在雷达、声纳、无线通信等阵列处理应用环境中，由于存在丰富的多径散射，阵列观测信号更适合采用分布源模型来描述。迄今为止，已经提出了多种空间分布源波达方向估计方法。不过，其中多数方法仅适用于小角度扩展情况，当角度扩展比较大时，需要在估计的稳健性和运算量之间进行折中；而且，许多方法要求信号传播满足窄带假设，这在实际的应用场合中可能很难得到满足，有必要分析信号带宽对分布源波达方向估计的影响；另外，也有必要考虑空间色噪声环境中的分布源波达方向估计问题。本文从这三个方面开展了空间分布源波达方向估计研究，创新点包括：1) 分析了低阶Jacobi-Anger级数展开近似模型的误差性能；利用该近似模型的参数解耦特性，提出了一种新的波达方向估计器，在大角度扩展条件下，该估计器表现非常稳健。2) 从空间频率分布的角度重新评价了非相干分布源模型，提出了两种低计算复杂度的稳健的分布源波达方向估计器，并从理论上证明了它们的渐近无偏性和渐近一致性。3) 利用扰动分析方法，解析评价了有限带宽引起的非相干分布源的空间损耗及其对波达方向估计的影响；分析表明，带宽扰动引起的方向估计偏差随信号相对带宽单调增加；当相对带宽无法忽略时，为了得到高精度的波达方向估计，需要进行联合空时处理。4) 推导了未知噪声环境中空间分布源波达方向估计的统一的CRB表达式，分析了几种典型的空间色噪声情况下分布源波达方向估计的极限性能，揭示了信号分量和噪声分量之间的空间混叠对分布源波达方向估计的决定性作用。5) 针对未知噪声环境中相干分布源的方向估计问题，提出了一种差分去噪估计器，并从理论和数值结果两个方面评价了它的精度和分辨率性能。为了进一步改善该估计器在低信噪比情况下的性能，同时提出了一种修正的差分去噪估计器。仿真结果显示了这两种差分估计器在低信噪比条件下的有效性。