波形设计是MIMO雷达研究领域的一个关键问题,波形设计的好坏直接影响其性能。根据MIMO雷达所承担任务的不同,通过设计有针对性的MIMO波形能够提高雷达性能。因此,研究MIMO雷达波形设计相关的理论与算法具有重要意义及应用价值。同时,作为雷达研究领域的新热点,认知雷达因其特有的“接收到发射”的闭环结构,使得认知雷达具有更大的提高雷达性能的潜力。而波形设计是凸显雷达系统“认知”特性的一个必不可少的环节,当前,怎样设计波形提高认知雷达抑制干扰的能力也受到越来越多的学者的关注。针对MIMO雷达正交相位编码信号设计问题,遗传算法和模拟退火算法是提高自相关和互相关性能常用的优化设计方法,但是不同的应用背景对波形设计提出了针对性的要求。本文在保证低自相关旁瓣峰值和低互相关峰值的基础上,围绕波形还必须满足严格正交性以及具有零相关区域两种具体情况开展研究。目前,认知雷达波形的研究成果主要集中在任意波形,由于这些任意波形的包络不是恒定的,因此无法充分利用雷达发射机的效率。针对这一问题,本文以提高雷达性能(如目标检测概率)为设计目标,对认知雷达恒包络波形设计开展研究。本文主要针对MIMO雷达正交相位编码设计和认知雷达恒包络波形设计的一些关键技术问题进行研究,取得了一些有益的结论和成果。本文主要研究工作和创新点如下:1.提出了一种基于Hadamard矩阵的正交二相码优化设计方法。利用Hadamard矩阵的正交特性,设计的相位编码信号不但具有较低的自相关旁瓣峰值和互相关峰值,并且两两信号间还具有严格正交性,有利于改善雷达的目标测量精度和杂波对消效果。该方法仅需要较小的计算机存储空间就能够优化出较长的相位编码。因此,可以用于雷达超长相位编码序列的设计中。2.研究了基于序列二次规划(SQP)算法的类零相关正交相位编码优化设计方法。针对MIMO雷达目标检测性能是由收发波束形成后输出的综合脉压旁瓣水平直接决定这一问题,将发射信号的和(简称“和信号”)的模糊函数旁瓣特性引入目标函数中,利用该方法设计得到的相位编码在零相关区域不但具有超低的自相关旁瓣峰值和互相关峰值,并且和信号的模糊函数还具有高主副比和优良的多普勒容忍性。3.研究了波形旁瓣影响下的机载MIMO雷达杂波特性。对波形旁瓣影响下的机载MIMO雷达杂波回波进行建模,并且理论分析和公式推导了正交波形的自相关旁瓣和互相关对机载MIMO雷达杂波秩的影响。在机载MIMO雷达的应用背景下,得到了发射波形的自相关旁瓣和互相关会使得杂波秩明显增大的结论。4.针对认知雷达波形设计问题,分别以最大化信号匹配滤波器输出端信噪比(SNR)和信杂噪比(SCNR)为设计准则,研究了色噪声下和杂波下的恒包络波形设计方法。该方法以待优化信号的能量谱密度(ESD)在最小均方误差意义下逼近最优的ESD为目标函数,采用SQP算法进行相位编码信号的优化设计。与传统发射信号如线性调频信号(LFM)相比,利用该方法设计得到的相位编码信号能够有效提高输出的SNR或SCNR。特别地,针对色噪声下的波形设计问题,还研究了一种恒包络MIMO波形设计方法。该方法利用了MIMO雷达具有多发射自由度的特性,进一步提高了输出的SNR。5.提出了阵元位置误差影响下的认知发射方向图设计方法。当阵列流形存在误差时,利用该方法设计的方向图在目标方位具有最大发射增益,同时在一个或多个干扰方向上置零,达到抑制干扰的效果。在此基础上,还研究了认知空时发射方向图设计方法。与传统发射方向图相比,认知空时发射方向图能显著提高输出的SCNR,并且能有效减小回波中杂波能量,降低对接收机动态范围的要求以及简化接收端的信号处理结构。