多输入多输出(Multiple-InputMultiple-Output,MIMO)雷达利用多个发射天线同时辐射多种信号波形,多个接收天线同时接收并通过信号处理获得多通道的回波数据,是现有雷达体制里面工作模式最灵活,系统优化自由度最高的一种。随着电子科学技术的发展与各种军事需求(预警,侦查,识别,通信等)的增长,现代战场环境中的雷达通常需要集多种功能于一体,在复杂电磁环境中能保证生存且有效运转。与传统相控阵体制雷达相比,MIMO雷达的出现,为进一步提高雷达作战效能提供了可能。MIMO雷达的核心优势在于波形分集。根据发射波形是否正交,MIMO雷达可分为正交与部分相关两种模式。现有文献对正交模式的MIMO雷达讨论较多,而对更一般的部分相关模式研究相对较少;波形优化设计方面,现有算法大多计算复杂,实时性差且往往针对理想阵列流形展开研究,在实际工程应用中可能比较受限制。基于此,本文主要针对MIMO雷达部分相关波形快速优化设计,阵列误差校准以及收发稳健波束形成等方面展开研究。本文的主要工作及创新可总结如下:1.针对MIMO雷达发射波形优化问题,分别基于梯度投影法和交替方向乘子法提出了两种低计算复杂度的求解算法。在实际战场环境中,干扰与杂波背景通常快速变化,有针对性的实时设计发射波形是充分发挥MIMO雷达波形分集优势的关键。根据部分相关模式MIMO雷达的信号处理流程,基于最小化匹配均方误差准则构造代价函数,引入辅助变量将目标函数转化为关于分时刻各方位期望电平与波形矢量的函数。由于均方误差本身非负,如果交替更新上述变量能够使目标函数值单调不增,则有限次迭代后将得到该优化问题的收敛解。基于这个思路,把复杂原问题拆分为多个简单子问题,分别引入梯度投影法和交替方向乘子法进行求解,在理论上分析了两种算法的收敛条件和局部最优解的一阶必要条件。在合适的算法参数选择下,两种算法均能保证收敛。由于所提两种算法仅包含线性矩阵运算,与现有算法相比,计算复杂度显著降低。2.针对MIMO雷达收发阵列通道幅相误差校正问题,提出了一种基于杂波回波的正交子空间投影算法。在实际雷达系统中,各种非理想因素导致阵列误差不可避免,而收发阵列流形的失配会影响MIMO雷达的实际工作性能。正交模式MIMO雷达利用发射波形间的正交性,匹配滤波分离后可将不同发射信号的贡献单独分离开,形成一个孔径扩展的虚拟阵列,为同时估计收发阵列通道幅相误差提供了可能。基于收发同置MIMO雷达虚拟阵列导向矢量列空间不满秩的特性,构造与其正交的非零投影矩阵。补偿收发阵列通道幅相误差后,杂波回波与该投影矩阵正交。根据这个思路,引入辅助校准接收子阵,基于最小化杂波投影输出功率构造代价函数,利用拉格朗日乘子法可分别获得收发阵列通道幅相误差估计的闭式解。分析了该算法有效运行的必要条件与计算复杂度,与现有基于点目标回波联合估计目标角度与阵列通道幅相误差的方法相比,该算法计算量小,适用场景灵活。3.针对正交模式MIMO雷达收发阵列误差校正残余问题,提出了一种基于交替方向乘子法的稳健接收波束形成权优化设计方法。实际雷达系统中的阵列误差通常成因复杂且具有一定的时变性,自校正算法更新阵列流形后可能仍存在一定的校正残余。为了尽量减小这部分误差带来的不利影响,根据正交模式MIMO雷达的信号处理流程,分析了收发阵列流形的双边失配模型。利用先验信息将实际的收发导向矢量分别限定在一个不确定集内,根据最差条件下性能最优的思路构造代价函数。将约束条件视为优化变量的定义域,采用交替方向乘子法对该问题进行求解,分析了该算法的计算复杂度与收敛性能。此外,根据虚拟阵列流形的结构信息,通过松弛与收发分离处理,将全维综合波束形成权拆分为两个低维度的发射权矢量与接收权矢量的克罗内克积,讨论了一种基于双边迭代的稳健波束形成权优化设计方法。与全维稳健优化算法相比,进一步降低了算法计算复杂度与训练样本数的需求。4.针对部分相关模式MIMO雷达发射阵列误差校正残余问题,提出了一种基于最小化旁瓣增益的稳健发射波形优化设计方法。与正交模式MIMO雷达不同,部分相关模式MIMO雷达发射方向图不再全向覆盖,发射阵列残余误差对旁瓣尤其是零陷区间的发射增益影响较大。针对这个问题,根据先验信息将发射导向矢量误差限定在一个不确定集内,基于最差条件下性能最优的思路构造优化波形协方差矩阵的代价函数。利用S-Procedure将非凸原问题转化为半正定规划对波形协方差矩阵进行求解,并通过波形合成方法获得稳健的发射波形。分析讨论了残余误差二范数对发射零陷深度的影响,数值仿真实验验证了所提方法的有效性。