MIMO-SAR由于其在收发两端多天线的设置,可以为SAR应用提供更多的自由度,因此近年来成为成像雷达领域的研究热点。波形设计则是MIMO-SAR实现的关键和瓶颈。本文基于多维分集框架,对MIMO-SAR的波形设计理论和MIMO-SAR系统的相关关键技术进行了研究。论文开展的主要工作和研究成果有:(1)本文介绍了从SAR的引入到提出MIMO-SAR的逻辑链路,逐次分析了传统的MIMO-SAR波形的成像性能,并且引入MIMO-SAR波形的多维分集设计框架,从算子角度解构了MIMO-SAR波形设计的数学实质,给出了贯穿本文波形设计研究的一根主线。(2)联合时频分析作为分析非平稳信号的一种有力工具,用于MIMO-SAR信号成像性能分析,可以获取更多更具有物理意义的分析结果和相应的波形设计辅助。本文从时频分析着手,开展MIMO-SAR波形设计的相关研究,发展了一种综合积分旁瓣比在信号频域的更一般的分析数学模型。通过这个模型,本文证明了时频域同支撑集的信号之间无法做到内积算子下的正交,并提出了基于循环移位OFDM chirp波形设计方法。这里MIMO-SAR的表述维度为快时间和距离向时延(距离向角度),多维分集算子选取的运算法则为加窗卷积。(3)本文发展了关于MIMO-SAR空时编码(STC)更一般的数学模型,设计了一种新的空时编码框架,发射波形的奇分量和偶分量共享相同发射机的相同发射时间波门,规避了传统空时编码方案由于信道时变导致的信道交叉干扰。结合新的空时编码框架,本文提出了一种时频梳状线性调频信号(TFCC)。同一组的TFCC波形具备时移正交性质,并且可以共据同一时间波门而不必抑制各自的恒包络电平,有效地保障了每个发射分量的回波信噪比不受抑制。这里MIMO-SAR的表述维度为快时间、慢时间和多普勒域,多维分集算子选取的运算法则为回波矩阵的对角化处理。(4)本文还介绍了基于多维分集的MIMO-SAR系统的相关扩展研究,包括偏置相位中心天线(DPCA)技术原理及分析、基于电磁仿真的回波生成、基于时频分析的一体化波形设计。