卡爾·威利，[44] 1951年6月，一位數學家在為阿特拉斯洲際彈道導彈計劃研究相關制導系統時，發明了合成孔徑雷達。[45] 1952年初，威利與弗雷德·海斯利和比爾·韋爾蒂一起，構建了一個被稱為“多普勒無參數搜索雷達”的概念驗證系統。在20世紀50年代和60年代，Goodyear(后來的Goodyear航空公司)在合成孔徑雷達技術上引入了許多技術，其中許多都是在唐·貝克勒爾的幫助下實現的。[46]
1952年初，舍溫等人在伊利諾伊大學控制系統實驗室進行的獨立于威利工作的實驗表明，他們指出“可以為雷達系統大幅提高角分辨率”，甚至可能導致系統能夠同時在所有范圍內進行聚焦。[47]
在這兩個程序中，雷達回波的處理都是通過電路濾波方法完成的。本質上，多普勒頻率的孤立離散頻帶中的信號強度定義了圖像強度，該圖像強度顯示在適當范圍位置內的匹配角度位置。當只使用返回信號的中心部分(零多普勒頻帶)時，效果就好像只存在于波束的中心部分。這導致了多普勒波束銳化。顯示幾個相鄰非零多普勒頻帶的回波實現了進一步的“波束細分”(有時稱為“非聚焦雷達”，可以被認為是“半聚焦的”)。威利的ZL申請于1954年，提出了類似的處理方法。當時需要使用的電路過于龐大，限制了這些方案進一步提高分辨率的程度。
該原則已被納入備忘錄[48] ，由通用電氣公司的沃爾特·豪斯撰寫，同時也是1952年國防部夏季研究會議“陸軍之眼”秘密報告的一部分，[49] 它試圖找出對情報偵察和技術收集游有用的新技術。1953年密歇根大學的一個名為Project Wolverine的后續夏季項目確定了TEOTA的幾個主題，包括多普勒輔助的亞波束寬度分辨率，作為由國防部在各種學術和工業研究實驗室贊助的研究工作。同年，伊利諾伊州小組制作了一幅“帶狀地圖”圖像，顯示出相當數量的子波束寬度分辨率。
一個更先進的聚焦雷達項目是在1953年分配給密歇根大學的幾個遙感項目之一，這是密歇根大學威洛潤研究中心(WRRC)的一個由三個部門贊助的(陸軍、海軍、空軍)項目，該項目由陸軍通信兵分部管理。最初被稱為側視雷達項目，由一個最初被稱為雷達實驗室，后來被稱為雷達和光學實驗室的小組承擔。它建議不僅要考慮幾個特定多普勒頻移的短期存在，還要考慮當每個目標穿過波束時其頻移穩定變化的整個歷程。該小組的路易斯·卡斯托納博士、韋斯頓·薇薇安博士和埃米特·n·利斯博士的早期分析表明，這樣一個完全聚焦的系統應該在所有范圍內產生與雷達飛機上攜帶的真實天線的寬度(或者，根據某些標準，半寬度)相等的分辨率，并且持續地指向飛行路徑的側面。[50]
所需的數據處理相當于計算接收信號與期望來自不同范圍的單位幅度源的信號形式樣本的互相關。當時，即使是大型數字計算機的能力也與今天的四功能手持計算器相當，因此遠遠不能進行如此大量的計算。相反，進行相關計算的設備是光學相關器。
有人建議，由移動天線接收并將相干檢測的信號顯示為一條穿過陰極射線管面直徑的單距離跡線，該線的連續形式被記錄為投影到垂直于該線長度移動的膠片圖像上。關于顯影膠片的信息隨后將在實驗室中處理，設備仍有待作為項目的主要任務進行設計。在最初的處理器方案中，通過使光連續穿過信號膜和包含已知信號圖案的另一個膜，透鏡的布置預期將記錄的信號與已知信號形式逐點相乘。相關的后續求和或積分步驟是通過一個或多個球面和柱面透鏡的聚焦作用會聚適當的乘法乘積集來完成的。該處理器實際上是一臺光學模擬計算機，可以同時在許多通道(有許多光線)中進行大規模標量算術計算。最終，將需要兩個特定的器件，將它們的輸出組合為完整解決方案的正交分量。
幸運的是(事實證明)，小設備在35毫米膠片上記錄了參考圖案。試驗迅速表明，薄膜上的圖案非常精細，以至于顯示出明顯的衍射效應，阻止了聚焦。[42]
這使得設計相關器的物理學家利斯認識到，通過自然過程，這些效應本身可以完成所需處理的很大一部分，因為沿著記錄軌道的條帶就像一系列圓形光學區域板的直徑切片一樣。任何板的性能都有點像透鏡，每個板對于任何給定的波長都具有特定的焦距。標量的記錄被認為是許多空間頻率矢量的相反符號矢量對加上零頻率“偏差”量。其中所需的相關求和從一對標量和變為一個矢量求和。
