多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)雷达是一种新体制雷达。基于波形分集,MIMO雷达在杂波抑制、目标检测、参数估计、方向图综合等方面具备显著优势。雷达波形优化设计是雷达系统中的最基础和最重要的研究内容。MIMO雷达中的波形分集为波形优化设计提供了更多的自由度,使得MIMO雷达波形优化设计更为灵活。本文主要对MIMO雷达中特定结构波形,包括多载波波形和相位编码波形进行优化设计;通过对这两种波形进行频率控制,实现特定的优化目的。针对多载波波形,主要研究一种广义通用的频分线性调频-相位编码(Frequency Division Linear Frequency Modulation-Phase Code,FD-LFM-PC)波形,通过优化调节载频顺序或载频间隔以达到降低时域旁瓣、优化模糊函数、匹配空域方向图等目的。针对相位编码波形,主要研究一种频谱受限的恒模多相序列集,包括互补序列集和正交序列集;通过对序列的功率谱和相关性能进行优化设计,得到了频谱能量稀疏分布的恒模多相序列集。论文主要工作如下:第一部分,针对载波顺序控制的正交频分线性调频-相位编码(Orthogonal-FD-LFM-PC,OFD-LFM-PC)波形进行空时优化设计。OFD-LFM-PC波形是一种载波频率正交的多载波波形。首先,分析了 OFD-LFM-PC波形的空时特性,分析表明OFD-LFM-PC波形能够抑制OFD-LFM波形空域合成信号的自相关栅瓣,相对OFD-LFM波形,具备更低的空域自相关旁瓣;然后,以载波频率顺序和载波上调制的相位编码矩阵为波形优化参数,以空域合成信号的时域自相关旁瓣水平和全向方向图逼近误差为优化目标建立了基于载波顺序控制的OFD-LFM-PC波形优化模型。对该模型的分析表明该模型为一种多目标多变量非线性离散优化模型;最后,提出了一种嵌套遗传算法的粒子群算法对该模型进行优化求解。仿真试验表明,所提出的算法能有效求解上述优化模型;优化后的波形在保持近似全向空域发射方向图的同时,有效降低了空域合成信号的自相关旁瓣水平,从而增强了雷达探测性能。第二部分,针对载波间隔控制的频分线性调频-相位编码FD-LFM-PC波形进行空时优化设计。FD-LFM-PC波形是一种载波频率可不正交的多载波波形。首先,分析了 FD-LFM-PC波形的时域模糊函数特性以及空域方向图特性,并将FD-LFM-PC波形的时域特性与FD-LFM波形和FD-PC波形进行了对比。分析表明本文中提出的FD-LFM-PC波形能够消除FD-LFM波形的模糊栅瓣问题和距离多普勒耦合问题,同时本文中波形具有更多的波形参数,因此具有更多的优化空间。然后,以波形的载频间隔、载波上调制的LFM-PC波形带宽、载波上调制的相位编码为参数,以空域合成信号的模糊函数旁瓣水平和非全向方向图匹配为优化目标建立了基于载波间隔控制的FD-LFM-PC波形优化模型。该模型同样是一个双目标约束优化模型,该双目标约束优化模型包含为了线性约束优化和非线性约束优化两部分。因此为了进一步提高算法设计的优越性,提出一种分步约束优化方法,确定一个目标问题作为主优化目标,另外一个确定为次优化目标,通过分步约束迭代最终求得两个目标函数的最优解。最终选择序列二次规划和自适应克隆选择算法对上述的模型就行求解。仿真试验结果表明,本文中提出的算法能够有效求解上述的优化模型;优化之后的波形具有更好的相关性能,同时能够满足不同方向图设计的要求。第三部分,针对功率谱密度控制的相位编码序列集设计。互补序列集是一种非周期自相关之和为理想的冲击函数的相位编码序列集;正交序列集是一种具有良好自相关和互相关性能的相位编码序列集。本文首先对已有的互补码序列集和正交序列集进行分析总结,通过分析表明,序列长度、个数和相位数都受限;频谱能量随机分布不受限。然后,以相位编码序列集的相位为优化变量,将序列集的加权积分旁瓣电平和加权功率谱密度函数作为代价函数建立了线性无约束优化模型,设计出一种恒模多相的稀疏频谱互补序列集(Complementary Sparse Frequency Waveform set,CSFWS)和稀疏频谱正交序列集(Orthogonal Sparse Frequency Waveform set,OSFWS)。该优化模型是一个线性无约束优化问题,最后提出一种基于共轭梯度下降的快速算法来求解上述的优化模型。试验仿真结果表明,基于共轭梯度下降的算法能够实现上述两个序列集问题的求解,同时证明本文中的算法相比其他已知算法具有更高的时效性。