本文主要研究了一种基于多维信息(单阵方位一频率和双阵联合纯方位)的目标运动分析(TMA)算法。该算法在对未知参数进行适当约束的基础上，通过对伪线性方程组使用最小二乘估计，最终可以获得有关未知参数的无偏估计。该算法不需要迭代寻优，也不需要设置任何初值，所以不存在收敛性问题，计算量亦很小。实验结果表明，在观测平台无需做任何机动的情况下，该算法的估计性能可以非常接近于克拉美-罗方差下限(CRLB)。通过比较双阵纯方位TMA与单阵方位一频率TMA，可以发现前者比后者更能稳定、有效地进行水下目标定位，是一种比较适合工程应用的快速、稳健、无偏的目标运动要素估计方法。 线谱检测和提取是方位-频率TMA的基础。因此，本文还研究了一种基于隐马尔可夫模型的频率跟踪算法：前向一后向算法。该算法能够在低信噪比情况下自动探测、跟踪随时间变化的目标线谱。仿真结果表明，当真实信噪比未知时，该方法仍然具有较强的线谱检测能力。