每個區域板帶具有兩個相等但符號相反的焦距，一個是實數，透過它的光束匯聚到一個焦點，另一個是虛數，另一個光束似乎已經發散至區域板的另一面。零頻率(DC偏置)分量沒有焦點，但是覆蓋會聚光束和發散光束。從會聚波分量中獲得沒有被來自另外兩個分量的不需要的霧度覆蓋的聚焦圖像的關鍵是阻止后者，只允許想要的光束通過適當定位的頻帶選擇孔徑。
每個雷達距離產生一個焦距與該距離成比例的區域板條。這一事實成為光處理器設計中的主要難題。因此，當時的技術期刊包含了大量的材料，致力于如何應對范圍變焦。
對于這種方法上的重大改變，所用的光必須是單色的和相干的，這已經是雷達輻射的一個要求。激光也是如此，當時對相干光源最好的近似是汞蒸汽燈的輸出，通過與光譜綠色波段匹配的濾色器，然后盡可能集中到非常小的限束孔徑上。雖然由此產生的光量非常弱，以至于必須使用非常長的曝光時間，但是及時組裝一個可使用的光學相關器，所得到的數據是可用的。
雖然基于已知的技術制造雷達是一項更簡單的任務，但這項工作需要達到信號線性度和頻率穩定性的最高水平卻是比較困難的。因為這架飛機是由美國陸軍保釋到WRRC的，由WRRC自己的飛行員和地面人員駕駛和維護，所以它可以用于許多飛行，有時符合雷達實驗室的需要，這一特性對于允許不斷發展的復雜設備的頻繁重新測試和“調試”很重要。相比之下，伊利諾伊集團使用的是空軍的一架C-46飛機，空軍飛行員只能通過預先安排進行飛行，在這些研究人員看來，這限制了他們設備的飛行測試頻率，因此測試反饋帶寬較低。(后來與新的康維爾飛機的合作繼續了密歇根集團對航班時刻表的本地控制。)
密歇根大學選擇的5英尺（1.5米）大小二戰剩余天線，理論上具有5英尺（1.5米）分辨率，但最初只使用了10%波束寬度的數據，當時的目標是演示50英尺（15米）的分辨率。可以理解，更高的理論分辨率需要增加一些手段，用于檢測飛機偏離理想航向和飛行路徑的情況，并在處理前利用這些信息對天線指向和接收信號進行必要的校正。經過無數次試驗，即使是很小的大氣湍流也無法讓飛機保持直線和水平飛行，也可以獲得50英尺（15米）數據，1957年8月一次黎明前的飛行[51]， 生成了一張類似地圖的Willow Run Airport區域的圖片，圖像的某些部分具有50英尺（15米）的分辨率，而照明波束的寬度900英尺（270米）。由于缺乏結果，國防部已經考慮終止該項目，但第一次成功確保了進一步的資金投入，以繼續開發，從而解決這些公認的需求。
1960年4月，美國陸軍試驗性AN/UPD-1系統的新聞稿首次公開承認了合成孔徑雷達原理，該系統由得克薩斯儀器公司制造的機載元件和由WRRC制造的安裝在軍用貨車上的移動式地面數據處理站組成。當時，數據處理器的性質還沒有透露。1961年2月在《IRE(無線電工程師學會)軍事電子專業小組雜志》上發表的一篇技術文章[52] 描述了合成孔徑雷達的原理以及C-46和AN/UPD-1的版本，但沒有說明數據是如何處理的，也沒有說明UPD-1的最大分辨率是多少。然而，1960年6月號的IRE信息論專業小組發表了一篇很長的文章[53] 關于密歇根大學的“光學數據處理和過濾系統”。雖然沒有提到雷達使用這些技術，但這兩種期刊的讀者可以很容易地理解這些文章之間的聯系。
在F-4“幻影”飛機的偵察版本中攜帶的操作系統很快被設計出來，并在越南短暫使用，但由于其低分辨率(類似于UPD-1)，相干波圖像的特殊性(類似于激光圖像的特殊性)，以及其距離/交叉距離圖像與軍用照片判讀員熟悉的角度/角度光學圖像之間的差異大而難以被理解，因此未能給用戶留下良好印象。它提供的經驗教訓被后來的研究人員、作戰系統設計人員、圖像解釋培訓人員以及國防部進一步開發和采購的贊助者很好的采納。
