各种阵列技术研究中,因互质阵列孔径大、自由度高等诸多优势,成为当前波达方向估计领域中一个重要研究课题。互质阵列利用其少量的阵元数,并且阵元的间距不受限制,能够扩展出大量的虚拟阵元,通过虚拟阵元能够增加阵列自由度,可以有效解决信号数大于物理阵元数时的DOA估计问题。通常,在扩展出的多数虚拟阵元中,使用到的仅为连续部分的阵元,连续虚拟阵元与其他虚拟阵元之间存在“空洞”,因空洞位置缺失虚拟阵元响应造成之后的虚拟阵元不可用。为了提升虚拟阵元的利用率,本文对虚拟阵列空洞的填充展开研究。主要内容如下:(1)介绍了均匀阵列的数学模型及其两种经典的DOA估计算法。针对信号源相干的情况,研究了前后向平滑算法以及基于Toeplitz矩阵重构的ESPRIT算法。(2)分析了原始互质阵列以及改进后的二阶扩展互质阵列,并在改进后的二阶扩展互质阵列的阵列结构基础上,介绍了阵列接收数据模型及其虚拟阵列的构造原理。分析了虚拟阵列的自由度,针对单个空洞,研究了利用紧邻空洞的两个虚拟阵元的阵元响应,拟合出空洞位置的虚拟阵元响应进而填充空洞的方法。将空洞填充后,虚拟阵元的利用率得到提升,并结合SS-MUSIC算法进行DOA估计研究。通过仿真实验进行了原始阵列、改进后的二阶扩展阵列和虚拟阵列空洞填充三种方法的对比分析。(3)为进一步提升虚拟阵元利用率,提出了一种基于互补互质阵列的DOA估计方法。该方法首先确定空洞在虚拟阵列中的位置,根据空洞位置分布规律,找出位置靠后的最大连续空洞,在虚拟空洞对应的互质阵列位置,增加1个子阵列,且该子阵列并不会增加阵列整体的原始长度,增加子阵列后能够使得虚拟阵列所有空洞得到填充,使虚拟阵列的利用率达百分之百。同时,研究了基于互补互质阵列的ESPRIT算法,通过仿真实验验证互补互质阵列在自由度、角度分辨力和精度等性能的改善。