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随着海洋经济的发展,水声定位系统得到广泛的应用,但现有的水声定位系统存在一定的局限性,特别是对水下多运动目标的跟踪定位。本文以线性调频信号(Linear Modulation Frequency, LFM)为载波,利用它的分数阶傅里叶变换(Fractional Fourier Transform, FRFT)特性,实现多分量分离并抑制环境噪声、多径和多普勒频移的影响,从而实现快速、精准的测距,研究了多普勒频移对基于子空间的DOA估计的影响。本文首先简要介绍水声信道的主要特点和信道模型,传统水声定位系统的工作原理及优缺点,随后设计了一种基于超短基线的船载水声定位系统,系统包括一个发射器和两个垂直接收阵列,采用基于时间差和相位差相结合的定位方法。进行定位时多个被测目标在收到水声定位系统发射的LFM信号后,发射调频率各异的LFM。水声定位系统利用FRFT对接收信号进行处理和参数估计,得到多普勒系数和时延;利用基于子空间的DOA估计算法对两垂直接收线列的信号进行处理,得到被测目标的方向,从而完成定位。本文对上述定位系统的信号处理进行了理论分析和计算机仿真,主要工作有:(1)分析了基于时间差和基于相位差的定位原理并给出定位方程、定位误差方程及误差来源,提出了基于时间差和相位差相结合的定位系统。(2)基于子空间的DOA估计算法具有高分辨率的特点,但理论分析和仿真结果发现:与噪声相比,多普勒频移的影响更大。水声信道存在严重的多普勒频移,由此提出在DOA估计中需要对其进行补偿。(3)调频率是LFM信号最重要的参数,它对应于FRFT变换中的最佳阶次。在基于FRFT的LFM信号处理中,大部分计算量在最佳阶次的搜寻上,本文提出利用折半法粗略估计最佳阶次,确定区间后再用固定步长精确搜寻,大大地减少了计算量。(4)收发端运动产生的多普勒频移会对调频率产生影响,由此提出利用接收信号的调频率与发射信号调频率的关系估计与收发端运动对应的多普勒系数。(5) LFM的FRFT在最佳阶次上能量聚集性最好,最佳阶次上的能量聚集点出现的位置与信号的中心频率和时延有关,由此提出利用聚集点位置估计接收信号的时延。