阵列SAR(Synthetic Apeture Radar,合成孔径雷达)技术可通过单次航过下视成像方式实现观测区域的三维重建,有效解决了传统SAR技术的机底盲区、几何失真和左右模糊等问题。该技术在城市测绘,应急测绘,高山峡谷等地形复杂地区地形测绘,以及恶劣环境导航等方面具有突出的优势和良好的应用前景。但整个阵列SAR领域的研究仍处于起步阶段,目前国内外尚无公开的真实阵列SAR系统,也没有公开的真实三维回波数据和成像结果,而且现在的研究多是从信号的角度来切入的,与测绘的关联甚少。如何将阵列SAR技术的相关研究成果从理论转化到实际应用,如何将阵列SAR技术有效地服务于测绘生产,还有许多技术空白。因此通过仿真的方法研究阵列SAR系统的阵列优化设计,三维成像算法,以及误差补偿等技术显得十分必要。论文从测绘的角度出发,将阵列SAR技术与MIMO(Multiple Input Multiple Output,多输入多输出)技术相结合,既实现了高分辨率三维成像,又有效地减少了硬件成本和系统复杂度,为阵列SAR系统的物理实现和发展提供了可能性。为了弥补利用MIMO模式阵列SAR系统生产DEM(Digital Elevation Model,数字高程模型)的技术空白,推动阵列SAR技术在测绘领域的应用发展,论文重点对MIMO阵列SAR天线优化设计,非理想航迹的MIMO下视阵列SAR成像算法,MIMO下视阵列SAR运动误差补偿、阵列抖动误差补偿,以及MIMO侧视阵列SAR干涉测量等技术开展了研究。论文的主要工作和创新点有:1.全面梳理了阵列SAR技术国内外发展现状和工作模式;归纳了阵列SAR系统相比于传统SAR系统,多基线层析SAR、近场3D-SAR、圆迹SAR、曲线SAR等3D SAR系统,以及LiDAR系统的技术优势;剖析了制约阵列SAR技术实用化的主要问题。2.设计了满足大比例尺测图需求的航空平台MIMO稀疏阵列天线方案,提出了MIMO下视阵列SAR天线多项式加权平均优化方法。引入测绘应用关心的波段、高程精度、分辨率和工作高度等要求,求解出满足大比例尺测图需要的等效虚拟阵列和实际物理阵列长度,优化设计了真实测绘航空平台的MIMO下视稀疏阵列SAR线阵阵元的数目和位置矢量;并借鉴空间位置卷积原理的思想,提出了MIMO下视阵列SAR天线多项式加权平均设计方法。通过仿真实验验证了优化设计的阵列天线的正确性。3.分析构建了MIMO下视阵列SAR非理想航迹运动误差模型,提出了非理想航迹城市建筑群MIMO下视阵列SAR三维成像方法。为了验证阵列SAR技术在高层建筑物密集城区的地形测绘能力,以高度骤变的城市建筑物为对象,推导了MIMO下视阵列SAR非理想航迹运动误差模型,进一步提出了非理想航迹城市建筑群MIMO下视阵列SAR三维RD(Range Doppler,距离多普勒)成像算法;利用航空平台的航迹与姿态建模仿真技术,以及快速高效的回波仿真技术对成像算法进行了仿真实验,验证了方法的正确性和有效性。4.结合POS真实数据形式,引入传统光学摄影测量的外方位元素,设计了基于倾角和旋角误差的MIMO下视阵列SAR误差补偿方法。该方法首先在三维空域补偿与波束无关的相位误差;再将补偿后的回波数据变换到航迹向-跨航向二维波数域,并沿航迹向和跨航向均匀分为M和N段,获得MN个子块,将每个子块补零并扩展到原尺寸后,再将回波变换到航迹向-跨航向二维空域、距离向波数域,补偿与波数相关的相位误差,最后转换到三维空域,把每个子块补偿的数据直接相加,得到最终回波;接着使用三维RD成像算法得到聚焦正确的三维成像结果。通过补偿前后的仿真实验验证了方法的有效性。5.根据机械振动理论,构建了简易的阵列抖动误差模型,提出了MIMO下视阵列SAR系统阵列抖动误差补偿方法。该方法将阵列抖动误差分解为不依赖距离和依赖距离两部分,结合高效的三维RD成像算法,在距离压缩前执行不依赖距离的一次抖动补偿,在距离徙动校正和方位压缩之间执行依赖距离的二次抖动补偿和方位向时域插值重采样,从而实现观测场景的三维成像。通过补偿前后的仿真实验验证了方法的有效性。6.提出了DEM辅助的In SAR零中频判据基线估计方法。该方法以零中频为判据,组合运用卫星轨道法和FFT估计法迭代答解基线参数值,直至差分干涉图的二维中心频率接近于零。在此基础上,提出了基于稀疏表示的干涉图滤波方法和DEM辅助的山区InSAR相位解缠方法,设计了MIMO侧视阵列SAR干涉处理方案。通过星载多基线数据的实验验证了方案的有效性。论文在MIMO稀疏阵列SAR天线设计与三维成像技术方面取得的成果,对推动阵列SAR技术的理论发展,以及物理实现都具有重要意义。为科学理论研究指导工程实践铺平道路,为我国城市区域雷达测量,困难山区的三维测绘,以及灾害应急测绘等基础地理空间信息的快速获取和数据更新奠定了基础。