波束形成是阵列信号处理中的一个热点研究问题。常规波束形成方法在信号频率一定的情况下，为提高其分辨率，需要增大基阵孔径，这在实际工程运用中受到了一定的限制。为了克服常规波束形成方法的这种局限性，本论文系统、深入地研究了虚拟阵元波束形成问题。主要研究内容包括： 1．系统研究了阵列信号处理的基本理论，分析了阵列接收信号的数学模型，给出了任意几何结构阵列输出的窄带和宽带表达形式，并推导了典型阵列的阵列流形。 2．深入分析了常规波束形成问题，研究了窄带波束形成和宽带波束形成各自原理及特点。分析了束控和加权对波束形成的影响，给出了仿真实例，介绍了乘积定理和MVDR波束形成方法，并且系统研究了频域和时域宽带波束形成的结构和特点，最后导出了宽带波束形成的恒定束宽实现方法。 3．深入分析了引入虚拟阵元波束形成的必要性和作用，研究了虚拟阵元波束形成的基本思想和方法。提出了基于线性预测的虚拟阵元波束形成方法，提出了基于最小二乘估计的虚拟阵元波束形成方法，并进一步提出了基于最小二乘估计的虚拟阵元波束形成方法的改进方法，最后研究了延迟求和虚拟阵元波束形成方法。对于前两种方法还提出了对宽带信号根据不同频率改变虚拟阵元数目的分子带处理技术以实现宽带恒定束宽的方法。仿真实验表明，在有限尺度基阵的情况下，虚拟阵元波束形成方法使基阵在虚拟的意义上得到了扩大，形成了高指向性的窄波束，提高了基阵的分辨率。在工程允许的范围内，本文提出的恒定束宽设计方法能基本实现宽带波束形成的恒定束宽要求。 4．分别应用基于线形预测的虚拟阵元波束形成算法，基于改进最小二乘估计虚拟阵元波束形成算法和延迟求和虚拟阵元波束形成算法，对1998年松花湖湖试数据进行了预成多波束处理，实验数据的处理验证了本文所提方法的可行性和优越性。