三维合成孔径雷达成像(Three-Dimensional Synthetic Aperture Radar, 3D SAR) 是在二维SAR成像基础上发展起来且具有三维分辨能力的成像技术，它能够解决二维SAR成像中的叠掩、顶底倒置等几何失真问题，在军事侦察、灾害预测、资源调查、地形融合等方面具有重大应用潜力。三维成像算法是实现雷达成像回波数据到图像重建的关键。围绕着三维成像算法，国内外研究人员已经开展了大量研究。常用的三维SAR成像算法主要有三维CS算法、三维RD算法和三维BP算法，它们所获取三维点云数据的点扩展函数在空间的指向具有不定的方向，以及强目标的三维点扩展函数的旁瓣有时会覆盖弱目标的三维点扩展函数的主瓣从而识别不了弱目标，这些都增加了获取观测场景散射信息的难度。基于波束形成原理的三维SAR成像算法，对已有的阵列三维SAR成像算法进行了改进并给予了创新，通过在航迹向和跨航向同时采用波束形成原理以获取航迹向-跨航向这个平面的二维分辨率，在距离向采用脉冲压缩技术以获取距离向分辨率，从而获取了观测场景的三维分辨率，实现对观测场景的三维SAR成像。该算法能形成指向特定方向的波束，该波束的主瓣能对准目标信号并在干扰信号及噪声方向形成零陷，从而达到抑制干扰及噪声的目的，可以很好的避免常用的三维SAR成像算法中存在的问题，最终实现观测场景的三维SAR成像。本论文针对基于波束形成原理的三维 SAR 成像算法展开了研究，详述了波束形成算法的三维 SAR 成像原理；分别建立了波束形成算法在航迹向/跨航向上的描述模型以及基于波束形成原理的 SAR 三维成像观测几何模型；通过仿真和实测数据很好的验证了本文提出的模型和研究的波束形成算法；通过与 BP 算法进行比较分析得到了波束形成算法的优势。本论文的主要研究内容如下：

      1、介绍了波束形成算法的基本原理、建立了波束形成算法的信号模型、给出了两类常见的 Bartlett 波束形成算法和 Capon 波束形成算法的基本原理以及最佳权矢量所满足的最优准则；仿真分析了 Capon 波束形成算法下的阵列输出的方向图及功率谱图，重点分析了 Capon 波束形成算法形成指定方向角度波束的性能。

      2、建立了波束形成算法在方位向上的描述模型以及二维 SAR 成像的波束形成算法模型，推导出了波束形成算法中近似距离的表达式，仿真验证了距离近似适用条件，仿真验证了算法的点目标成像性能；与 SAR 精确成像算法 BP 算法的性能进行了比较，波束形成算法可实现对目标的精确成像；设计并开展塔吊试验，并利用塔吊试验实测数据，完成了算法的二维成像性能验证。

      3、研究了基于波束形成原理的三维 SAR 成像算法，在三维 SAR 成像观测几何模型基础上，建立了波束形成原理在航迹向/跨航向上的描述模型，给出了波束形成算法实现三维 SAR 成像的流程图，通过仿真获得了点目标的三维 SAR 成像，分析了点目标分别在三个平面的切片图以及每个切片图的分辨率、峰值旁瓣比及积分旁瓣比，比较了各个指标的理论值与实际值以确定波束形成算法下的三维点目标成像质量的正确。通过暗室实测数据验证了基于波束形成原理的三维 SAR 成像算法的有效性。

关键词：合成孔径雷达(SAR)三维成像，阵列三维 SAR 成像，波束形成算法，最优准则，最佳权矢量，距离近似条件，BP 算法，成像指标