多输入多输出(multiple-input multiple-output，MIMO)雷达，是一种新体制雷达，它采用多个发射天线和多个接收天线，各发射天线同时发射完全正交或部分相关的信号，从而获得更多的自由度或角度分集增益，或形成期望方向图。MIMO雷达可以获得更高的角度分辨率，或者分布在不同的观测方向上对目标进行探测，因此能够获得更高的信杂比（SCR）,或有效对抗目标的RCS闪烁，从而改善雷达在目标检测、多目标分辨、参数估计等方面的性能。同时，由于正交波形MIMO雷达各发射天线均是各向同性的，不需要进行波束扫描，因此每一时刻都可监视全空域，有效地增加了探测范围，可以进行更长时间的积累。通过对发射波形的优化设计，使得MIMO雷达能够在某些方面的性能得到进一步提升。本文围绕MIMO雷达体制展开，利用多种MIMO雷达配置，在分布式、集中式、子阵级分布式、波束空间式等多种MIMO雷达配置下，对MIMO雷达的目标检测、目标定位、速度估计以及波形设计等关键技术进行了深入的研究，具体工作概括如下：1.研究双基地集中式正交波形MIMO雷达在各种杂波环境下的检测方法。将Kelly、AMF和ACE检测器推广到双基地MIMO雷达体制中，推导了高斯杂波下，杂波协方差矩阵已知、未知以及检测单元数据和参考单元数据存在不同增益系数时的恒虚警检测器，还推导了非均匀杂波环境下，双基地MIMO雷达在杂波斑点分量协方差矩阵已知和未知、参考单元的数据充分和有限时的多种检测方法。并对这些方法在不同杂波环境中的检测性能进行了仿真分析和对比，指出了各检测器的适用环境。2.研究了机载正交波形MIMO雷达在非均匀杂波中的检测方法。以球不变随机矢量为杂波模型，针对杂波在距离上非均匀且空时二维杂波协方差矩阵不满秩的特性，提出了修正渐近最大似然估计（MAML）算法来估计MIMO雷达归一化杂波协方差矩阵，并以杂波协方差矩阵的MAML为基础推导了广义似然比检测器，来实现该条件下机载MIMO雷达的目标检测，且将该检测器称为修正渐近广义似然比检测器（MAGLRT）。分析了杂波参数、系统热噪声以及MIMO雷达发射天线数目对该检测器检测性能的影响，证明了该方法在非均匀杂波中具有很好的检测性能。3.研究了正交波形分布式MIMO雷达的检测方法。针对分布式MIMO雷达中目标在多个信道检测距离单元不同的特性，提出了检测空间的栅格分割方法，并针对栅格内目标在各信道检测单元的确定问题提出了两种方案，给出了每种方案的实施步骤，利用三种分布式MIMO雷达检测器对两种检测方案的性能和栅格大小对检测性能的影响进行了对比与分析，证明了两种方法的有效性。4.研究MIMO雷达与多输入单输出（MISO）雷达的定位精度问题。针对小型机动平台对目标的定位问题，提出了在大型阵列雷达的辅助下，MIMO和MISO两种工作模式交替使用的方法，分别在这两种模式下推导了目标相对定位精度几何稀释（GDOP）的计算公式，分析了目标位置、小型机动平台位置以及阵列天线数目对两种模式下目标相对定位精度的影响情况。5.推导了子阵级分布式MIMO雷达目标位置和速度联合估计的克拉美·罗界(CRB)，利用克拉美·罗界，分析了子阵级分布式MIMO雷达的子阵数目和目标位置对目标速度和位置估计精度的影响。证明了含有更多子阵的子阵级分布式MIMO雷达具有更好更稳定的目标位置和速度估计性能。6.设计了用于目标频率响应（TFR）估计的MIMO雷达发射波形。建立了MIMO雷达对于多个在慢时间上具有相关性的距离扩展目标的TFR统计模型。基于卡尔曼滤波的稳态响应，提出了一种MIMO雷达波形优化方法。仿真实验证明，该方法优化设计的MIMO雷达发射波形，能有效减小雷达对多个扩展目标在慢时间上具有相关性的TFR的估计误差。