水中目标被动定位技术是水声工程领域长期关注的研究热点之一。近些年,因为水下小尺度传感器阵具有体积小、易布放、隐蔽性强等优点,所以相关研究工作得到了国内外研究者的重视,研究基于小尺度传感器阵的被动定位技术具有很强的工程应用价值。然而在复杂的海洋环境下,海洋信道对声传播的影响使被动定位的性能急剧下降。针对这一问题,本论文研究了基于水声信道模型的小尺度传感器阵被动定位方法,将海洋声传播物理模型与被动定位技术相结合,以提高复杂海洋环境下目标被动定位能力。首先,结合单矢量水听器固有的空间阵列流型,构建了基于接收信号简正波模型的单矢量水听器目标方位估计导向矢量,采用矢量最优化算法获取单矢量水听器目标方位估计的最优权矢量,建立了稳健的单矢量水听器矢量最优化高分辨目标方位估计算法,对算法的估计精度、成功概率与估计偏差进行了详细的分析与讨论,并与常规波束形成、最小信号方差无畸变波束形成进行对比。仿真结果表明,本文提出的基于信道模型的单矢量水听器矢量最优化算法在不同信噪比、入射方位角与海洋环境参数等不确定条件下,均具有更为尖锐的谱峰与更低的旁瓣水平。引入基于简正波理论的接收信号模型可以有效地降低以往平面波近似带来的目标方位估计偏差;矢量最优化算法也有效地克服了环境参数失配带来的方位估计性能下降的问题。海试试验数据的处理和分析验证了方法的正确性与有效性。其次,本文针对浅海小尺度阵近程目标被动测距问题,提出了一种基于单矢量水听器接收信号相位信息的相位相关被动测距方法。本方法借鉴匹配场被动定位的思想,利用简正波理论计算不同距离-频率矢量宽带信号的相位信息作为拷贝模板,引入图像处理中的相位相关算法,利用相位相关将单矢量水听器宽带接收信号的相位信息与拷贝模板进行匹配,根据相关峰的位置确定目标距离。仿真结果表明,基于宽带信号相位信息的相位相关被动测距方法相关峰的主峰尖锐、旁瓣低,在匹配场方法与利用强度信息进行相位相关测距失效的情况下,依然能够正确估计目标的距离。文中进一步对基于目标相位信息的相位相关被动测距的稳健性进行了讨论与分析,结果表明在海洋环境参数失配的条件下,利用水平声强流、水平声阻抗等依然可以给出目标正确的距离,相比利用接收目标信号幅度信息的被动测距方法,本文提出的方法更有效。仿真分析证明了算法的正确性,为实际的工程应用奠定了理论基础。最后,论文对现有水中目标超短基线被动定位算法进行了改进,实现了基于三元水平面阵的浅海近程水中目标三维被动定位。论文建立了基于射线声学理论的超短基线阵列接收信号模型,研究了浅海多途干涉效应对基于水平正三角形三元声压水听器阵三维目标被动定位算法性能的影响,分析表明,基阵接收目标宽带辐射噪声信号时,各基元接收信号的互谱相位会由于浅海水声信道多途干涉效应的影响而产生“振荡项”,这是影响时延测量精度和目标定位精度的重要原因。针对超短基线基元接收信号互相位谱的这一特点,论文提出了利用“振荡项”中所包含的目标深度信息,通过对互谱的相位匹配实现水中目标三维被动定位。论文分析了该三维被动定位算法的稳健性与误差,通过仿真实验分别对水面和水下目标进行被动定位,给出了不同信噪比下深度估计的性能。仿真结果表明,本方法在一定信噪比下可以有效地估计目标深度,从而实现水中目标的三维定位。对水面舰船辐射噪声信号进行分析处理,计算得到了浅水目标的深度,通过正三角阵的定位公式计算出目标的运动轨迹,与目标的实际运动轨迹很接近。仿真计算及海上实验处理结果均证明了该方法的有效性。