水下波达方向(Direction of Arrival,DOA)估计作为阵列信号处理的一大重要研究领域,广泛应用于海洋勘探、水下声呐系统等。DOA估计算法利用接收阵列接收信号间的波程差来估计空间信号的方位信息,而波程差与声波的传播速度有关,所使用波速的精度将直接影响波程差的精度,因而波速对DOA算法的估计精度有很大的影响。江河海洋等水下环境是极其复杂而不稳定的,声波传播速度随位置和时间不断变化,也即水下DOA面对的是变声速的环境,波速使用不精确往往会导致DOA估计不精确,因此消除波速这一因子对水下DOA估计精度的影响显得尤为必要。因此本文研究了一种波速无关的DOA估计算法,尤以二维水下DOA估计为主。具体内容概括如下:1.介绍了一维和二维DOA估计的常用阵列和数学模型,并介绍了相干信号的数学模型以及DOA估计的性能指标。2.介绍了基于ESPRIT算法的一维和二维DOA估计的原理,并分析了变声速环境下,波速使用不精确对二维ESPRIT算法的影响,并给出相关的仿真实验验证。3.针对变声速环境对水下二维DOA估计精度影响的问题,提出了一种适用于变声速环境下基于双L型阵列的改进二维ESPRIT算法,该算法充分利用双L型阵列的立体几何关系,消除波速因子对DOA估计性能的影响,同时给出了一种简易的的参数配对方法,仿真实验验证,在变声速环境下,本文改进算法比常规二维ESPRIT估计算法性能更优越。4.针对相干信号,常规的空间平滑二维ESPRIT算法,能很好地解决相干信号干扰,同时针对变声速环境,提出空间平滑-改进二维ESPRIT算法,该算法既能解相干又能克服变声速环境的影响,最后通过仿真实验验证了该改进算法的可行性。