空间谱估计技术一直是高频地波雷达阵列信号处理中的重点研究课题。近年来由于海岸占地空间越来越小,使得高频地波雷达阵列天线孔径也在变小,因此利用信号处理技术提高波达方向(DOA)估计算法的精度也变成了研究热点。时频分析方法在处理非平稳信号中有独特的优势,而极化敏感阵列可以敏感到电磁波信号的极化信息,因此本文将以极化敏感阵列为模型,并结合时频分析方法对高频地波雷达回波信号进行波达方向估计,这样可以充分利用到回波信号的空域、时频域以及极化域信息。本文首先介绍了现代空间谱估计技术的原理,包括多重信号分类(MUSIC)算法、旋转不变子空间(ESPRIT)算法以及它们的改进算法,并对它们进行了MATLAB仿真验证,以及实测数据的验证。为提高波达方向估计的精度,引入了时频分析的方法,用时频变换得到的空间时频矩阵代替传统波达方向估计算法中的协方差矩阵可以得到时频MUSIC算法和时频ESPRIT算法。详细分析了两种算法的原理,并通过计算机仿真分析了它们的性能和各自的优缺点,在此基础上对算法进行了一些改进,最后用实测数据进行了验证。为充分利用电磁信号的极化信息,建立了双极化正交偶极子阵列,以此为基础介绍了极化MUSIC算法和极化ESPRIT算法,并通过仿真分析了其性能。然后研究了综合极化信息的时频MUSIC和ESPRIT算法,并结合两者的优缺点提出了改进算法。改进算法是首先用极化时频ESPRIT算法对来波信号确定大致的方位角,然后以每个方位角为中心确定一个小的范围,在此范围内用MUSIC算法谱峰搜索得到较准确的DOA估计值,这样可以在保证DOA估计精度的基础上节省运算时间。最后研究了极化参数对DOA估计的影响,主要包括极化参数的估计误差对波达方向估计的影响以及何种状态的极化信息会使不同信号的估计值精度更高。