,建立了介质穿透三维成像模型。其次在分析宽带稀疏阵列栅瓣特性和二维面阵中高度向、方位向阵元分布对相应方向阵列性能的相互影响的基础上,利用虚拟等效阵列的思想,提出一种基于子阵划分的普适性二维平面MIMO阵列设计方法。该方法可得到多种典型MIMO阵列架构,利用子阵划分信息可从中选择出具有最小物理尺寸的MIMO阵列。仿真实例验证了该设计方法,取得了较好结果。最后分析了二维因式分解快速后向投影(Fast Factorized Back Projection,FFBP)算法的基本原理、距离误差以及成像效率等问题;建立了适用于FFBP算法的方位、高度向等效的三维极坐标系,将二维FFBP算法推广至三维成像,推导出适于介质穿透的三维FFBP算法,并对介质穿透条件下传统BP算法与三维FFBP算法性能以及成像结果进行了对比分析,证明了三维FFBP的有效性和鲁棒性。