传统的海面成像雷达难以满足以水面无人艇为代表的小型水面无人平台的观测需要,而MIMO雷达作为一种具备高分辨成像能力的新体制雷达,可以为水面无人艇提供一种新的海面观测手段。本文从MIMO雷达海面场景成像研究入手,在毫米波MIMO雷达的基础上设计并实现了小型化高精度海面成像雷达系统,通过仿真分析和成像实验验证了雷达的成像性能。首先,对MIMO雷达的海面场景成像展开了研究,利用线性海浪理论和二维海浪谱模型成功模拟了随机海面,并且利用Bragg散射模型、双尺度散射模型和阴影调制函数构建随机海面的后向散射系数分布模型,在此基础上采用MIMO雷达成像算法对不同频段和海况条件下的随机海面进行成像仿真,仿真结果表明MIMO雷达的成像结果具有和随机海面相似的几何特征,而且毫米波MIMO雷达的成像结果可以比X波段船舶导航雷达保留更多海面特征。然后,研究了MIMO雷达的波束形成成像算法,分析了MIMO雷达成像精度与发射信号调制方式以及等效天线阵列孔径之间的关系,针对成像算法中存在的频谱误差问题,提出了一种基于ap FFT的频率估计算法,削弱了信号在周期延拓时产生的波形失真从而抑制了由频谱泄露引发的干扰分量,同时利用三点频率偏差估计器对由栅栏效应造成的频率偏差进行校正,将所提频率估计算法带入波束形成算法中,有效消除了MIMO雷达成像结果中存在的伪影现象,提高了MIMO雷达的成像精度。最后,设计并实现了小型化高精度海面成像雷达系统。在硬件平台中,通过级联方式连通两片雷达射频前端模块,从而扩大了海面成像雷达的等效天线阵列,提高了雷达的方位角分辨力,并且加入了低功耗控制器控制硬件平台中各个模块有序工作。在软件算法方面,以硬件平台为基础设计了雷达系统的软件客户端,通过各软件层级之间相互配合实现了海面成像雷达系统的正常运行,能够使用上位机调整雷达系统参数和显示雷达系统成像结果。成像实验验证了小型化高精度海面成像雷达系统的成像性能。