水下目标的声散射回波是主动声呐的主要信息源。目标声散射特性受目标结构、尺寸、材质以及外部环境等多种因素影响,是水下目标探测识别的有效依据。水下小目标一般具有非中心对称的几何形状,因此在主动声呐探测条件下,目标声散射场具有高度的空间不均匀性,声散射特征随声波入射角度变化敏感且相互间存在混叠干扰。此外,目标常处于沉底或掩埋状态,在接收端目标回波还会伴随着强烈的混响干扰,影响对目标的探测性能。基于以上特点,本文依据水下目标声散射机理,按照理论研究—数值仿真计算—自由场实验验证—外场探测实验的逻辑顺序,对目标模型的声散射特性进行了研究。主要研究内容包括以下几个方面:（1）针对目标声散射特性随声波入射角度敏感的问题,研究了半球冠圆柱壳体目标全方位声散射回波特性。利用回声层析成像方法重建目标的完整几何外形结构,重建结果显示在表面曲率半径较小的底端棱角处和半球冠与圆柱柱身的局部衔接处存在一定超出目标几何范围的干扰。通过控制变量的方式依次研究目标长度、材质以及壳厚比对目标弹性共振特性的影响,研究发现弹性共振峰间隔与声波入射角度有关,其受目标长度和壳厚比的影响比较小,受目标材质特性的影响非常明显。对共振峰间隔与声波入射角度间的关系进行建模,结果表明拟合曲线能够有效地对目标材质特性进行表征。（2）针对水下小目标几何与弹性声散射特征相互干扰的问题,根据目标声散射回波形成机理和信号特性,分别对几何声散射回波和弹性声散射回波进行信号建模,理论推导和仿真分析二者在分数阶域内的能量聚集特性,并据此设计基于分数阶Fourier变换的声散射回波信号滤波分离方案。处理结果表明,研究方法能够在低计算复杂度情况下实现对全方位的几何与弹性声散射回波信号的有效分离和提取。（3）针对目标声散射场的空间不均匀性问题,提出了基于聚类驱动的目标回波角度非均匀特性研究方法。提取全方位目标回波特征构造特征矢量,并利用非线性降维算法提高特征矢量在低维特征空间中的内部联系性;通过聚类分析在无监督条件下提取回波特征间隐含的角度关系;不同类别对应的目标局部几何结构重建结果表明,研究方法能够根据目标固有声散射特性,实现对目标局部结构角度区间的有效划分。（4）针对沉底或掩埋目标回波受海底混响干扰严重的问题,提出了基于低秩非负矩阵分解的混响抑制方法。根据目标回波与混响的时频分布差异,利用非负矩阵分解研究目标回波与混响时频分布特征的低秩矩阵分解特性。针对目标回波信号表示与混响抑制效果无法兼得的问题,设计基于矩阵旋转的低秩化预处理方法,保留可进行低秩表示的目标回波成分,去除无法进行低秩表示的混响干扰成分。湖泊和海上实验数据处理结果表明算法能够有效地对均匀非相干混响进行抑制,对于强相干混响干扰成分也具有较强的削弱作用,能够明显提高水下目标回波的信混比。通过本文的工作,对半球冠圆柱壳体目标的全方位声散射特性有了更加深入的认识,特别是对目标在实际探测实验中所需的信号处理流程和算法进行了全面的分析和总结。论文研究的内容和结论能够迁移至对其它形状目标的研究,可为实际水下目标探测识别提供技术参考。