浅海环境中,海底地声参数对水声信号的传输具有巨大的影响,因而对其获取方法的研究也一直是水声工程中的热点问题。随着矢量水听器制作技术和矢量信号处理技术的不断发展、完善,对于矢量水听器的应用也已成为水声领域最重要的研究内容之一,但针对浅海声矢量场各物理量在地声参数反演中的应用研究则仍较为少见。鉴于此本文以浅海声矢量场的理论建模与物理特性研究为核心,探讨了矢量场中各物理量在传播中的能量衰减规律、空间分布特性及相应的物理机理,研究中还开展了大量的实验测量工作,为理论建模和物理规律分析提供了有力的支持。本文主要研究工作如下:首先,在理论建模时从波动方程出发,分别利用简正波方法(Normal Mode Method)和快速场方法(Fast Field Method)对具有弹性海底的浅海Pekeris波导进行了矢量场建模。在简正波方法建模中主要对比了两类基于复相位函数(Complex Phase Function,CPF)的本征值求解方法——路径追踪法和复有效深度法,计算结果证明复有效深度法具有更高的计算效率和计算精度,更适于工程应用;在对快速场方法的研究中,利用其易于求解的特点,依据各层波导中的势函数与边界条件建立方程组,实现了对具有声速剖面、多层弹性海底的浅海声矢量场的建模。其次,在对矢量场中各物理量的研究中,除对声矢量场中的常规物理量——声压场p与振速场v进行讨论外,结合公式推导与数值算例着重对二者联合处理得到的三类物理量:复声强I、同点互相关函数ρ和波阻抗Z的传播规律进行了系统的分析与讨论。由于波阻抗Z抵消了传播中声源级与波阵面扩展的影响,更有利于在整段传播距离上对其传播特性进行利用,其垂直分量Zz由于垂直振速vz的作用也更能体现海底声学特性。鉴于此本文将多频点垂直波阻抗Zz(fi)作为反演模型并进行深入研究,理论推导和仿真结果证明,在液态沉积层和半无限弹性海底中各类声学参数变化时,Zz(fi)相比矢量场中其他物理量均具有更高的敏感度和更好的分辨力,更适合被应用于地声参数的反演研究中。再次,利用简正波理论对声矢量场中各物理在频率-距离域上的分布特性进行了研究。理论推导和数值计算结果均表明,无论是声强I、振速自谱|v|2,还是本文研究的波阻抗Z和同点互相关函数ρ均会在频率-距离域上形成稳定的、可用波导不变量β表征的干涉结构,但由于受到非干涉项的影响其干涉结构均会受到一定抑制。从复声强I的定义式中可以看到,垂直复声强的实部Re(Iz)与水平复声强的虚部Im(Ir)中均只包含有干涉项,二者在频率-距离域上形成的干涉结构将更清晰和易于提取。从仿真结果来看,频率-距离域上的Re(Iz)和Im(Ir)虽然在分布上一定程度的差别,但均能用波导不变量β来表征,本文利用海试数据结合基于图像Hessian矩阵的多尺度线性滤波器,对这一结论进行了验证。最后,利用水池缩比实验和海上声矢量场测量实验对上述研究结果进行了验证。在水池实验中,根据简正波理论验证了缩比声传播实验的可行性,并成功进行了模拟具有弹性海底海洋环境下的声传播测量实验,对本文中的声场建模结果进行了验证;鉴于缩比实验测量数据可等效为一水平阵测量结果,提出了基于F-K变换的流体层频散曲线提取方法,获得了更多的高阶简正波频散特性。海试中,利用舰船辐射噪声作为宽带声源进行了声矢量场测量实验,从测量数据中提取多个频点下的垂直波阻抗Zz(fi)进行地声参数反演,并利用实测干涉结构对反演结果进行了验证,结果令人满意。除上述工作外,本文还针对大尺寸弹性材料中纵、横波声速的同时测量问题,基于分层介质中的Snell定律,并结合传统穿透测量法,利用消声水池环境设计了一种新的弹性材料中声速的测量方法。为弹性介质中声速的测量研究提供了一种新思路。