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天波超视距（OTH）雷达由于其超远的工作距离，广阔的监视区域，对隐身飞行器的高检测概率等优点，在战争中具有重要的战略意义。本文考虑采用多输入多输出（MIMO）雷达技术的天波OTH雷达（天波MIMO-OTH雷达），研究天波OTH雷达的检测性能，分析系统参数和多径传播等因素对天波MIMO-OTH雷达检测性能的影响。通过分析天波OTH雷达信号在电离层中的特殊传播方式，本文构建了符合其特性的接收信号模型，该模型能够描述雷达回波信号中的电离层相位污染以及天波OTH中不可避免的多径传播现象。根据上述信号模型，推导了不同发射天线、接收天线以及不同传播路径所对应的雷达接收信号之间的相关性，给出了判断相关与否的理论公式，并且证明了通过增大发射天线/接收天线的阵元间距，或者发射信号之间的频率差等方法均能够使得不同的接收信号更趋于不相关。在加性复高斯白噪声的条件下，利用奈曼-皮尔逊（NP）检测准则，得到了天波MIMO-OTH雷达接收信号的最佳检测器。本文分析了采用NP最佳检测器时雷达系统的检测性能，得到了相应的分集增益。假设天波MIMO-OTH雷达有M个发射天线和N个接收天线，如果第m（m=1,...,M）个发射信号对应有Lm条后向传播路径（即信号从目标传播到接收天线的路径），我们证明雷达系统的分集增益满足g≤Σm=1M min{N, Lm}。在一定条件下，通过增大发射天线数、接收天线数或者后向传播路径条数等途径均能够增大雷达系统的分集增益，有利于提高雷达的检测性能。本文分析证明，相比于传统的天波OTH雷达，天波MIMO-OTH雷达可能具有更好的检测性能。本文最后通过数值仿真给出了不同场景下天波MIMO-OTH雷达与普通天波OTH雷达的漏检概率曲线，分析比较了不同的雷达参数以及多径传播对于雷达分集增益的影响，并通过仿真结果证明了理论分析的正确性。