海洋环境复杂多变,高效、便捷获取海洋中的环境参数是海洋学科的重点研究方向之一。由水文参数决定的声速剖面是海洋中声学技术应用的重要基础数据,常规声速仪、温盐深仪等点测量仪器效率不高,且覆盖范围有限,而水声学方法利用回波数据估计水文参数,具有观测快速且覆盖范围大的优点,应用前景广阔。因此,将声传播模型与声学观测数据相结合的声速剖面及相关水文参数反演方法同时受到学术界和产业界的关注。鉴于多波束声纳测深精度受声速剖面精确性的影响较大,同时测量所得的到达时间与到达角等参数涵盖了声速剖面的相关信息,论文提出了一种倒置式多波束回波测量的创新试验设想:将多波束声纳倒置式坐底固定,向海面发射声波并接收相应的回波,利用发射与接收波束相交形成波束脚印得到相应的到达时间及到达角数据,并利用海面波浪特征及回波测量值间的冗余度反演声速剖面及海面波浪。论文研究了基于倒置式多波束回波测量的声速剖面反演算法。该方法将倒置多波束系统实际测量的回波到达时间和到达角作为真实值,结合回波检测、声线跟踪、海面建模等原理进行声线逆跟踪计算声速剖面变化情况下的到达时间及到达角的估计值,利用遗传算法同时搜索经验正交函数表征的声速剖面信息及海面高度变化信息,找到全局最优解使得真实到达时间和估计到达时间之间的差异最小,最终反演得到声速剖面及波浪信息。基于创新试验设想和反演算法理论,论文完成试验系统的设计、集成与实现,包括对倒置式多波束回波测量系统整体架构与安装方案进行设计;根据反演算法及多波束系统相关要求选取合适的辅助设备并完成电源模块及数据转发模块的设计;根据各设备的通信协议以及数据格式,完成了新试验设想下系统控制与数据采集软件设计。论文利用集成的多波束反演系统进行两次海试试验。两次试验验证了反演系统以及系统控制与数据采集软件的有效性,并应用论文所研究的反演算法对采集数据进行处理及分析,验证了反演算法的可行性与有效性,根据不同实验场景下的估计结果分析了不同因素对反演算法准确度的影响。