多输入多输出(multiple-input multiple-output, MIMO)雷达即采用多个发射天线发送定制波形信号,并采用多个接收天线对回波进行某种联合处理的雷达系统。MIMO雷达架起了雷达与通信技术的桥梁,自其概念被提出以来,受到了众多雷达及通信领域研究者的关注。根据阵元布置的不同,MIMO雷达可分为共置天线(co-located antennas)MIMO雷达和分置天线(widely separated antennas)MIMO雷达两类。针对共置天线MIMO雷达,本文分析了MIMO雷达的同时多波束比幅测角问题。MIMO雷达形成的等效收发联合波束与传统相控阵雷达的接收波束相比,具有波束宽度更窄、旁瓣更低的特点。本文推导MIMO雷达联合波束的方向图,给出其半功率波束宽度及峰值旁瓣高度的计算公式,分析如何对这些联合波束定向来构造正交多波束,并以此为基础讨论同时多波束比幅测角。针对分置天线MIMO雷达,本文的主要工作和贡献为:(1)均匀杂波环境中的运动目标检测当目标速度足够大,但相对传统相控阵运动的径向速度过低时,雷达无法从杂波中分离并检测目标。采用分置天线MIMO雷达则可以解决该问题。本文推导了集中式MIMO雷达、分布式MIMO雷达和相控阵雷达系统的广义似然比(gener-alized likelihood ratio test, GLRT)动目标检测器的表达式,对其性能进行了比较,指出了采用分布式MIMO雷达替代集中式MIMO雷达的利弊,并给出了一种自适应MIMO雷达动目标检测器。(2)速度估计与天线布置为了研究分置天线MIMO雷达对运动目标的速度估计性能,本文给出了速度估计的克拉美-罗界(Cramer-Rao bound, CRB),提出了MIMO雷达速度估计的优化策略。MIMO雷达的估计性能受天线布置的影响较大,本文分析了最优天线布置应满足的条件。(3)非相干(noncoherent)MIMO雷达的联合估计性能利用MIMO雷达对复高斯扩展目标的位置和速度进行联合估计时,本文指出最大似然意义下的最优估计器是非相干的。本文还推导了联合估计的克拉美-罗界,分析了最大似然估计的均方误差,研究了信杂噪比的阀值现象,通过理论分析和数值结果说明了最大似然估计随收发天线数乘积的增加而渐近趋于目标参数真实值。另外,本文采用两种不同的方法导出非相干MIMO雷达的模糊函数,并以实例加以说明。(4)相干(coherent)和非相干处理相干和非相干处理的关键区别之一在于是否要求雷达系统的所有发射机和接收机相位同步。本文研究了MIMO雷达利用相干和非相干处理对目标位置和速度进行联合估计的问题,比较了二者的联合估计性能。通过理论和数值分析,指出在相干处理的性能优于非相干处理的情况下,当发射天线和接收天线数的乘积足够大时,用非相干处理代替相干处理不会造成太大的性能损失。这为实际实现提供了指导,如果要求的天线数在可以承受的范围内,那么从易于实现的角度来讲更建议采用非相干处理。