在水声领域的研究之中,对于水下目标声呐的回波信号研究是海洋研究领域的热点之一。声波从传播到目标物体到反射回来的过程中产生的目标回波携带有目标物体的一些特征信息,对回波数据进行处理可以得到物体的回波信号,通过得到回波信号以及对信号的成像处理过程,可以检测出目标物体的特征及信息。因此,对于水下目标物体的回波信号进行精准,快速的仿真,以及对回波进行图像域的高分辨率合成的研究具有重要的价值。对于回波信号的仿真,本文针对传统二维水下声学模型的局限性,提出了新的三维水下声学传播损耗模型,该模型的射线程函方程使用地理中常见的纬度、经度和高度来计算。模型通过纬度,经度和高度三个坐标建立球形坐标系,定义射线在海水中实时位置与运动方向来模拟射线的传播路径,最后得出从声源到点目标所需要的传播时延。实验结果表明,运用本文方法可以有效、准确实时的进行声呐回波信号的仿真。对于回波信号成像处理,需要一种效率高,分辨率高的成像算法,重点探讨了合成孔径成像算法的原理。合成孔径的算法主要来源于合成孔径雷达,本文将合成孔径算法运用到声呐成像中,主要对距离多普勒,波数域以及线性调频算法的成像原理进行了分析,从时间复杂度、成像精度的方向,通过仿真结果对比各个合成孔径算法。最后,针对实际理想环境下的水下目标物体,建立了程序软件平台并进行仿真成像处理,通过对水下二维目标物体和三维目标物体进行成像仿真,验证了通过线性调频算法来进行成像处理,可以提高时间效率与成像精度。