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波达方向角(DOA:Direction of Arrival)估计即空间谱估计,是阵列信号处理技术中最为主要的一个分支,在MIMO雷达多目标定位、水下声呐探测、射电天文等领域有着十分广泛的应用。传统的DOA算法都是以均匀线阵为接收模型,它限制了阵列相邻阵元间距不超过半倍波长,也就限制了信源数要小于阵元数。随着Khatri-Rao(KR积)子空间方法的提出,它可以利用差分共性阵列(Difference-Co-Array)来进行DOA估计,解决了欠定(信源数大于阵元数)的DOA估计问题。非均匀线阵突破了均匀线阵对于半倍波长的限制,扩展了差分共性阵列的自由度(DOF)从而提高DOA估计精度。因此本文将围绕非均匀线阵的阵列结构优化展开,重点研究非均匀线阵的阵列结构、以及互耦模型下的DOA估计,其主要内容总结如下:1、提出了基于最大相邻阵元间距的非均匀线阵,该阵列在物理阵列上做了阵列结构优化设计。具有如下优势:阵元数固定的情况下,它的阵列结构是规则的,换句话说它的阵列位置集合以及自由度具有封闭表达式,同时该非均匀线阵的差分共性阵列是全连续的ULA;其次它的自由度相对于嵌套阵、互质阵,甚至是改进嵌套阵,扩展互质阵以及增强嵌套阵(ANAI-1和ANAI-2)都有一定的提升。2、研究了一种新的协方差矩阵构造方式,该协方差矩阵具有和空间平滑矩阵一样的DOA估计性能,但是该矩阵的构造简单,省略了空间平滑恢复秩的步骤,大大降低了算法复杂度。同时通过仿真验证了本文提出的非均匀线阵相对于嵌套阵、改进嵌套阵、互质阵、增强嵌套阵(ANAI-1和ANAI-2)在DOA估计上的性能优势。3、研究了互耦模型下的DOA估计。重点分析了本文提出的非均匀线阵在对抗互耦上的优势:首先是通过权重函数和嵌套阵、互质阵、超级嵌套阵进行比较,说明了它的阵列结构更为稀疏;其次是通过仿真验证了它在互耦模型下DOA估计性能都优于以上提到的非均匀线阵。4、研究了利用求和求差优化阵的DOA估计。分析了求和求差的基本原理,它提供的自由度相比差分共性阵列有一定的提升。重点分析了基于最大相邻阵元间距非均匀线阵利用求和求差在自由度提升上的优势。最后通过仿真验证了它利用求和求差进行DOA估计在性能上优于嵌套阵、互质阵等非均匀线阵。