波形设计是多输入多输出(MIMO)雷达研究中的重要内容。按照天线的布置间距,MIMO雷达一般分为集中式MIMO雷达和分布式MIMO雷达。对于集中式MIMO雷达,通过波形设计能够获得期望的发射方向图,从而提高雷达对警戒空域的搜索效率、提高雷达能量和时间资源的利用率。对于分布式MIMO雷达,通过正交波形的设计能够获得空间分集的能力,从而提高对目标的探测性能和定位精度。对MIMO雷达波形设计的研究,获得了大量的波形资源,也为MIMO雷达波形的扩展应用提供了条件。另外,分布式MIMO雷达在跟踪高价值的目标时可以工作在相参发射的模式,以提高对目标的跟踪性能和识别能力。因此,本文针对MIMO雷达的发射方向图设计和正交波形设计、基于MIMO雷达波形的脉冲捷变技术以及分布式MIMO雷达的相参发射原理进行了研究。论文的主要工作概括如下:1.研究了集中式MIMO雷达的发射方向图设计方法。首先,构建了以匹配期望发射方向图和抑制空间合成信号(角域信号)的自相关峰值旁瓣电平(APSL)和峰值互相关电平(PCCL)为目标函数的波形设计准则,并在波形设计准则中采用了两种不同的期望发射方向图匹配方式。然后,将接收波束形成引入了上述发射方向图的设计过程;由于接收波束形成对角域信号互相关电平的抑制作用,在波形设计过程中能够使用更多的自由度来设计期望的发射方向图和抑制角域信号的自相关旁瓣,从而获得了更好的发射方向图匹配效果、更低的角域信号的APSL和PCCL。最后,提出了基于稀疏非均匀线阵的发射方向图设计方法,构建了发射天线阵列的阵元位置和波形同时优化的联合设计准则;该准则不但扩展了发射天线阵列的天线孔径,而且由于优化自由度的增加,获得了更好的发射方向图匹配效果以及更低的角域信号的APSL和PCCL。2.研究了分布式MIMO雷达正交波形的设计方法。为了进一步降低正交波形的APSL和PCCL,首先以最小化正交波形的APSL和PCCL为目标构建了波形设计准则,然后对设计准则进行了改写,以采用最小p范数的优化算法进行求解;数值仿真结果表明,与现有的优化算法相比,该优化算法获得了更低的APSL和PCCL。针对正交相位编码波形的多普勒敏感性问题,通过分析发现,由多普勒敏感性造成的旁瓣幅度升高问题能够通过波形设计的方法加以解决。因此,提出了低多普勒旁瓣的正交波形构造方法;首先设计了具有低多普勒旁瓣的单个相位编码波形,然后,根据该相位编码波形构造了一组低多普勒旁瓣的正交波形。3.提出了基于MIMO雷达波形的单站雷达脉冲捷变技术。首先,将MIMO雷达波形与脉冲捷变技术相结合,在随机发射机制下,推导了相参积累后距离-多普勒旁瓣的信号模型,在理论上分析了采用MIMO雷达波形时脉冲捷变技术的性能。其次,给定一组MIMO雷达波形,为了进一步降低距离-多普勒旁瓣电平,构建了发射次序的设计准则。再次,针对脉冲捷变技术,提出了针对性的波形设计方法,构建了波形和发射次序的联合设计准则;获得了更低的距离-多普勒旁瓣电平。最后,针对联合设计准则进行了改进,构建了给定发射次序时的波形设计准则,获得了更好的优化结果。4.研究了分布式MIMO雷达相参发射的原理和性能。在分布式相参发射的工作方式下,推导了分布式雷达信号发射后在空间合成信号的信号模型,定义了空间干涉能量分布函数,用于表征相参发射后不同空间位置处能量的大小,并给出了各雷达站存在相位误差情况下的空间干涉能量分布函数。根据空间能量分布函数,获得了分布式相参发射的最大干涉能量增益;进一步分析了空间干涉峰点的产生条件,并在理论上给出了空间干涉峰点的分布形状。通过数值仿真,研究了雷达站位置和个数对空间干涉峰点的形状和分布的影响。