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由于电离层具有分层特性，天波超视距雷达（OTHR）信号在电离层中传播时经常发生多径传播或多模传播效应，严重影响天波OTHR对目标的检测、定位等性能。近年来研究天波OTHR的一些学者开始提出将MIMO雷达（Multi-inputMulti-output radar）技术应用到天波OTHR中，利用MIMO雷达灵活的波束形成能力，尽最大可能地消除天波OTHR中来自不同空间方位的多径、多模杂波。目前MIMO-OTHR还处于理论与实验阶段，因此本文仅从基本的雷达信号处理角度与数据处理角度对其进行了分析与研究，具体工作如下。首先对MIMO雷达中的正交发射波形集的模糊函数作了简要介绍，通过对该模糊函数进行分析得出，具有多波形的正交波形集与单波形相比，其模糊函数的最大不模糊区域将成倍缩小，这为MIMO-OTHR的波形选择提供了理论指导。由于传统OTHR受到来自不同水平或俯仰角的多径、多模杂波影响，研究了利用MIMO-OTHR的波束形成以消除这些影响：1）对于MIMO-OTHR波束形成所需要的阵列形式，阐述了MIMO-OTHR的阵列必须采用二维阵列，以消除来自任意水平方位向与俯仰角向的多径、多模杂波，同时研究了利用最小冗余线阵以提高俯仰角一维阵列的阵列孔径；2）对于发射阵列所需要的发射波形集，分析了适用于MIMO-OTHR的波形集；3）对于MIMO-OTHR波束形成所需要的信号处理方法，推导了MIMO-OTHR的信号处理基本流程，通过改变波束形成处理顺序，减少了匹配滤波次数。最后通过仿真实验，验证了利用MIMO-OTHR的波束形成可以有效地消除多径、多模杂波。对于传统OTHR中的多径量测与传播路径关联关系的不确定性带来的数据处理难度加大的问题，本文提出利用MIMO-OTHR量测中的俯仰角信息推导出量测的电离层反射虚高，以此得到目标多径量测与其传播路径的关联关系。理论分析表明，拥有了多径量测与传播路径的关联关系将大大简化OTHR数据处理的复杂度。因此本文将该推导方法应用到传统OTHR中的MPDA算法，将其改进为适用于MIMO-OTHR的IMPDA算法。最后通过对MPDA与IMPDA进行仿真对比，验证了IMPDA比MPDA计算量更小，并且二者在精度上并无明显差异。