DOA(Direction of Arrival)估计广泛应用于通信、雷达、声呐探索以及卫星导航等领域中。当信号发出信号后,接收阵列需要在有噪声的环境中估计信号来波方向,因此准确估计信号角度至关重要。研究和分析二维DOA估计算法发现,在双平行线阵下基于ESPRIT(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques)的二维DOA估计算法存在缺陷,当信号俯仰角接近特殊角度90°时估计误差过大,甚至产生俯仰角估计失效问题。因此需对原有算法进行研究并改进,保证改进算法解决俯仰角失效问题的同时,提升信号二维角度估计性能。本文主要针对信号的二维来波方向估计进行精确定位并对实现算法进行深入研究,本文的具体研究工作内容如下:(1)简要概述阵列信号处理的理论研究背景和DOA估计的基本原理,研究分析了各种DOA估计算法的估计性能。(2)本文提出一种双层三线阵下基于ESPRIT的二维DOA估计算法,其在双层阵列模型的基础上采用二维ESPRIT算法估计出信号的方位角和俯仰角。相比于传统的双平行线阵采用的ESPRIT算法,改进算法避开了对数据接收矩阵的处理中,对信号的方位角和俯仰角进行联合估计,而是对信号俯仰角进行单独估计,减少俯仰角接近90°时DOA估计方法失效的几率。改进算法还实现了对信号方位角和俯仰角两个参数的快速配对,不需对涉及方位角和俯仰角两个参数的矩阵同时进行特征值分解,而只需对其中一个进行特征值分解,再利用两矩阵特征值分解的特征向量相同,求解另一个矩阵的特征值,较大简化运算过程,降低运算复杂度。(3)本文通过仿真验证了在双平行线阵下基于ESPRIT的二维DOA估计算法在信号俯仰角处于特殊角度90°附近时出现俯仰角估计失效问题,并对该问题进行分析。通过仿真验证了双层三线阵下基于ESPRIT的二维DOA估计算法在信号俯仰角处于90°时无估计失效问题,克服了俯仰角估计失效的缺陷。对比分析改进算法和原有算法的估计性能,从不同的信噪比、快拍数、信号方位角以及俯仰角等四个要素分析后验证了改进算法拥有更高的分辨率。当信号俯仰角大于80°时,改进算法的均方根误差RMSE(Root Mean Square Error)从最高1°的误差下降至0.2°以内,提高了算法的估计精度。研究并改进后的算法主要目的在于克服传统的双层平行线阵的ESPRIT算法时产生的缺陷,在信号的俯仰角接近90°时,造成的仰角估计失效问题,通过仿真验证了算法在90°的俯仰角下分辨率较原算法高。