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阵列超指向性是阵列信号处理中一个极具吸引力的问题，在声呐、雷达、语音处理、无线通信等众多领域受到大量关注。阵列超指向性中“超”的含义是，相对于标准的时延求和阵列，超指向阵列能获得更高的指向性和更好的角度分辨力，在低频小孔径阵列时尤为明显。在一些阵列最大孔径受到严格限制的系统中，尤其是小型自主水下航行器(AUV)，受限于布阵空间，常常仅能装配较小孔径的阵列。因此采用超指向性、超增益的处理方式，有利于提高系统对安静型目标的检测性能，具有十分诱人的应用前景。 然而，目前阵列超指向性仅限于理论分析，在实际系统中并未得到广泛应用。主要限制在于，超指向性对实际阵列中存在的随机误差十分敏感，即稳健性很差，这些误差主要包括:各阵元幅度/相位响应不一致性、阵元位置扰动、阵元间互耦效应及近场平台散射效应等。误差的存在会严重影响超指向阵列的性能，甚至使其不及时延求和阵列。 本论文针对阵列超指向性难以应用于实际系统这一问题，系统地研究了阵列超指向性的相关理论，深入分析了阵列随机误差对超指向性的影响，并分别从稳健超指向性算法设计和阵列误差校正这两个角度，讨论对上述问题的解决方法。以期使阵列超指向性理论应用于实际系统并发挥其优势成为可能。论文的主要工作概括如下: 首先，在不同噪声（空间白噪声、球形各向同性噪声和圆柱形各向同性噪声）背景下，给出直线阵和圆环阵的具有最大指向性的波束形成器设计方法。并与时延求和波束形成器的指向性与稳健性作对比，详细讨论了阵列超指向性的特征，即超指向性只有在低频小孔径阵列时才能实现，且指向性越高，对误差的稳健性越差。 接下来，针对在实际系统中应用最为广泛的直线阵列，讨论其超指向性及稳健设计方法。通过将计算最大指向性转化成线性约束下的最优化问题，从数学上证明了阵元间距无限小时，阵元数为M的直线阵在端射方向能产生最大指向性M2。之后，将过度导向技术引入到直线阵的稳健超指向性设计中，在白噪声增益约束条件下，提出求解阵列最大指向性对应的最优过度导向参量与最优实数加权向量的数学框架。数值实验结果表明，在稳健性相同的条件下，上述基于过度导向技术的最优实数加权向量设计与最优复数加权向量设计具有十分接近的宽带指向性曲线，这对于简化系统结构是十分有益的。 之后，对水声领域中常用的均匀圆环阵，深入研究了它的高阶超指向理论，详细分析和比较了各阶特征波束的指向性与稳健性，并提出两种高阶超指向波束形成器的稳健设计方法:一种方法对敏感度函数加以约束，建立约束因子与对角加载因子的直接关系式，通过调整约束因子可灵活地实现指向性与稳健性的折中;另一种方法考虑到不同特征波束对应不同特征值和误差敏感度，对各特征波束加载变化的因子，具有更好的设计性能，并能更加灵活地实现指向性与稳健性的任意折中，数值仿真验证了两种算法的良好性能。还发现，后一种方法的某一特例与现有的高阶波束截断法具有完全相同的设计效果，而通过合理设置不同加载因子，所提方法比高阶波束截断法具有明显优势。 最后，研究阵列误差校正技术，从估计和补偿阵列自身误差出发，减小误差对阵列超指向性的影响。对阵元间的互耦效应，提出一种改进的均匀圆环阵的互耦自校正方法，与目前流行的方法相比，本文方法无需已知阵列互耦效应的先验知识，也不用对非零互耦系数的个数做假设，更重要的是，它可以有效地消除现有方法中存在的估计模糊问题，且具有更高的稳健性和估计精度。同时，推导了互耦影响下各阶特征波束的波束响应与指向性表达式。校正后，各特征波束及合成波束的稳健性得到明显提升，并接近于理想阵列情况。另外，对实际阵列中最常见的幅度/相位误差，提出两种适用于任意阵列的有源校正和无源自校正方法，实验测试和数值仿真分别验证了这两种校正方法的性能，以及它们对超指向阵列性能的明显改善。