多输入多输出（MIMO）雷达系统具有多个独立发射天线和多个独立接收天线。分置天线MIMO雷达各收发天线以较大间隔分开放置可形成多个独立收发通道。共置天线MIMO雷达各发射天线可发射不同波形。　　天波超视距（OTH）雷达系统已经成为空中海面早期预警的重要手段之一。OTH雷达发射信号可通过电离层反射、克服地球曲线影响、检测并跟踪数千公里以外的目标。随着对 MIMO雷达研究的逐步深入，MIMO雷达技术的优势正被引入到OTH雷达中。本文将采用MIMO技术的OTH雷达系统称为MIMO-OTH雷达。　　针对 MIMO雷达目标检测和波形设计以及在 MIMO-OTH雷达系统中的应用，本文的主要贡献及工作包含以下几个方面：　　(1)非高斯杂波下分置天线MIMO雷达的动目标检测研究　　目前关于分置天线 MIMO雷达的目标检测理论，多是假定杂波服从高斯分布，但在实际情况中，杂波往往呈现非高斯特性。文中首先给出了几种在高斯杂波模型下推导的检测器，然后构造了服从Log-Nomal（LN）分布的非高斯杂波模型，分别针对高斯杂波和非高斯杂波模型，对分置天线 MIMO雷达和相控阵雷达进行了系统性能仿真，并在非高斯杂波模型下，对不同目标速度下各雷达系统的检测器性能进行了比较，最终通过对比得到了在非高斯杂波背景下MIMO雷达性能的结论，这些结论具有工程参考价值。　　(2)基于压缩感知（CS）的分置天线MIMO雷达动目标检测　　文中研究了基于 CS的MIMO雷达动目标检测问题。在传统集中式 MIMO雷达信号处理中，需要对二维目标速度做搜索，从而产生巨大运算量，本文提出了将CS技术用于MIMO雷达动目标检测，从而大幅度降低运算量。推导了CS MIMO雷达动目标检测器。仿真实验中定量分析了采用CS技术所降低的计算量，同时对比了CS MIMO雷达和传统集中式MIMO雷达的动目标检测性能。　　(3) MIMO雷达发射方向图与波形设计　　研究共置天线MIMO雷达发射方向图与波形设计问题。本文提出了将各发射波形构造为一组具有正交特性的离散长球（DPS）序列的加权求和。不同发射波形采用同一组DPS序列和不同权值系数，因此可通过调节各发射波形的权值系数灵活改变各发射波形间的相关性。在总能量一定的约束条件下设计发射波形来拟合期望发射方向图。不同于传统两步设计过程：先设计波形协方差矩阵，再根据所设计的协方差矩阵综合出优化波形，本文利用DPS产生原理，提出了一种新的MIMO雷达发射方向图和波形设计方法，仅需一步便可直接设计发射方向图和波形，仿真验证了本文所提出方法的有效性。　　(4)认知MIMO雷达LFM波形设计　　根据感知的目标和杂波加噪声的统计特性，本文提出了不同发射天线发射的线性调频（LFM）波形可具有不同的起始频率和带宽，通过最大化认知 MIMO雷达系统接收端信杂噪比（SCNR），在可利用频率范围和发射总能量一定的约束条件下，优化设计起始频率和带宽等LFM波形参数，得到MIMO雷达波形。仿真实验表明，设计出的优化 LFM波形是一组非正交波形，且其带来的性能优于传统MIMO雷达中常用的频率扩展（FS）LFM波形所带来的性能。　　(5)发射分置接收共置MIMO-OTH雷达波形设计　　针对发射分置接收共置MIMO-OTH雷达系统研究了波形设计问题。考虑到MIMO-OTH雷达的可利用频率通常因传播特性被限制在某一小段频段内，采用具有良好带限特性的DPS序列，通过对其加权求和来构造发射波形。在发射总能量一定的约束下，以最大化MIMO-OTH雷达系统目标检测概率为优化准则，设计出MIMO雷达波形（优化波形既可以是正交的也可以是非正交的）。仿真给出了不同发射天线数下优化波形对应的检测性能。　　(6)分置天线MIMO-OTH雷达波形设计　　研究了分置天线 MIMO-OTH雷达下的波形设计问题。采用复合准抛物线（MQP）电离层模型描述电离层特性，并利用MQP模型计算各收发路径对应的时延和目标多普勒频率。在动目标场景下，以最大化分置天线MIMO-OTH雷达检测概率为优化准则，设计MIMO雷达波形。在更一般情况下分析了MIMO-OTH优化波形的检测性能，并分析优化波形在发射天线间的能量分配。