空间谱估计技术通过天线阵列对空间信号进行接收处理,根据信号的能量分布获取信号的波达方向(Direction of Arrival,DOA)。天线阵列的自由度(Degrees of Freedom,DOF)对信号的参数可识别性能以及角度估计精度有着决定性的影响。传统的均匀线阵只能提供与阵列系统中阵元数量相同的自由度,这样在信号源数量多于阵元数量的情形(欠定情形)下便不能有效进行波达方向估计,这个问题在二维阵列系统角度估计中同样存在。差分合成阵列可以提供比实际阵列多得多的虚拟阵元来提高阵列系统的自由度,鉴于此,本文以差分合成阵列为基础来解决欠定情形下发射方向(Direction of Departure,DOD)和波达方向相结合的二维阵列系统角度估计问题。本论文的研究工作主要涉及两个层面:(1)从阵列结构的设计层面出发,提出一种名为级联阵列的新型阵列结构,此阵列结构是由均匀线阵和非均匀线阵连接所构成,并给出了级联阵列的精确数学定义。总结出级联阵列及其差分合成阵列所具有的性质,即级联阵列可以在固定数量的阵元情况下提供比现有阵列结构更多的自由度且不会出现孔洞。将此阵列结构应用于正常和欠定情形下的角度估计中来验证其性能,实验仿真结果表明,所设计的级联阵列因为能获得更多的自由度,从而提高了阵列系统的参数可识别性以及角度估计精度。(2)从算法研究层面出发,针对传统二维阵列系统角度估计算法运算复杂度高,计算量大的问题,提出了一种基于加权子空间拟合技术的DOD-DOA角度估计算法。该算法通过对二维联合阵列流形零空间的正交投影进行参数化,从而将二维加权子空间拟合的优化问题转化为一维问题,并通过自动配对的方式估计出目标的角度信息。最后的实验仿真结果表明,将所提出的算法与级联阵列配置起来,相比于传统的旋转不变子空间等算法与现存的阵列结构配置起来,具有更高的估计精度,且计算复杂度较低。因此,本文以差分合成阵列为根基,从阵列结构设计和算法研究两个层面出发,有效解决了欠定情形下二维阵列系统的目标方位估计问题。