与相控阵雷达相比,MIMO雷达能够利用波形分集获得更好的参数识别、干扰抑制以及目标检测等方面的性能,受到了国内外雷达学者的广泛关注。利用波形分集带来的优势,MIMO雷达波束形成研究内容包括发射波束形成和自适应波束形成。目前,国内外学者对MIMO雷达波束形成的研究已经取得了一些成果,然而针对不同的工作环境,仍然存在一些问题尚未解决。其中,当发射导向矢量失配时,发射方向图将会产生畸变,降低发射方向图设计算法的性能;基于先验信息的发射波束形成,如发射-接收波束形成联合优化,不仅需要考虑空域干扰或杂波的抑制,还需兼顾发射信号的距离旁瓣抑制及发射阵元的功率约束等;当工作环境存在主瓣通信干扰或非平稳干扰时,自适应波束形成算法的性能将会下降。针对上述问题,本文展开了MIMO雷达波束形成关键技术的研究,具体工作如下:1.低积分旁瓣电平的MIMO雷达稳健发射方向图设计针对发射导向矢量失配引起发射方向图设计算法性能下降的问题,研究了稳健的发射方向图设计方法。本文方法采用最小化积分旁瓣电平作为优化准则,同时根据导向矢量误差对主瓣区域的辐射功率进行约束。首先,给出一种基于发射波形协方差矩阵的稳健发射方向图设计方法。该方法利用协方差矩阵为Hermitian半定矩阵这一特性,将优化问题转换成二阶锥规划（Second-Order Cone Programming,SOCP）问题进行求解。然后,结合发射波束域处理（Transmit Beamspace Processing,TBP）的思想,提出一种基于发射加权矩阵的稳健发射方向图设计方法。通过TBP,MIMO雷达在各发射阵元处对一组正交波形进行线性加权求和获得相干处理增益,可将发射波束形成与波形设计分离。由于所得优化问题为非凸的优化问题,本文通过基于半定松弛和线性化的算法将其转化成两个分别基于半定规划和SOCP的子优化问题进行求解。仿真结果表明,针对导向矢量失配的情况,两种方法均能有效地设计最差情况下的发射方向图,且所得最差情况下的积分旁瓣电平低于非稳健的方法。2.干扰背景下MIMO雷达发射-接收波束形成联合优化在已知目标和干扰的方位、散射系数等先验信息的情况下,MIMO雷达可通过发射-接收波束形成联合优化,提高系统的检测性能。首先,针对目标方位先验信息不精确的情况,提出一种改进的基于波形设计的MIMO雷达发射-接收波束形成联合优化方法。在考虑发射波形恒模约束和相似性约束的情况下,该方法以最大化最差情况下的输出信干噪比（Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio,SINR）为准则设计目标函数,并给出一种基于半定松弛的连续优化算法求解发射波形和空域滤波器。仿真实验表明,该方法可以有效地提高最差情况下的系统输出SINR,且通过调整相似性约束可以权衡最差情况下的发射相干处理增益和波形的脉压性能。其次,结合TBP技术,提出一种基于发射加权矩阵设计的MIMO雷达发射-接收波束形成联合优化方法。在考虑各发射阵元峰均功率比的情况下,该方法以最大SINR为准则构建目标函数,并给出一种基于准牛顿法的连续优化算法求解发射加权矩阵。优化所得发射加权矩阵可以自适应地将辐射能量集中在目标方向,能够有效地提高系统的输出SINR,其性能优于传统的相控阵雷达和全向MIMO雷达。3.频谱共享环境中针对主瓣干扰抑制的MIMO雷达波束形成针对频谱共享环境中的主瓣通信干扰抑制问题,提出一种基于发射波形初相预处理的MIMO雷达波束形成方法。为抑制主瓣干扰,该方法利用最小方差无失真响应波束形成器对匹配滤波后的数据进行空域滤波,并以最大SINR为准则构建目标函数优化发射波形初相。由于所得优化问题为恒模二次规划问题,本文给出了三种分别基于半定松弛、类幂迭代法和相位域变尺度法的算法进行求解。仿真结果表明,通过发射波形初相预处理可以有效地抑制来自主瓣区域内的通信干扰,提高系统的输出SINR。4.针对非平稳干扰抑制的MIMO雷达稳健波束形成针对非平稳干扰的抑制问题,研究了MIMO雷达稳健的直接数据域波束形成算法。直接数据域波束形成是单快拍的波束形成方法,在导向矢量存在误差时,会产生目标自相消及方向图旁瓣电平较高等问题。为解决上述问题,本文提出一种基于范数约束的最差性能最优化算法。该算法在最差性能最优化算法基础上增加加权矢量的范数约束,能够在解决目标自相消的同时降低方向图旁瓣电平。由于空时自适应处理与自适应波束形成具有相似的问题表达式,本文还将上述算法拓展到MIMO雷达直接数据域空时自适应处理。