波束形成(Beamforming)技术是阵列信号处理领域中的一个重要研究方向,其利用空间多传感器所组成传感器阵列来对空间信号进行发射或接收,广泛应用于雷达,声呐,无线通信等领域。传统的波束形成技术假设信号是圆的、平稳的,仅仅利用了观测矢量的协方差矩阵,然而在通信领域大量的人工调制信号都是非圆的、非平稳的,不仅存在协方差矩阵而且存在伪协方差矩阵。基于圆信号假设下的波束形成技术虽然可以应用于非圆信号,但是其性能并不能达到最优。近些年现代信号处理领域中同时利用观测矢量及其共轭的宽线性(WL Widely Linear)技术的不断发展促使研究者们重新审视针对非圆信号的波束形成问题。宽线性波束形成技术通过分析信号的非圆性,同时利用了观测矢量的协方差矩阵和伪协方差矩阵,相应地一系列宽线性波束形成方法也陆续出现。本文在对宽线性波束形成技术进行概述的基础上,针对宽线性波束形成技术发展中存在的关键问题,开展基于非圆系数估计的宽线性波束形成算法研究。本研究工作的目的是在解决期望信号非圆系数估计问题的基础上,针对不同场景提出相应的宽线性波束形成算法。本论文研究工作的主要贡献与创新点归纳如下1.针对最优宽线性波束形成算法中非圆系数难以估计的问题提出非圆系数估计算法,并得到了一个稳健的对角加载权重矢量。我们研究使用最小功率无畸变(MPDR)准则,将其转化为一个参数估计问题,通过求导得到初始估计后,分析干扰和噪声对初始估计的影响,最后得到一个修正的估计值。在得到非圆系数估计后,使用对角加载技术减小估计误差对算法性能的影响。理论与仿真实验同时证明所提算法对非圆系数有比较好的估计性能,而且能有效地应用于实际场景。2.针对期望信号存在偏移频率的情况提出了频移宽线性波束形成算法。由于存在偏移频率的期望信号非圆系数随观测时间逐渐趋于零,共轭观测矢量与观测矢量中关于期望信号的相关信息是逐渐减少的。我们提出使用共轭循环观测矢量代替共轭观测矢量,其对应的共轭循环相关系数代替非圆系数进行宽线性波束形成。所提的算法在偏移频率为零时,等价于最优宽线性波束形成算法,在偏移频率不为零时,优于最优宽线性波束形成算法。此外针对期望信号是直线信号的情况,通过分析时间平均的非圆系数与偏移频率的关系,提出了两种估计偏移频率的算法。3.当期望信号的偏移频率与干扰的偏移频率不同时,提出M阶频移宽线性波束形成算法。频移宽线性波束形成算法仅利用了期望信号的共轭循环相关函数,当期望信号的偏移频率与干扰的偏移频率不同时,考虑使用多个共轭循环相关观测矢量,通过增加M个约束使其干扰在对应于他们自己的循环频率上的输出为零。所提算法是频移宽线性波束形成算法的扩展版本,不增加约束的零阶算法对应着频移宽线性波束形成算法。当期望信号的偏移频率与干扰的偏移频率不同时,所提算法优于频移宽线性波束形成算法。4.针对期望信号存在导向矢量失配的情况,引入非圆系数空间谱,提出了基于非圆系数空间谱估计的稳健宽线性波束形成算法。所提算法重构了干扰加噪声协方差矩阵和干扰加噪声伪协方差矩阵,剔除了扩展的协方差矩阵中的信号分量。在高信噪比和小快拍情况下,波束形成器输出信干噪比始终接近最优值。