波达方向(Direction of Arrival,DOA)估计在雷达探测和水下目标定位等领域有着广泛的应用,随着人类在海洋的开发勘探活动日益频繁,水下DOA估计发挥着愈发关键的作用。水声信号往往处于比较恶劣的信噪比环境,为了保证估计精度而增加声传感器阵元则会带来硬件成本的上升,如何在给定阵元数量的前下高水下DOA估计精度是一个需要研究的问题。另外,水下DOA估计普遍选择声波为信号载波,声波传播速度受到多种因素影响而不断变化,声速误差会使常规DOA估计算法的性能下降,成为水下DOA估计一个不可忽略的重要问题。现有窄带信号声速无关算法通过增加一条阵列,并依靠两条阵列的角度关系实现声速误差的消除,但消除声速所执行的声速搜索过程增加了计算复杂度,且估计精度会受到搜索步长影响。相较于窄带信号,宽带信号通常包含更多信源角度特征信息,因此宽带信号DOA估计受到更大程度的关注。本文结合宽带信号模型,分别针对水下DOA估计精度问题和水下声速无关DOA估计问题进行研究,主要工作如下1.介绍了水声DOA估计理论基础,包括窄带和宽带信号模型、相干信源模型和解相干技术、水声声速理论和DOA估计性能指标;对现有宽带信号水下DOA估计算法即ISSM-MUSIC算法、TOPS算法、RSS算法、TCT算法和一致性聚焦算法进行了介绍和仿真实验,并分析了算法特点;针对水下DOA估计存在的声速误差问题,分析了声速误差对水下DOA估计的影响,并介绍了一种现有的窄带信号声速无关算法即VIMUSIC算法。2.对宽带信号模型进行了克拉美罗界(Cramér–Rao Bound,CRB)推导,给出了宽带信号水下DOA估计的性能理论下限。化简表达式表明,宽带信号模型DOA估计的CRB值与快拍数、阵元间距、信噪比、信源角度、阵元个数以及选取的频点条件有关。3.针对常规宽带信号水下DOA估计算法在带宽和频点数增加时性能升不明显的问题,出了一种基于倍数频率宽带信号的水下DOA估计(MFSJR)算法,对整数倍参考频率的频点信号进行联合矩阵重构,所得到的联合协方差矩阵中的元素包含了更大阵列孔径对应的相位差信息。仿真结果表明,相同阵元数和频点条件下MFSJR算法具有更小的估计均方根误差。4.针对VI-MUSIC算法的声速搜索过程带来计算复杂度增加的问题,出了一种基于宽带信号且无需声速搜索的声速无关DOA估计(ROOT-ISSM-VI-MUSIC)算法,通过求得各频点对应的包含信源角度和声速信息的多组多项式根并进行求和平均,根据阵列角度关系得到实际声速关于平均根的表达式,从而得到声速无关的DOA估计值,避免了声速搜索过程。仿真结果表明,相同阵元数条件下ROOT-ISSM-VI-MUSIC算法对声速和DOA的联合估计具有更高的精度。