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21世纪初以来,多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)雷达以其多分集、多自由度等优势成为雷达领域的研究热点。MIMO雷达虚拟孔径技术为提高雷达的角度分辨率提供了一种可行的理论方案。然而,研究表明虚拟孔径技术假设的发射波形在任意时延–Doppler处完全正交是无法实现的。为了获得波形之间更好的正交性,国内外学者致力于设计具有更低互相关或者互模糊电平的波形。在波形设计中,主流的雷达系统应用背景为微波相控阵雷达,所设计的波形往往不能直接应用于其它雷达,例如,高频地波雷达(High Frequency Surface Wave Radar,HFSWR)。工作于高频频段(3～30 MHz)的HFSWR是海面船只目标和海态参数超视距探测的主要手段之一,但其较窄的带宽和较大的动态范围对正交波形设计提出了较大的挑战。因此,以HFSWR为应用背景的正交波形设计将有利于丰富MIMO雷达正交波形体系,同时有利于提高HFSWR的测角甚至定位性能,促进HFSWR的推广应用。本文以多重分集为切入点,在波形体制设计、波形设计方法和性能分析等方面开展了若干研究,这些研究以HFSWR为背景,但其方法、思路和结果也可应用于其它雷达系统。具体如下:第一,多重分集波形体制的设计。分集是波形之间正交的根源,目前主流的正交波形设计皆是基于频率分集、相位分集、时间分集、调频分集或极化分集等。然而,这些设计存在的一个共性问题是几乎都是单分集波形,即波形在设计过程中只能利用单个分集所提供的自由度。基于“高自由度有利于提高波形正交性”的想法,本文提出了采用多重分集联合进行正交波形设计的思路。联合相位分集和频率分集设计了离散频率相位编码波形(Discrete Frequency Phase Coding Waveform,DFPCW)和连续相位频率编码脉冲串波形(continuous-Phase Frequency-coding Pulsetrain Waveform,PFPW),联合频率分集和调频分集设计了离散频率调频斜率编码波形(Discrete Frequency Chirp-rate Coding Waveform,DFCCW)。同时,本文理论证明了相较于单纯的频率分集波形,采用频率和调频多重分集的DFCCW能够达到更低的互相关电平。第二,基于波形特性的波形设计过程简化方法。一般正交波形设计的流程是提出一种新的波形体制(或用已有波形体制)、推导其模糊度函数、设定指标函数、设计优化算法求解最优化问题。对于给定波形体制,波形性能的优劣基本依靠优化算法的直接求解结果。本文在设计PFPW的过程中发现了该波形具有的若干特性,给出了该波形模糊度函数的四个性质。利用性质3.1可以实现所设计的多个PFPW波形具有完全相同的自相关特性,因此可以简化波形设计的指标函数或减少最优化问题的约束条件,使得PFPW设计可以表示为一种特殊的线性约束比式和规划问题。为解决该问题,本文提出了分子分母循环优化(Numerator Denominator Cyclic,NDC)算法。如果PFPW波形的频率和相位排布规律满足性质3.2～3.4的前提条件,本文理论证明了此种情况下波形之间存在互模糊零陷区域,且此区域是可以通过控制相位编码实现在Doppler轴上的平移。基于此,提出了连续相位步进频率脉冲串波形(continuous-Phase Stepped-frequency Pulse-train Waveform,PSPW)及其简化的设计方法。第三,基于多指标优化算法的波形设计思路。MIMO雷达正交波形设计甚至传统的波形设计在本质上是同时包含多指标的,例如窄自相关主瓣、低峰值旁瓣以及低互相关峰值等。传统的方式是对各指标进行加权求和,将多个指标函数转化为单个指标函数并利用单指标优化算法进行求解。该方式要求权值的设定有一定的先验知识,或者选择多组权值分别进行优化,不利于对波形各项性能的理解及工程应用。本文引入帕累托最优的概念和多指标优化算法,对不同波形所能达到的指标进行非支配排序,然后利用提出的非支配排序差分进化遗传算法(Nondominated Sorting Genetic Algorithm with Differential Evolution,NSGA/DE)进行优化,得到一组在帕累托意义下最优的DFCCW。通过该组波形可以清晰的认知波形各指标所能达到的量级以及不同指标之间的矛盾关系,工程上可以根据实际需求在此组波形中选择合适的波形。最后,MIMO HFSWR目标定位性能的分析。本文所设计的波形虽然能达到较好的正交性,但在实际系统中应用效果仍然需要分析。在此,以MIMO雷达模糊度函数为工具,分析了单站/船载收发共址和双站情景下MIMO HFSWR目标的定位性能。结果表明,在收发共址情况下MIMO HFSWR能够实现虚拟孔径,显著提高目标的测向分辨率;在双站情况下,MIMO HFSWR会存在一定的栅瓣,但目标的定位分辨率优于收发共址情况。基于实测数据,验证了所设计的PSPW能够满足系统的正交性要求,且应用MIMO虚拟孔径技术后可以显著提高系统的测角精度。