近年来,时间调制阵列（Time modulated array,TMA）在信号处理领域备受关注。相比于传统相控阵,TMA采用射频开关而非移相器,通过对射频开关周期性调制从而实现波束形成,且采用单通道输出,配合滤波器提取谐波信号。TMA相比于相控阵具有更为简洁的硬件结构,通过设计开关时间序列便可实现方向图综合或波束形成。由于射频开关的周期性调制,TMA会产生一系列谐波波束,从而可以在不同的方向传输不同的信号,在通信或探测领域有广阔的前景。由于上述优势,TMA得到了广泛的研究。本文基于TMA,深入研究了波束形成和DOA估计技术,针对各类问题提出了一系列新方法。本文的主要内容与创新点如下:1.基于时间调制线性阵列的波束形成主要研究了时间调制线性阵列的波束形成技术,在大规模阵列的场景下优化TMA阵列设计,降低系统复杂度和成本。针对大型TMA阵列在满阵时射频支路多、系统结构复杂、成本高等问题,在满足性能要求的前提下,可以通过优化算法减少天线数目来进一步简化结构、降低成本。针对上述问题,基于时间调制稀疏阵列,提出了一种在指定旁瓣、波束宽度要求下优化阵元数目的算法。通过设计适应度函数,利用遗传算法优化开关序列,实现了基波的波束形成,并使用±1次谐波和基波实现了多波束形成。针对单边带时间调制相控阵列（STMPA）和增强型单边带时间调制相控阵列（ESTMPA）在天线数目增多时,系统复杂度提高、成本上升的问题,提出了改进结构的STMPA和ESTMPA。通过改进I/Q调制器设计,一方面增加了阵列孔径,从而提升了波束性能,另一方面简化了系统结构,降低了硬件复杂度和成本。同时,改进后的系统结构保持了较高的效率,在性能和成本之间保持了均衡。2.基于时间调制阵列的特殊波束形成及其应用基于时间调制阵列,研究了多种具有特殊形状的波束以适应不同的应用场景,并进行了应用设计。针对TMA产生的谐波能量逐级递减而导致实际工程中可使用的谐波数目较少问题,提出了基于时间调制阵列的双向波束形成算法以增加谐波波束的指向数目。通过引入时间偏移,从而实现双时间序列的同时刻扫描,产生了具有双指向的+1次谐波。通过引入基波分量,结合遗传算法,实现了三指向的波束形成,进一步扩展了指向数目。针对TMA在有限阵列口径时需要提升波束性能的问题,提出基于时间调制线性阵列的超波束形成算法。通过将阵列分为左右子阵分别进行时间调制,得到左右波束,再利用和差运算得到和差波束,最终通过和差波束得到超波束。相比于传统波束,超波束的波束宽度更窄、旁瓣更低,且无需对阵列结构进行大幅度修改,仅需要处理左右子阵的接收信号。针对汽车雷达,提出了一种基于ESTMPA的超波束形成系统,基于复杂度较低的系统结构和极小的阵列口径,即可产生具有低旁瓣的窄波束。同时,可传输信号的带宽相比于传统结构提升8倍,可进一步提升系统的分辨率。3.基于时间调制平面阵列的波束形成基于时间调制平面阵列,从理论和应用两方面提出创新。传统的时间调制阵列谐波波束形成方法对每个阵元逐个扫描,对于线性阵列而言,总调制时间并不算长,但对于平面阵列,阵元数目成倍增加会导致总调制时间成倍增长。同时,由于传统方法按顺序依次扫描阵元,因此平面阵列的效率会由于阵元数增加而大幅下降。针对上述问题,提出一种基于分块子阵的谐波波束形成方法。通过将平面阵列划分为多个子阵,同时进行扫描,从而降低总调制周期时间,提高系统效率。由于总调制时间减小,降低了对射频开关、控制器、滤波器等硬件性能的要求,进一步减小了系统的硬件成本,或在不改变系统结构的情况下可以传输带宽更大的信号。针对无线充电中的波束聚焦,基于时间调制阵列实现了近场波束形成,提出了时间调制L形阵列,并推导了其在近场的信号模型。利用自适应波束形成算法实现了基于时间调制L形阵列的近场波束形成,可在指定坐标位置实现波束聚焦效果。4.基于时间调制阵列的DOA估计重点研究时间调制阵列的DOA估计技术,从精度、自由度、测向范围等方面提出多种方法提升TMA的DOA估计性能。为进一步简化TMA阵列结构,提升其阵列自由度,将时间调制引入互质阵列,提出了时间调制互质阵列的概念,并基于时间调制互质阵列（TMCA）进一步提出时间调制扩展互质阵列（TMECA）。基于TMCA和TMECA推导了实现DOA估计的信号模型和方法,从而在阵元数目相同时,相比于时间调制线性阵列扩展了自由度,提升了DOA估计的精度;针对TMA测向范围固定的问题,提出一种基于优化谐波的方法以扩展测向角度范围。通过优化开关时间增加谐波间的角度间隔,进而扩大测向范围。针对入射角度可能正好处于TMA谐波主波束指向角度时导致测向算法误差增大问题,提出了一种新型校正方法提高测向精度。在7阵元的时间调制线性阵列中,测向范围由±59°提高到±75°,并保证了较高的测向精度;针对TMA的欠定DOA估计问题,提出了一种基于谐波高阶累积量的方法。通过将阵列的谐波信号进行高阶累积处理,从而增加了阵列的自由度,可以探测多于阵元数目的入射信号。推导了2阶、4阶、6阶的高阶累积量表达式以及协方差矩阵表达式,并进一步将其推广到2q阶。本方法基于传统的TMA结构,在低信噪比下具有良好的性能,具有低复杂度、低成本、高精度的优势。