对浅海波导多途和频散特性的研究是水声学领域的一个重要方面。宽带脉冲声信号在浅海波导中传播时携带了目标和环境信息，通过研究接收信号各阶简正波的传播特性和时频特性，可以有效提取波导中的目标信息和环境参数。首先，针对均匀分层水平浅海波导，本文研究了非理想波导中的频散特性，推导了各阶简正波的频散公式，并以此为基础修正了基于warping变换的简正波分离方法;然后，在有效分离和提取简正波的基础上，提出了几种单水听器水下宽带脉冲声源被动测距方法，通过理论仿真计算和实验数据处理，对各种方法的有效性和准确性进行了分析。具体研究内容如下:
　　1.简正波的分离和提取技术研究
　　针对非理想波导中简正波的分离问题，根据波束位移射线简正波理论，推导了已知海底相移参数P的非理想波导中各阶简正波的频散公式，修正了warping变换算子，该算子不需要海底声速、密度和吸收系数等地声参数。对不同类型浅海波导中的接收信号进行仿真分析，结果表明:与传统warping变换相比，该方法提升了各阶简正波信号在变换域的频率聚集性，有效提高了warping变换对非理想波导中简正波的分离能力。此外，仿真结果表明修正算子中各个环境参数失配对分离性能影响较小。
　　2.基于简正波特性的浅海波导中脉冲声源的被动测距方法研究
　　针对浅海宽带脉冲声源被动测距问题，提出了模态匹配单水听器被动测距方法。通过对接收信号分离后得到的两阶简正波信号的相位差作为测量场，抵消声源对不同阶简正波相位的影响，利用海底相移参数P计算拷贝场，最后将测量场和拷贝场进行模态匹配，快速实现了对水下脉冲声源的被动估计。通过仿真计算研究了不同波导类型、不同声源和接收点位置以及环境参数失配对测距结果的影响，结果表明:对于均匀声速和负声速梯度的浅海波导，声源、接收点位置对测距结果影响不大;但对于水中含温跃层的浅海波导，接收点只有靠近海底才能用海底相移参数P来表示海底特性，实现对声源的准确估计;海底相移参数P失配对测距性能的影响较小。
　　提出基于群延迟的单水听器被动测距方法。通过时频分析技术和warping变换对接收信号各阶简正波的频散曲线进行提取，并计算两阶简正波到达接收点的时延差，充分保留了环境因素的影响，然后利用海底相移参数计算群慢速度差△Sg,mn，最后根据群延迟理论可以对水下宽带脉冲声源进行被动测距。通过仿真对时延差和慢速度差的准确性进行验证，同时分析了环境参数失配对测距结果的影响，结果表明:时延差和慢速度差与KRAKEN的数值计算结果吻合，且测距方法对海底相移参数P具有较好的宽容性。
　　海上实验数据处理结果也证明了两种测距方法的有效性和准确性。
　　3.基于贝叶斯估计的被动测距方法研究
　　针对上述浅海宽带脉冲声源被动测距中依赖海水中海深、海水中声速等环境参数的问题，根据贝叶斯估计理论，提出了基于简正波声压信号的水声参数反演方法。利用单水听器，将对接收信号分离后得到的各阶简正波声压信号作为输入函数，利用声场计算软件建立拷贝场模型，将海洋环境参数和声源位置作为未知参数进行反演，并根据反演参数的后验概率密度分布实现对水声参数的估计，具有较好的环境宽容性。通过仿真对参数的敏感性、反演结果进行了分析，结果表明:代价函数对各个参数的敏感度较高;声源距离、位置的反演结果准确、误差较小。
　　为了解决上述方法中反演参数多、计算速度慢的问题，提出了基于频散曲线的水声参数反演方法，将提取的各阶简正波的频散曲线作为贝叶斯估计理论的输入信号，用海底相移参数P快速计算拷贝场，根据贝叶斯估计理论实现对声源距离等参数的反演。仿真结果表明:代价函数对各个参数的敏感度较高;该方法拷贝场的计算速度快;用海底相移参数P表示海底特性，反演参数少、反演效率高，反演结果准确。
　　仿真结果和海上实验数据处理结果也证明两种测距方法的有效性和准确性。