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波达方向估计(Direction-of-Arrival,DOA)和波束形成(Beamforming,BF)历来都是阵列信号处理领域的两大研究热点内容。传统的阵列结构在进行阵列信号处理时,受物理阵元数的限制,能够处理的信号数不会超过阵元数。而在当前复杂的信号环境中,往往会出现需要处理的信号数多于阵元数的情形,即欠定性问题。因此如何利用有限的阵元尽可能的提高阵列自由度是值得人们关注和研究的问题。在现有的研究中,通过改变阵列结构,采用非均匀阵列(Non-uniform Array)能够有效的提高阵列自由度。目前研究较多的是阵列结构具有闭式解析表示的嵌套阵列和互质阵列。在该研究方向上,还存在较多值得进一步探索的问题。基于此,本文围绕嵌套阵和互质阵两类非均匀阵列结构的DOA估计和波束形成展开研究,主要工作包括如下:1.本文首先给出非均匀阵列信号接收模型,介绍了常用的三种基于协方差矩阵向量化的DOA估计方法及非均匀阵列中描述参数估计下界的克拉美罗界CRB,并对现有的非均匀阵列的扩展阵列从阵列自由度的提升和阵列耦合度的降低两个方面进行对比分析。2.鉴于目前大多数在非均匀阵列的研究过程中,都是假设入射信号是统计独立的,而实际中由于多径效应等现象的存在,相关/相干源入射是不可避免的。本文对基于四阶累积量的相干源的DOA估计方法进行了研究。该方法根据互质阵的结构特点,在互质阵中引入四阶累积量,并采用扩展空间平滑方法解相干,针对伪峰问题,采用辅助子阵的方法去伪峰,最终实现互质阵中相干信号的DOA估计问题。3.本文还研究了嵌套阵中互耦存在时的DOA估计问题,并提出了一种基于虚拟域块匹配思想的压缩感知DOA估计方法,解决了嵌套阵中存在互耦效应时未知互耦信息的情况下的DOA估计问题。4.针对目前非均匀阵列波束形成研究较少的现象,本文最后对非均匀阵列的波束形成和自适应波束形成展开了一定研究,其中针对非均匀阵列波束高旁瓣现象,提出了一种基于互质思想的分子阵布阵方法来构造非均匀阵列,阵列具有低旁瓣的波束图。