有效获取海洋环境参数是了解水声传播规律，掌握水声信道特性的基础，在水声学研究领域是不可或缺的。海水中声速的时空分布是影响水声传播最为重要的环境参数之一，对声传播规律有着决定性的影响；海流会影响海水中的声线传播轨迹，进而影响声线的声传播时间，海流的运动还会产生多普勒效应。我国周边海域大部分都为浅海海洋环境，浅海海洋环境下声信号传播受海洋环境的影响要远比深海环境复杂，因此研究浅海海域声速和海流分布有着重要意义。　　在此背景下，本文针对浅海环境特点，对浅海区域声速剖面和海流分布反演方法进行了研究，分别提出了一种利用简正波掠射角反演局部海域的声速剖面和基于多点双向声传播时延差反演局部海域海流分布的方法，进行了相关的海上实验验证了这两种方法。因此研究内容可分为以下几个部分：　　(1)基于简正波到达掠射角的局部海域声速剖面反演方法　　该方法针对浅海局部海域环境特点，使用声源发射宽带长脉冲信号，以矢量水听器作为接收工具，从接收到的矢量信号中得到各阶简正波到达接收点时的掠射角，利用各阶简正波中不同频点信号的到达掠射角作为传播参量进行了声速剖面反演。　　首先，基于射线-简正波理论建立声矢量信号模型，建立以各阶简正波中不同频点信号的到达掠射角为参数的局部海域声速剖面反演代价函数。　　其次，获取掠射角需要对分离简正波，因此本文对基于Warping变换分离简正波方法的应用局限性进行了改进，提出了一种可应用于宽带长脉冲信号的Warping变换简正波分离方法，通过该方法实现了分离各阶简正波，通过复声强器法计算出各阶简正波中所需频点信号的到达掠射角。　　然后，利用混合优化算法对代价函数进行求解。该混合优化算法由差分进化算法和量子粒子群算法组成，可以克服单一算法的缺点，提高寻优精度。　　通过仿真分析了经验正交函数阶数、代价函数的灵敏度和参数失配等问题对反演精度影响。仿真结果表明仅采用前三阶经验正交函数便可以准确表示声速剖面；反演精度与海深的变化量有关，但是影响很小；水平距离的变化对掠射角的影响很小；声源和水听器所处海水深度的变化会影响反演精度，但是在深度传感器的精度范围内，影响很小。　　本文还进行了基于简正波群延迟和基于射线声学理论的最快到达本征声线传播时间的声速剖面反演研究，并将三种方法进行了对比分析。另外，为了提高声速剖面反演的计算速度，本文分别为三种方法提供了基于OpenMP的并行计算程序开发方法，均取得了较高的加速比，使反演速度得到了提高，其中基于简正波到达掠射角的反演方法在16核心计算机下加速比为11.21。　　(2)基于多点双向声传播时延差反演局部海域海流分布的方法　　该方法通过在多点海域布置声源和垂直水听器阵，根据每两点之间的双向声传播时间差来计算两点之间的流速分量，通过建立多点之间双向声传播的海流结构模型，将各个方向上的流速分量合并运算可得到所围海域海流流速的大小、方向和垂直结构。　　首先，基于射线声学理论建立了运动介质中的三维声线传播模型作为正演模型，在利用双向声传播时延差计算海流流速分量时，对目前已有的时延差计算海流的方法进行改进，考虑了海流对本征声线影响，改进后的计算方法可在收发双方本征声线不同的情况下计算出海流流速，同时可以获得声传播方向上的流速垂直分布结构。　　其次，通过建立多点之间双向声传播的海流结构模型，将各个方向上的流速分量合并运算得到所围海域海流流速的大小、方向和垂直结构。　　通过仿真验证了海流计算方法的可行性，并分析了海底深度、声源和水听器的位置等参数失配的误差影响。结果表明，海底深度失配对海流测量结果的影响最大；通过双向声传播实验的时延差运算，水平距离上的位置失配误差可以被修正缩小；水平距离的变化对掠射角的影响很小；声源和水听器所处海水深度的变化会产生误差，但是在深度传感器的精度范围内，影响很小。　　(3)海上实验　　论文最后通过海上实验对具体方法进行了验证，并根据实验需求研制开发了一体化矢量水听器和海上浮标两种实验设备。　　在声速剖面反演实验中分别利用爆炸声信号和宽带长脉冲信号作为发射信号，进行了多种声速剖面反演方法的计算，并分别将各种方法的反演结果与实际测量所得声速剖面进行对比分析，实验结论验证了理论仿真结果。　　在海流分布反演实验中，利用从监听信号中提取出直达声信号与接收信号进行拷贝相关处理，得到了准确的接收信号多途结构，提高了获取传播时延差的精度。实验中计算获得的海流流速与实际测量结果基本一致，验证了仿真结果。