雷达信号处理中,雷达目标参数估计是雷达目标探测的重要任务之一。传统的多普勒频率估计,雷达分辨力是由相干积累时间决定的,较长的相干积累时间可以获得较高的分辨力,但受雷达系统工作模式、目标自身特性以及电磁传播环境等限制,相干积累时间有限。因此,在有限相干积累时间下快速获取目标信号多普勒频率的高精度估计时,经典方法遇到了瓶颈。稀疏表示理论的出现为解决这一问题带来了新的曙光。本文主要研究了稀疏表示理论在雷达目标参数估计方面的应用,由于基本原理相同,本文主要以多普勒频率估计为例进行了研究。首先,介绍了信号稀疏表示的基本理论;其次,建立了信号多普勒频率估计的稀疏模型,并通过经典的贪婪类迭代重构算法进行频率估计,获得了较高的分辨力;最后,在前述研究的基础上,针对天波超视距雷达回波的多径效应,提出了一种基于稀疏表示的海杂波一阶峰匹配算法,改善了天波超视距雷达在强杂波背景下对海面舰船目标的检测性能。本文利用雷达信号通常在多普勒频域具有稀疏性的特点,在短相干积累时间下基于系统的先验信息对观测目标场景进行稀疏建模,在系统建模的基础上,对目标回波信号模型进行了推导。针对稀疏度先验信息已知的回波模型,本文利用了正交匹配追踪算法以及减少了迭代次数的正则化正交匹配追踪算法对目标的多普勒频率进行估计,通过仿真实验可以得出,其精度要比传统的傅里叶分析法方法高。对稀疏度先验信息未知的回波模型,本文利用了稀疏度自适应的匹配追踪算法对目标的多普勒频率进行估计,该算法通过自适应的调整迭代步长来逐渐对信号的稀疏度进行估计。在短相干积累条件下,天波超视距雷达舰船目标检测中海杂波的遮蔽问题,工程上的解决方法主要是海杂波循环对消法和高分辨谱估计法。本文分别使用Root法,FFT相位分析法和CAPES方法进行海杂波循环对消,实现了海杂波的抑制。当雷达回波信号经过电离层发生多径效应时,一个距离单元内的多普勒谱中会出现多对Bragg峰,传统的海杂波循环对消和高分辨谱估计法均无法将目标和多个海杂波一阶谱峰区分开来。针对上述问题,本文开展了一种基于稀疏表示的海杂波一阶峰匹配算法的研究,该方法利用同一传播模式下的正负一阶峰多普勒频率差恒定的特性对海杂波一阶谱峰配对从而区分舰船目标和海杂波一阶谱峰,实现舰船目标的检测,通过实验仿真分别验证了算法的有效性。