多输入多输出（multiple-input multiple-out，MIMO）雷达自从提出以来，受到了雷达研究人员的极大关注，使得MIMO雷达相关理论迅速完善，现有研究已表明MIMO雷达相比于相控阵雷达在目标探测、参数估计等方面具有明显优势。本文围绕机载MIMO雷达展开研究，主要工作和贡献为：（1）研究了MIMO雷达阵列结构及等效收发波束形成MIMO雷达阵列结构相比于相控阵雷达具有更大的灵活性，本文详细分析了MIMO雷达各种阵列结构，讨论了各种阵列结构的特点。采用模拟退火方法提出一种MIMO雷达稀疏阵优化方法。由于分子阵MIMO雷达的重要性，给出了分子阵发射MIMO雷达等效收发波束形成方法。如何公平对比MIMO雷达和相控阵雷达是一个重要话题，也是分析MIMO雷达是否具有优势的基础，本文推导了MIMO雷达和相控阵雷达波束形成后输出信噪比（signal to noise ratio, SNR）的关系，得到MIMO雷达与相控阵雷达公平对比的条件应设置如下：收发阵列的阵元个数应相同，且MIMO雷达在一个相干处理周期（coherent processing interval, CPI）发射相干脉冲个数应等于相控阵雷达发射相干脉冲个数乘以MIMO雷达发射的正交信号个数。（2）分子阵MIMO雷达杂波秩估计方法建立了机载MIMO雷达回波模型，讨论了杂波秩的概念及其重要性。由于分子阵MIMO雷达兼具了相控阵雷达和MIMO雷达的优势，同时能够降低产生正交信号及信号处理的系统复杂度，所以分子阵MIMO雷达更可能应用于工程中。本文提出了分子阵MIMO雷达杂波秩的估计方法，为分子阵MIMO雷达空时自适应处理（space time adaptive proccessing，STAP）算法设计提供了一定的理论依据。鉴于已有杂波秩估计方法对于MIMO稀疏阵的某些情况不再适用，本文给出了机载MIMO雷达稀疏阵杂波秩估计方法。（3）机载MIMO雷达降秩STAP算法介绍了机载雷达STAP算法基本原理，讨论了机载MIMO雷达降秩STAP算法，给出了机载MIMO雷达应用主分量法（principal component, PC）、互谱法（crossspectral metric, CSM）以及多级维纳滤波（multi-stage wiener filter, MSWF）三种降秩STAP算法的原理，并比较了机载MIMO雷达应用不同降秩STAP算法的性能。（4）机载MIMO雷达降维STAP算法讨论了空-时域STAP算法与变换域STAP算法的等价性，介绍了相控阵雷达中几种经典的STAP算法。由于MIMO雷达灵活的阵列配置和等效波束形成能力，传统相控阵雷达STAP算法难于直接应用于MIMO雷达中，基于局域化联合处理（joint domain localized, JDL）STAP算法，本文提出的MIMO雷达降维STAP的相邻辅助波束选择方法，可以应用于MIMO雷达紧凑布阵、部分稀疏布阵以及规则稀疏布阵三种情况。另外，由于分子阵MIMO雷达可看作是部分稀疏布阵的特例，所以该方法同样可应用于分子阵MIMO雷达中，本文讨论了子阵级MIMO雷达降维STAP算法的辅助波束选择算法。（5）一种波束域后多普勒降维STAP算法最佳辅助通道选择方法受CSM算法启发，提出一种最佳通道法（best channel method, BCM）算法，通过评估每个角度-多普勒通道对于输出信杂噪比（signal to clutter-noise ratio,SCNR）的影响，选择影响最大的若干角度-多普勒通道构成辅助通道来对消主通道中的杂波，使得本算法可以在给定辅助通道个数的情况下，可达到降维STAP算法的输出SCNR性能上界，通常仅需要3~5个辅助通道即能达到输出信杂噪比损失可忽略的程度，所以本算法还可以降低杂波协方差矩阵估计对样本数的要求。鉴于最佳通道法计算量相比于一般降维STAP算法较大，文中还提出了一种可能的算法实现方案。