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多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)雷达在发射端采用多个天线,分别发射不同的信号,在接收端分离出不同发射信号分量的贡献,从而可以利用空间分集增益提高雷达探测能力。相比于传统的相控阵雷达,MIMO雷达具有更多的自由度,因此在参数估计,检测性能上都优于传统的相控阵雷达。波形分集是MIMO雷达区别于传统相控阵雷达的优势所在。MIMO雷达在波形设计上的自由度,也使其便于形成灵活的发射方向图。因此,本文针对MIMO雷达波形设计和发射方向图优化开展研究,主要工作包括:1.针对MIMO雷达调频信号设计,应用基于驻定相位原理的波形设计方法,完成了非线性调频信号设计;并将非线性调频信号作为MIMO雷达单通道发射波形,给出了MIMO雷达频分非线性调频信号的设计方法;受失配滤波理论的启发,考虑对失配滤波器和调频信号进行迭代优化,实现了超低旁瓣调频信号的优化;并将其应用于MIMO雷达,完成了超低旁瓣频分调频信号设计。2.针对MIMO雷达相位编码信号设计,应用序列二次规划的方法,设计出了具有低自相关旁瓣和互相关峰值,且具有严格正交性的相位编码信号;针对扩展目标匹配输出能量扩散的问题,受通信中零相关码的启发,应用序列二次规划的方法,实现了在距离一维和距离-多普勒二维具有零相关区域的类零相关码设计。3.针对色噪声下的MIMO雷达波形设计问题,推导了色噪声下最优波形能量谱与色噪声功率谱密度的关系;在接收滤波器为预白化-匹配滤波器条件下,推导了使输出信噪比最大的特征向量法;以及在波形相似度约束下,使输出信噪比最大的SWORD算法;为了充分利用雷达发射机功率,提出了色噪声下基于驻定相位原理的恒模波形设计方法;最后,实现了色噪声下的MIMO雷达多波形设计。4.针对MIMO雷达发射方向图优化,给出了几种常见的优化模型和约束条件,包括发射方向图匹配设计,最小化峰值旁瓣发射方向图优化,最小化积分旁瓣发射方向图优化,并给出了将优化问题转化为凸优化的方法;针对控制主瓣内波动的发射方向图优化问题,给出了通过加权1-范数和矩阵正则化来控制主瓣波动的方法;最后讨论了控制过渡带的MIMO雷达发射方向图优化模型。