在隨后的工作中，這項技術的潛在能力最終得以實現。這項工作依賴于先進的雷達電路設計和對偏離理想直線飛行的精確檢測，以及使用更復雜的光學處理器和特別設計的由透明的玻璃制成的非常大的透鏡對激光源進行處理，使得密歇根團隊能夠在大約5年的時間內將系統分辨率提高至15英尺（4.6米）及隨后的5英尺（1.5米），到1970年代中期達到1英尺(后者僅在非常短的距離間隔內，而處理仍在光學上進行)。后一級和相關的非常寬的動態范圍被證明適用于識別許多軍事物體，以及土壤、水、植被和冰的特征，這些特征正由具有安全許可的各種環境研究人員進行研究，允許他們訪問當時被分類的圖像。類似的改進操作系統很快就遵循了每一個更精細的步驟。
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5英尺（1.5米）的分辨率階段已經過度消耗陰極射線管(在屏幕直徑上限制在大約2000個可區分的元素)，提供足夠精細的細節信號，同時仍然覆蓋寬范圍的條帶，并且以類似的方式消耗光學處理系統。然而，大約在同一時間，數字計算機最終能夠進行處理，而沒有類似的限制，并且隨后在陰極射線管監視器（不是在膠片上）上呈現圖像，并且可以更好地控制色調再現和圖像測量。
通過增加擺動較大機載天線的能力來輔助實現遠距離的最佳分辨率，以便在收集多個方面的數據的同時，持續更強地照亮有限的目標區域，從而消除先前對天線寬度分辨率的限制。這被稱為聚光燈模式，不再產生連續條帶的圖像，而是孤立地形的圖像。
在合成孔徑雷達發展的很早階段，人們就知道大氣層外極其平滑的軌道路徑使其非常適合合成孔徑雷達的運行。人造地球衛星的早期經驗還表明，穿過電離層和大氣層的信號的多普勒頻移足夠穩定，即使在數百公里的范圍內也可以實現非常高的分辨率。[54] 同時通過現在稱為奎爾衛星的項目對這些事實進行進一步的實驗驗證 [55] (于2012年解密)，該項目發生在初始工作開始后的第二個十年內，創建分類系統的一些能力在接下來的二十年中并不存在。
這種看似緩慢的進步速度經常與其他發明的進步同步，如激光、數字計算機、電路小型化和緊湊的數據存儲。一旦激光出現，光學數據處理就成了一個快速的過程，因為它提供了許多并行的模擬通道，但是設計適合于將信號焦距與經過許多階段的范圍相匹配的光學鏈，仍然需要一些新的光學元件。由于這個過程依賴光波的衍射，它需要防振裝置、無塵環境和訓練有素的操作人員。即使在最好的情況下，使用CrT和膠片進行數據存儲也限制了圖像的深度范圍。
某段時間，實現對數字計算設備的過于樂觀的期望被證明需要比預期長得多的時間。例如，海洋衛星系統在其數字處理器可用之前就已準備好進入軌道，因此必須使用快速組裝的光學記錄和處理方案來獲得系統運行的及時確認。1978年，加拿大航空航天公司開發了第一臺數字合成孔徑雷達處理器由麥克唐納·德特威勒開發。[56] 當它的數字處理器最終完成并投入使用時，當時的數字設備從每一次運行的幾秒鐘數據中產生一幅圖像需要花費幾個小時。[57] 盡管速度有所下降，但圖像質量卻有所提高。現代方法既保證了高速性又提供了高質量。
雖然以上只說明了少數組織對系統開發的貢獻，但隨著合成孔徑雷達的價值越來越明顯，許多其他團體也成為了參與者。對最初的長期發展進程的組織和資金特別重要的是聯邦政府設備采購機構中的一些文職和軍警項目經理的技術專長和遠見，特別是武裝部隊和情報機構以及一些民用空間機構。
由于許多出版物和網站都提到一位年輕的麻省理工物理畢業生羅伯特·瑞恩斯在20世紀40年代發明了高分辨率雷達，接觸過這種雷達的人可能會想為什么這里沒有提到這一點。事實上，他的幾項雷達圖像相關ZL [58] 實際上并沒有實現高分辨率目標。相反，他們假設雷達目標場的高分辨率圖像可以通過已知的“介電透鏡”來實現，這些ZL的創造性部分是將微波形成的圖像轉換成可見圖像的方法。然而，這種假設不正確地暗示了這樣的透鏡和它們的圖像的尺寸可以與它們的光波對應物相媲美，而微波的巨大波長實際上需要透鏡具有幾千英尺(或米)寬的孔徑，就像SAR模擬的那樣，并且圖像會相對較大。顯然，這位發明家不僅沒有認識到這一事實，而且批準了他幾項申請的ZL審查員也沒有認識到這一點，那些如此廣泛地傳播這個錯誤故事的人也沒有認識到這一點。尋求了解合成孔徑雷達的人不應被這些ZL所誤導。