地球同步轨道星/机双基地合成孔径雷达(Geosynchronous Spaceborne/Airborne Bistatic Synthetic Aperture Radar,GEO SA-Bi SAR)是一种以地球同步轨道卫星为发射机,以高空侦察机、预警机或无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)等飞机作为接收机的移变双基地合成孔径雷达系统。与传统光学成像手段相比较,其能够全天时、全天候的对感兴趣的运动目标进行检测与成像。与一般的星载合成孔径雷达相比,其受电离层和平流层的影响较小,并且对发射功率的要求相对较低。与传统机载合成孔径雷达相比较,其发射机位于远离一般反辐射武器攻击范围的地球同步轨道上,这种“远发近收”的策略使其具有更强的战场生存能力。上述优势使得GEO SA-Bi SAR可以被广泛的应用于灾害预警、海洋监测、情报侦察等民用与军用领域。海面舰船目标在GEO SA-Bi SAR相干积累时间(Coherent Accumulated Time,CAT)内的运动不仅包含由推进装置产生的水平运动,还包含由海浪运动引起的垂直运动与三维摆动。因此,在收发平台平稳飞行的情况下,舰船目标回波信号的相位历程存在慢时间维上的周期项。所以,传统的距离-多普勒(Range-Doppler,R-D)算法在对舰船目标成像过程中会产生散焦现象。如何估计在海浪影响下舰船目标的多普勒参数,解决周期项引起的散焦问题是提高GEO SA-Bi SAR舰船目标成像质量的关键。基于这一核心思想,在GEO SA-Bi SAR对舰船成像过程中,基于回波数据提取目标多普勒历程并精确估计目标多普勒参数,克服传统动目标检测成像方法适用条件苛刻的缺点和消除海浪运动影响的运动补偿是三个主要研究方向。针对以上GEO SA-Bi SAR舰船目标成像领域存在的问题,本论文进行了详细的理论分析与仿真实验研究。论文的主要工作可概括为以下四部分:1.分析了地球同步轨道(Geosynchronous Orbit,GEO)卫星与海面舰船的运动特性,用数学方法描述了GEO卫星的运动轨迹,GEO卫星与地球的相对速度以及舰船在海浪影响下的六维运动。建立了GEO SA-Bi SAR的成像几何模型,结合GEO卫星的运动特点对该系统的工作模式进行了分析,推导了GEO SA-Bi SAR的回波信号形式。对比没有海浪运动影响的回波信号,指出海浪运动会对目标的多普勒频率产生一定影响,进而引起目标成像过程中的散焦问题。探讨了进一步提高GEO SA-Bi SAR舰船成像质量的可能性。对滑动聚束工作模式下系统的相干积累时间与方位覆盖范围进行了分析,得到了合成孔径时间内机载合成孔径雷达地面波束投影的改变对相干积累时间的影响基本可以忽略的结论。基于梯度向量法推导了GEO SA-Bi SAR系统二维分辨率以及分辨单元大小的表达式,给出了系统成像精度主要受接收平台姿态与滑动因子影响的分析结论。通过计算机仿真实验,探讨了平台初始姿态对系统分辨率的影响。2.研究了GEO SA-Bi SAR对舰船目标的波束到达方向(Direction Of Arrival,DOA)估计与杂波抑制问题,提出了基于多通道最大似然估计(Maximum Likelihood Estimate,MLE)的DOA估计方法与基于自适应波束形成(Adaptive Beam Forming,ABF)的杂波抑制方法。本论文建立了多接收天线的多通道GEO SA-Bi SAR研究模型,并推导了多通道GEO SA-Bi SAR的信号表达式,说明了该系统下目标DOA估计的关键在于使目标信号在此投影方向上的能量最大。对于目标相对接收机DOA的估计问题,本论文采用了构造相位补偿函数的方法去除不同通道间的多普勒偏移与静止目标的多普勒调频率,利用MLE算法估计目标的DOA。对于杂波抑制问题,本论文提出由于GEO SA-Bi SAR运动的特殊性,传统的相位中心偏置天线(Displaced Phase Center Antenna,DPCA)方法效果变差,但基于ABF的算法能够在DPCA条件不再满足的情况下对目标信号进行增强,达到杂波抑制的效果。通过计算机仿真实验,比较了本论文所提出方法与DPCA方法的杂波抑制效果,验证了本文算法的有效性。3.提出了基于自适应Chirplet分解的GEO SA-Bi SAR三维摆动舰船目标成像方法。该方法的核心是通过对每个距离单元内回波信号进行Chirplet分解,进而得到各距离单元内信号的时频曲线,实现对目标多普勒中心频率与调频率的精确估计。根据估计所得的目标多普勒信息对方位压缩函数进行设计,避免了由于目标随机摆动所产生的散焦现象。该方法采用了更加贴近海面实际情况的目标三维摆动模型,因而在处理复杂海情下的GEO SA-Bi SAR舰船成像过程中具有更高的成像精度。仿真实验验证了该方法相较于传统的魏格纳-威尔分布(Wigner-Ville Distribution,WVD)和伪魏格纳-威尔分布(Pesudo Wigner-Ville Distribution,PWVD)时频分析手段不仅具有更高的时频分析精度且得到的多普勒谱所含交叉项相对较少,能够更好的解决多普勒参数估计中的多普勒谱非线性特性产生的影响,使GEO SA-Bi SAR对三维摆动目标具有更好的成像质量。4.研究了海浪导致的舰船目标升沉运动对成像产生的影响,通过利用回波数据重建由海浪引起的舰船升沉运动,提出了基于舰船升沉运动补偿的舰船目标成像方法。本论文基于对GEO SA-Bi SAR成像几何中移动舰船目标多普勒历程的分析,考虑了由舰船自身动力系统产生的水平运动以及由海浪起伏导致的升沉运动。本论文提出的补偿方法主要包含了三种完善的算法,它们分别为自适应陷波滤波器(Adaptive Notch Filtering,ANF)、求根多信号分类(Root Multiple Signal Classification,Root-MUSIC)算法和线性最小方差算法(Linear Least Squares,LLS)。ANF用于分析目标信号时频特性,进而提取舰船目标的波浪扰动和巡航运动。Root-MUSIC算法和LLS算法用于舰船升沉运动重建中运动补偿函数参数的估计。本论文推导了GEO SA-Bi SAR系统中受海浪起伏影响的移动舰船目标的回波信号,分析了海浪起伏产生的升沉运动与舰船自身的水平运动对回波信号多普勒历程产生的影响。对于舰船目标的瞬时多普勒频率,本论文采用ANF对沿距离单元徙动(Range Cell Migration,RCM)曲线采集的距离压缩后信号进行时频分析。在得到精确的时频曲线后,对曲线斜率进行估计并去除曲线中的线性成分。对于去除线性成分后剩余的时频曲线中由舰船升沉运动产生的周期成分,本论文采用Root-MUSIC与LLS算法对其中周期成分进行估计,进而得到舰船升沉运动重建所需的参数。最后,基于所估计的参数,设计升沉运动补偿函数消除海浪运动导致目标起伏对成像产生的影响。仿真实验证明了本论文所提出方法的正确性与有效性。