提取作入射到传感器阵列上的信号源的位置，即为达波方向（DOA）的估计。DOA估计适用无线通信、雷达、射电天文学、声纳、导航、多目标追踪及其他工程应用。电磁矢量传感器阵列相较于标量传感器阵列具有获得更好的系统性能、更高的抗角度模糊能力、对模型误差的鲁棒性更高，还有极化多址能力，这让电磁矢量传感器阵列在通信，信息战等中都获得更多关注。四元数作为一种超复数结构，可以获得更准确的矢量传感器阵列模型。为此,基于电磁矢量传感器阵列，并且结合四元数理论，本文研究了基于四元数的极化-DOA估计算法，归纳如下：首先概述相关的矩阵代数基础，并详细介绍了四元数及四元数矩阵理论，通过对四元数向量的正交性进行分析，得到在四元数域内建模性能优异的理论依据。通过分析复数域内的电磁矢量传感器阵列模型及相应的长矢量MUSIC算法（V-MUSIC），得出复数域内建模只是对电磁矢量传感器内部分量的线性堆砌，并不能精确表征电磁矢量传感器内部的矢量关系。而后在四元数域内对电磁矢量传感器阵列进行建模，介绍了基于四元数的极化-DOA算法（DR-MUSIC），并通过对四元数结构的内部分析，提取出包含有效信息的成份，从而提出了半四元数算法（HQ-MUSIC）。接着从时间和空间两方面入手，分别着手于协方差矩阵以及谱峰搜索过程分析了三个算法的复杂度，并讨论了当电磁矢量传感器内部噪声分量为相关噪声时，基于四元数算法的鲁棒性。结果证明基于四元数的两种算法复杂度要优于长矢量算法。通过仿真验证算法性能。最后考虑相干场景，首先分析了基于四元数的空间平滑算法（QSSA）。四元数建模主要是针对极化域导向矢量，本文解决了在四元数域内建模会使极化域导向矢量数量减半这一问题，通过构造新的极化导向矢量了提出了适用于二分量电磁矢量传感器的基于四元数的极化域平滑算法（QPSA），通过将阵列划分为极化子阵提出了完整六维电磁矢量传感器的基于四元数的极化域平滑算法。通过仿真验证算法性能。