微波辐射计在地球遥感、深空探测、制导、安检、医疗等领域有着广泛应用。上世纪80年代末发展起来的综合孔径微波辐射计(ASR)引入射电天文学“孔径综合”的思想,通过阵列稀疏、相关接收等技术,有效解决了传统微波辐射计口径有限、机械扫描困难等问题,极大提高了观测的空间分辨率,因而成为近年来被动微波遥感的一个发展方向。阵列排列优化是ASR的一项关键技术。它通过基线设计和组合,决定可见度函数采样分布,而可见度函数采样分布又决定图像重建的质量。本文着重研究综合孔径微波辐射计的天线阵稀疏排列优化方法：包括基于分辨率最佳的最小冗余天线阵排列优化方法；基于系统灵敏度最佳的天线阵排列优化方法。在此基础上,设计并实现了一种新型的综合孔径毫米波辐射计天线阵物理结构；最后,对最小冗余阵在其它领域的应用进行了拓展研究。本文主要内容包括：在总结大阵元数低冗余线阵(LRLA)排列的一般结构的基础上,提出了一种排列结构与蚁群优化(ACO)相结合的约束搜索算法,其思想是利用LRLA排列的一般结构缩小解空间,在大大缩减求解规模从而减少计算时间的同时,使所得排列具有较低的冗余度。进一步地,归纳出多种适合任意阵元数LRLA排列的解析解。针对U、T型阵冗余度较大的问题,提出了一种矩形平面阵排列方法。从理论上证明了该方法构造的二维稀疏阵UV覆盖的完备性,导出了由该方法构造的二维稀疏阵的冗余度理论上限,并证明其优于U、T型阵。针对均匀圆环阵(UCA)基线长度存在大量冗余的问题,以最小化UCA基线长度冗余为优化目标,提出了两种稀疏优化方法：一种是基于受限差基的半圆环阵稀疏方法；一种是基于循环差集的全圆环阵稀疏方法。这两种方法均可大大减小阵元数,节约硬件成本；且均可解析地求出稀疏阵元位置,适于任意大阵元数的圆环阵稀疏优化。运用微粒群(PSO)算法优化圆环阵阵元位置,以改善圆环阵UV覆盖。设计了一种新的衡量圆环阵UV覆盖均匀程度的目标函数,与现有文献采用的目标函数相比,其计算复杂度大大降低,且能更准确地度量圆环阵UV覆盖的均匀程度。分析了冗余基线对ASR灵敏度的影响,并定义阵列退化因子(DF)来度量这种影响；以最小化DF为优化目标,提出两种寻求最小退化阵(MDA)以实现系统最佳灵敏度的方法：一是基于贪婪思想的构建性算法,二是基于模拟退火(SA)的随机优化方法,并比较两种算法的性能。为克服阵列填充率较大时DF优化缓慢的问题,提出增广最大基线的思想。进一步地,导出了DF的下界。仿真和实验验证了MDA设计对系统灵敏度的改善。提出了一种一维实孔径/一维综合孔径的综合孔径毫米波辐射计天线阵结构：共享偏置抛物柱面的16单元毫米波稀疏天线阵。每个ASR天线单元由一个馈源喇叭和柱形反射面组成,提供系统所需的扇形波束。这些天线单元排成最小冗余线阵,共享同一个反射面。理论计算和测量结果均表明,该天线阵具有窄主瓣、低旁瓣、低驻波比的特点,适合高分辨率被动微波成像应用。将最小冗余阵(MRA)的研究拓展到其它应用领域。以实现最小冗余MIMO虚拟阵为优化目标,提出了两种快速构造MIMO雷达天线阵的方法：一种是基于差基和循环差集的组合方法；一种是差基/循环差集约束的SA随机搜索方法。数值计算验证了这两种方法的有效性。还研究了MRA在波束形成中的应用：由阵列自相关函数(Coarray)与波束形成方向图之间的傅氏变换对出发,建立了方向图旁瓣分布与Coarray特性之间的定量关系。进一步地,导出了MRA峰值旁瓣电平(PSL)的理论上界。