借鉴多输入多输出(MIMO)技术在无线通信领域的发展及取得的巨大成就,雷达工程师将其应用于雷达领域,提出了一种新体制雷达——MIMO雷达。根据阵列配置,MIMO雷达主要分为分布式MIMO雷达和集中式MIM0雷达两类。分布式MIMO雷达的发射／接收阵元间距较大,满足空间分集条件,可从不同角度观测目标,从而抑制目标雷达截面积(RCS)闪烁,提高探测性能；集中式MIMO雷达的发射／接收阵列与传统阵列相同,阵元间距较小,但通过发射正交波形实现波形分集,可在接收端形成大的虚拟阵列,具有增加最大可辨识的目标个数以及提高角度分辨力等优点。本文主要研究了噪声MIMO雷达的目标发射角(DOD)和接收角(DOA)估计问题。另外,分析了噪声信号的脉压输出特性,给出了一种快速的随机多相码信号设计方法和一种简单、易实现的MIMO雷达发射波束形成算法。同时研究了基于噪声相控阵MIMO雷达的高速目标距离-角度估计问题。本文的主要工作和贡献归纳如下：1.噪声MIMO雷达相关理论1)通过对脉压输出旁瓣的概率分布和二阶统计量分析,推导了噪声信号脉压输出主旁瓣比的数学表达式,定量分析了脉压输出主旁瓣比与脉压长度和多普勒频率等参数的关系。2)以最小化加权积分旁瓣电平为准则,给出一种重加权循环算法设计随机多相码信号。设计得到的随机多相码信号具有较低的自相关和互相关旁瓣电平,可作为MIMO雷达发射信号。3)给出子波束合成算法用于MIMO雷达发射波束形成。该算法通过对多个发射信号分别加权形成子波束,进而在空间叠加形成在感兴趣的空域具有恒定增益,且在其它空域能量最小的发射波束,从而提高接收端信噪比。该算法无需任何优化工具,具有实现简单,运算量小的优点。4)建立了双基地MIMO雷达的信号模型,讨论了虚拟阵列的形成原理,给出了双基地MIMO雷达角度估计的克拉美-罗界(CRB)。2.基于联合矩阵分解技术的MIMO雷达DOD-DOA估计1)研究了基于联合矩阵对角化(JMD)的DOD-DOA估计算法。该算法首先利用奇异值分解和秩1矩阵判断定理将DOD-DOA估计问题转化为联合矩阵对角化问题；然后采用单次-扫描迭代算法对其求解,估计收发阵列流形矩阵；最后通过谱估计算法恢复目标收发角。该算法充分利用了匹配滤波输出的所有信息,无需二维谱峰搜索,每次迭代均可得到精确的闭式解,角度估计精度与二维多重信号分类(MUSIC)算法基本一致,优于基于旋转不变子空间技术(ESPRIT)的算法和传播算子(PM)算法,且得到的收发角自动配对。2)研究了基于联合矩阵上三角化(JMUT)的DOD-DOA估计算法。该算法首先利用矩阵QR分解将DOD-DOA估计问题转化为联合矩阵上三角化问题；然后采用扩展QZ迭代算法对其求解,得到收发阵列流形矩阵；最后通过谱分析算法恢复收发角。该算法避免了复杂的二维谱峰搜索,每次迭代均可得到精确的闭式解,收发角自动配对,其角度估计精度与基于联合矩阵对角化的算法基本一致,运算量略小于后者。3.基于张量高阶奇异值分解(HOSVD)的MIMO雷达DOD-DOA估计利用双基地MIMO雷达匹配滤波输出数据的多维结构特性,采用一个3阶测量张量表示匹配滤波输出数据,并构造了协方差张量和互协方差张量。通过对这三个张量的HOSVD估计噪声／信号子空间,并将其与二维MUSIC算法和ESPRIT算法结合估计DOD-DOA。同时,对估计得到的信号子空间的一阶扰动进行了分析,推导了其解析表示。理论分析和仿真实验表明,当目标个数小于发射阵元数或接收阵元数时,本文算法估计得到的信号子空间的精度高于传统矩阵奇异值分解(SVD)算法的结果,从而具有更优的角度估计性能。另外,将酉ESPRIT(UESPRIT)算法扩展到张量情况,给出HOSVD UESPRIT算法用于DOD-DOA估计,对散射系数具有一定相关性的目标,进一步提高了角度估计精度。4.基于张量因子分解技术的MIMO雷达4维角度和多普勒频率估计提出了基于张量因子分解的双基地均匀矩形阵MIMO雷达4维角度和多普勒频率估计算法,其中4维角度包括垂直波离角(EDOD)、水平波离角(ADOD)、垂直波达角(EDOA)和水平波达角(ADOA)。首先建立了均匀矩形阵MIMO雷达的信号模型；然后利用张量的矩阵表示,将匹配滤波输出转化为一个5阶张量,进而将参数矩阵估计问题转化为对该张量的因子分解问题；接着采用交替最小二乘(ALS)算法估计4维角度矩阵和多普勒频率矩阵；最后根据这五个参数矩阵的范德蒙德结构特性,利用谱估计算法估计4维角度和多普勒频率。另外,对于阵元数和处理脉冲数较大的情况,采用HOSVD进行降维处理,减小运算量,并采用线性搜索加快算法的收敛速度。该算法无需估计信号／噪声子空间、无需谱峰搜索、得到的4维角度和多普勒频率自动配对,且具有较高的角度估计精度。5.噪声相控阵MIMO雷达高速目标距离-角度估计针对在高速目标探测方面,传统单输入单输出雷达不能进行长时间有效相参积累检测的问题,研究了一种基于噪声相控阵MIMO雷达的高速目标探测方法。通过多路回波数据短时间内并行处理避免目标距离走动对检测性能的影响,利用相关脉压-波束形成算法得到目标距离-角度二维结果,实现了对高速邻近目标距离和角度的无模糊估计。噪声相控阵MIMO雷达可通过调整发射子阵数目实现相控阵雷达的发射相参处理增益和MIMO雷达的高角度分辨力之间的折中。同时由于发射随机信号,该雷达还具有低识别概率和良好的抗干扰性能等优点,更能满足现代战场的需求。