波束形成和波达方向估计(DOA)是水声阵列信号处理的重要研究内容,尤其在水下目标检测识别和参数估计上的作用更加突出。并且,宽带信号相较于窄带信号能够携带更多的目标信息以及抗干扰能力强,所以宽带波束形成和宽带DOA估计具有十分重要的研究意义。针对水声信号频率较低、频带较宽、传播速度较慢,以及海洋环境较为复杂多变的特点,本文主要对恒定束宽的宽带波束形成算法和基于投影子空间正交性测试(TOPS)的宽带DOA估计算法展开研究。论文主要工作有:1、简要概述了阵列信号处理的信号模型,分析了经典窄带波束形成算法,并结合仿真结果讨论了各种算法的优缺点;研究了宽带波束形成频域实现和时域实现的不同,重点分析恒定束宽问题,研究并仿真实现了聚焦变换算法和Bessel函数算法;2、根据响应偏差概念,将宽带信号不同频率处的主瓣响应与参考频率处的主瓣响应进行逼近,并结合零点约束和旁瓣约束条件,提出一种实现简单的恒定束宽波束形成算法,通过与另外两种算法的仿真对比,验证了算法有效性;3、研究了宽带DOA估计的子空间类算法,即非相干信号子空间法(ISM)和相干信号子空间法(CSM),分析了CSM算法中两种构建聚焦矩阵的方法;并对所述算法做了仿真实验,分别讨论了算法性能;4、介绍了TOPS算法的基本原理,针对算法容易出现伪峰的缺点,提出一种改进算法,能够很好的抑制伪峰;并在此基础上,结合波束空间预处理方法,提出进一步改进算法,能够在抑制波束指向范围内出现伪峰的同时,降低算法计算量、提高分辨概率;通过仿真实验以及水声实测数据处理结果,证实算法具有较好的估计性能。