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MIMO技术在通信中已被广泛采用来克服多径效应，而受此思想启发产生的MIMO雷达仍是一个相对新颖的事物。MIMO雷达是一种采用多个发射阵元与多个接收阵元，并且具有不同于传统阵列雷达的阵元布置方式和发射信号波形的新型雷达系统。目前被广泛研究的MIMO雷达主要有两类：一类为林肯实验室的学者提出的集中式正交MIMO雷达，它与传统相控阵具有较多的共同点，可以被看作是相控阵的拓展；另一类是Eran Fishler等人提出的分布式统计MIMO雷达，它更多地吸收了通信MIMO的思想，有较大的创新性。统计MIMO雷达主要针对目标起伏引起回波闪烁，使得传统雷达性能下降的现象，使用空间分集增益替代相干增益，达到对抗目标起伏的目的。本文研究的重点是统计MIMO雷达，主要工作和贡献包括以下几个方面：(1) MIMO雷达信号模型的系统性研究本文系统地研究了相控阵雷达、正交MIMO雷达与统计MIMO雷达的信号模型，比较了它们的共性与特性。其中，重点分析了统计MIMO雷达的三种信号模型，解释了从分布式目标模型到理想点源目标模型的演化过程，阐述了空间分集增益的实现原理。并通过分析目标RCS特性对检测性能的影响，指出了相控阵雷达的局限性以及统计MIMO雷达的优势。(2)空间分集增益对检测性能贡献的研究针对统计MIMO雷达与相控阵雷达的检测性能各有占优场合的现象，本文系统地分析了空间分集增益以及相干增益对系统性能起到的贡献。在此基础上，研究了MISO、SIMO及子阵分集的MIMO雷达系统，通过理论分析及仿真实验，指出合理分配检测系统中两种增益的权重，可以有效地提高检测性能。(3)非理想因素对检测性能影响的研究本文分析了目标RCS散射系数的相关性对系统检测性能的影响，给出了RCS部分相关时的一种近似处理方法；此外，还分析了杂波相关性对检测性能的影响，指出了杂波相关性对相控阵雷达的影响大于对统计MIMO雷达的影响。(4)极化统计MIMO雷达的相关研究空间分集不是唯一可以对抗目标RCS起伏的分集技术。本文结合极化分集和空间分集技术，推导了极化统计MIMO雷达的信号模型，以及平均检测性能。此外，还对各极化方向的发射功率分配进行了优化，提出了一种线性快速寻优方法。(5)研究了恒虚警与干扰对抗情况下的稳健检测系统基于对系统稳健性的需求，本文研究了MIMO雷达CA-CFAR和OS-CFAR检测器，将雷达恒虚警检测理论引入到统计MIMO雷达模型中；还研究了在干扰对抗的环境中，以提高检测性能下限为目标的稳健检测系统的波形设计问题，利用纳什均衡的思想，寻求雷达工作在对抗性环境下的性能保证。