传统的音频和语音信号采集与处理通常采用单麦克风，往往仅能在时频域内对信号进行分析与处理。麦克风阵列方法，即采用由多个麦克风组成的阵列，还可以获得目标声场的空域信息，所以能够同时进行时域和空域的联合滤波。因而，麦克风阵列信号处理成为近年来音频与语音信号处理领域中比较活跃的重要研究方向。人们提出很多设计方法和阵列类型，大体上可划分为两类，一类是加性阵列，另外一类是差分阵列。与加性阵列相比，差分麦克风阵列具有尺寸小、频率响应不变性的特点非常适合处理类似语音这样的宽带信号，在相同麦克风数量下，可获得更高的阵列增益，近年来备受关注。　　就差分麦克风阵列的研究，目前集中在波束形成和鲁棒性设计两个方面。针对第一方面研究的主要内容基于某种阵列结构的有固定波束形成，采用不同的手段如信号延时、构建加权函数或代价函数进行设计，增强声源方向上的信号拾取；而自适应的波束形成则以自动调整阵列零陷对准噪声为目标；针对鲁棒性设计，主要侧重于提高阵列白噪声增益。　　在实际声学环境中，声源位置往往动态变化，自动调节阵列主瓣方向指向声源位置可以更好的拾取声源信号，本文以此为目标进行一阶和二阶差分麦克风阵列设计，并对阵元存在幅相误差、自噪声时的阵列性能进行分析，提出相应的优化算法，主要的创新性研究如下：　　1)针对一阶主瓣指向可调的差分麦克风阵列，研究了阵元幅相误差对阵列主瓣指向的影响，分析了主瓣指向产生偏差的原因，从确定性分析和统计分析两个方面，提出确保主瓣指向不发生翻转的设计方法。　　2)差分麦克风阵列是具有超指向性的阵列，但以阵元误差敏感性为代价，特别是在低频信号或阵元间距较小时，阵元误差将使阵列指向因子严重下降。就这个问题，本文研究了确知或随机阵元幅相误差，对一阶主瓣指向可调的阵列指向因子影响，采用区间分析的方法，提出以最大化最差指向因子为目标的设计策略，为实际麦克风阵列设计中阵元间距、阵元误差等的选择提供了参考。　　3)高阶差分麦克风阵列可以获得更高的阵列增益，可更好的对信号进行放大，抑制混响噪声。基于4阵元方形结构的一阶差分麦克风阵列，提出采用非对称的7阵元阵列结构，将产生的单极子、一阶和二阶轴向可调偶极子三种特征波束加权叠加，实现主瓣指向可调的二阶差分麦克风阵列。给出了具体的设计方法，并就阵列指向因子、白噪声增益等相关性能进行了分析。　　4)与一阶差分麦克风阵列相比，二阶差分麦克风阵列对阵元失配误差更加敏感，对阵列产生的影响也更加复杂，通过分析阵元失配误差对特征波束的影响，指出阵元幅相误差以及自噪声造成阵列主瓣指向偏差的原因，进而提出保持二阶差分麦克风阵列主瓣指向正确的设计方法。