水下目标的高精度、高分辨、快速定位算法及水声阵列探测系统的设计是水声阵列探测技术的核心内容。在复杂的水声环境下，水下目标的精确快速定位与跟踪，是新一代水下探测装备急需解决的关键问题。本论文针对复杂水声环境下的实际应用需求，对水下目标的定位理论与方法、对影响目标定位精度的阵列误差校正方法和阵列通道间同步采样方法、对水声阵列探测系统这一实现目标定位的硬件基础分别进行了研究。本论文的主要研究内容可归纳如下：第一，针对近远场混合源的分类与定位问题，首先，提出了一种采用交替搜寻方法进行二维混合源分类与距离(Range)参数估计的算法，它以较低的计算量实现了二维混合源的分类与距离参数估计。然后，又提出了一种采用求根比较方法进行二维混合源分类与定位的算法，它具有更低的计算量，能充分利用阵列的孔径。最后，对前述方法进行扩展，提出了一种三维混合源定位算法，实现了方位角、仰角、距离参数的高精度联合估计。第二，针对传统等距线阵孔径小而限制角度分辨率的问题，利用稀疏线阵构造了一个十字型稀疏阵列，并提出了一种能实现阵列孔径扩展的三维近场源定位算法。该算法获得了更大的阵列孔径，避免了参数配对，计算量小，能同时定位更多的信号源，具有更好的角度分辨率和参数估计精度。第三，针对单信号源定位以及阵列探测系统部分通道失效的问题，首先，基于稀疏线阵，提出了一种远场单源一维到达角(Direction-Of-Arrival, DOA)估计算法及其改进算法；改进算法具有阵列所需阵元少、角度分辨率高、角度参数估计精度高、计算量小的优点。然后，基于此一维DOA估计算法，设计了两种稀疏垂直阵列结构，并结合二维角度变换技术，实现了远场单源的二维DOA估计。第四，针对两种不同的阵列幅相误差模型，提出了两种校正原理类似的快速幅相误差有源校正算法。它们都不需进行矩阵的特征值分解，计算量非常小，同时，它们的校正精度与相位误差的大小无关，且能分别被使用到两种不同的阵列幅相误差模型中，通用性好。第五，针对传统水声阵列探测系统同步采样精度不高的问题，根据不同类型信号传输接口模块的特点，提出了两种阵列探测系统高同步精度采样方法；主要包括误差产生机理的分析，同步采样模型的建立，传输延时的估计、测量与补偿方法的提出，克服相位抖动方法的提出、残余同步采样误差的分析等；最后，通过实验验证了所提出算法的优越性。第六，对本项目组已研制出的两套水声阵列探测系统的主要模块及成缆过程进行了简单介绍；并基于其中一套系统，通过湖试实验，对本论文中所提出的阵列幅相误差校正算法和单信号源DOA估计算法进行了实验验证，实验结果证明了这两个算法的有效性。