本发明公开了一种基于空时相位编码的相干MIMO雷达发射波形设计方法，其实现过程是：首先对第一个子脉冲的空域发射波束进行优化，使得在目标方向形成主波束的同时在干扰方向形成较深的零陷，随机产生初始相位，并采用模拟退火算法对相位进行优化，得到第一个子脉冲最终的发射波形；然后进行空时二维的相位编码波形设计，采用空时相位优化算法对剩余的子脉冲进行空时编码、优化，求解最终的空时相位编码波形矩阵。本发明能够在MIMO雷达发射波束设计的过程中在目标方向形成主波束和在干扰方向形成零陷，同时在目标和干扰方向合成的等效信号均具有在不同子脉冲恒包络的特性，可用于提高雷达的目标检测性能及通信性能。