波达方向估计(Direction-of-Arrival,DOA)是阵列信号处理的重要分支。由于波束方向图栅瓣会造成峰值响应模糊的问题,因此传统的阵列结构阵元间距设计一般不大于半波长。而波达方向估计的分辨率通常受到阵列孔径的影响。并且,由于受到物理阵元数的限制,阵列能够同时处理的信号源数少于阵元数。而在实际的复杂电磁环境下,往往会有信号源数大于阵元数的情况,即欠定问题。因此,如何利用有限的阵元数尽可能地增大阵列孔径、提高阵列自由度,以提高分辨率和处理更多的信号源,是一个值得深入研究的问题。目前对这方面的研究主要分为两个分支,一个是对阵列结构设计的研究,主要研究非标准线阵的布阵问题;另一个就是对稀疏阵列波达方向估计算法方面的研究。本文针对上述问题,主要内容有:(1)首先,研究了多种稀疏阵列的布阵形式,然后对不同的稀疏阵列进行了分析,并对各自的方向图做了比较分析,验证了稀疏阵列相比于均匀阵列的优势。(2)研究了针对稀疏阵列的DOA估计算法。首先针对MUSIC算法无法直接应用到稀疏阵列中的问题,介绍了基于协方差矩阵向量化的MUSIC改进算法,首先对接收到的阵列协方差矩阵进行向量化排序,以重构采样协方差矩阵,从而增大虚拟阵列的孔径,之后利用空间平滑算法进行秩恢复,最后使用MUSIC算法对DOA进行估计。针对基于稀疏表示类的DOA估计算法,将DOA估计问题看作是线谱估计问题,使用原子范数概念将协方差矩阵拟合问题转化为凸优化问题,利用数据协方差矩阵的性质对其进行重构,从而得到高精度的DOA估计。针对互质阵列的虚拟阵列有孔的存在而导致信息浪费的问题,提出了改进的Toeplitz矩阵填充的DOA估计算法,首先对采样协方差矩阵利用协方差拟合算法进行优化得到数据协方差矩阵,然后利用矩阵填充算法填充虚拟阵列的孔信息,得到完整的协方差矩阵后进行DOA估计,由于虚拟阵列可利用的孔径增加,从而提高了阵列估计性能。(3)针对稀疏阵列设计问题,提出了一种新的基于最小冗余阵列的改进阵列,解决了最小冗余阵列无解析表达式导致设计困难的问题,同时又增大了虚拟阵列的孔径,提高了估计性能。(4)针对分布式阵列,设计了分布式最小冗余阵列结构,并利用双尺度ESPRIT算法进行波达方向的精确估计,通过仿真实验验证了该阵列结构的优越性。最后,对上述提出的算法以及阵列结构等进行了仿真,验证了改进算法以及阵列的有效性,体现了稀疏阵列的优势。