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MIMO雷达作为近年来一种新兴的雷达体制,在目标检测、参数估计、目标定位和跟踪等方面,较传统的相控阵雷达和多基地雷达有较大的优势。本文围绕着MIMO雷达系统中的正交波形设计、检测和接收处理以及目标的定位和跟踪问题展开了研究,涉及到混沌理论、跳频技术、超宽带信号、空时编码、小波变换、压缩感知以及粒子滤波等技术。论文开展的主要工作和研究成果有：(1)根据MIMO雷达波形正交性的要求,在研究基于OFDM-LFM的雷达正交波形设计方法的基础上,重点研究了基于混沌理论的MIMO雷达波形设计方法,提出了混沌多元码序列调频正交波形设计新方法,通过仿真验证了波形良好的相关特性及距离和速度分辨能力。结合空时编码(STBC)原理,设计了基于混沌理论和超宽带STBC的混沌-STBC MIMO雷达波形,分析了该类信号对复杂目标的分辨能力,并推导了Neyman-Pearson准则下的检测性能,仿真表明所提出超宽带信号的优异性能。(2)根据MIMO雷达接收信号的特点,首先研究了基于小波变换理论的MIMO雷达去噪方法,LFM和混沌跳频信号实例仿真结果表明雷达检测性能得到了提高；接着,着重研究了基于粒子滤波的MIMO雷达正交混沌信号的分离技术,研究表明在匹配滤波(MF)之前进行混沌信号的分离,能够实现去噪和去互相关的作用,比直接使用匹配滤波具有更好的滤波输出效果,从而提高了目标检测和分辨的能力。(3)基于降低MIMO雷达信号处理复杂性的考虑,研究了压缩感知理论在MIMO雷达信号处理和天线稀疏布阵方法中的应用。使用匹配追踪(MP)和正交匹配追踪算法(OMP)对所设计混沌信号进行了稀疏分解和重构；结合稀疏布阵MIMO雷达波束形成技术,将随机布阵和均匀线阵进行了仿真对比,对相参、非相参MIMO雷达的目标分辨性能进行了研究,通过对均匀布阵与随机布阵、相参与非相参系统的相关系数的分析和仿真,验证了随机布阵的优越性及可以通过设计低相关系数感知矩阵提高目标分辨能力的结论；结合OMP算法,针对单基地MIMO雷达的波达角(DOA)和双基地MIMO雷达波达角和波离角(DOA-DOD)的联合估计问题,也结合了不同的布阵形式,和传统算法进行仿真和对比,降低了数据处理量。(4)针对MIMO雷达跟踪与定位要求,推导了非相参MIMO雷达的最小CRLB,及变数目多目标跟踪的模型,提出了基于Rao-Blackwellized粒子滤波的MIMO多目标跟踪算法。该方法能够有效地应用于MIMO雷达中,实现目标的动态跟踪,达到较好的跟踪精度；同时,提出了将分布式MIMO雷达和共址MIMO相结合的MISO雷达GMTI跟踪方案,并对地面机动目标进行跟踪,设计了IMM-PF的改进算法,并深入地进行了探讨。(5)在相控阵雷达的基础上进行改进,设计了相控阵MIMO雷达的系统方案,在性能与复杂性方面不失为一种折中方案；在单发单收雷达的基础上,基于时分复用技术用单基地或双基地雷达模拟多发多收,以达到MIMO雷达的效果,这将大大降低系统的成本。并对MIMO雷达的发展趋势及应用进行了展望。