在近几十年来，水声探测系统取得很大进展并大量的使用在军事、商业等情况下，然而至今的水下运动目标探测依然具有局限性。运动目标探测是水下超声探测领域的一个重要分支。本文提出使用多调频信号进行水下运动目标探测，并结合分数阶傅里叶变换和阵列信号处理技术对水下目标运动参数估计进行研究，主要的工作和创新有：1、对水下环境进行研究与分析，包括水下的声波速度、背景噪声、多普勒效应、多径效应等等。根据多普勒效应与信号频率的关系，提出了使用通过求出线性调频类信号回波的调频率从而进行目标运动速度估计的方法。2、提出使用多调频信号作为水下运动目标探测的发射信号。在基于线性调频信号的基础上，为提高探测精度，减少探测误差，提出了多调频信号这种复合信号，并在接下来的研究中使用其作为水下超声运动目标探测的发射波。3、提出利用多调频信号回波的分数阶傅里叶变换获知水下运动目标的速度与距离参数的方法。通过研究发现，可以根据多调频信号的最佳分数阶傅里叶变换阶次求出回波信号的调频率，并且可以根据最佳分数阶域的聚焦点坐标求出回波的时延估计，从而求出运动目标的速度与距离参数。4、提出利用多调频信号与阵列信号处理结合获知水下运动目标的方位参数的方法。根据分数阶傅里叶变换对多调频信号良好的聚焦性，提出使用分数阶傅里叶变换对多调频信号进行分离与变换，提炼出带有方向参数的单频正弦信号，再把MUSIC算法应用到这些正弦信号中，实现多调频信号的DOA估计，得到水下运动目标的方向参数。5、完成基于多调频信号的多运动目标的运动参数估计的仿真。分别完成基于多调频信号的单个运动目标和多个运动目标的速度与距离参数估计仿真，并通过均方误差对比证明使用多调频信号比使用LFM信号有更好的参数估计准确性和稳定性。其中，为减少分数阶傅里叶变换的阶次搜索，提出一种自适应搜索区间算法。最后结合上述算法提出基于多调频信号的运动目标方向估计改良算法并仿真实现。