多普勒计程仪是利用声波在水中的多普勒效应原理工作的仪器，多年来一直是一种重要的船用导航和测速设备。回波模型对测速技术研究非常重要，成本低、运算能力强和实时性好的信号处理系统是多普勒计程仪的重要组成部分。本文基于多普勒频偏测速原理，主要研究声学水层回波球面模型和信号处理系统设计。本文第一部分研究了声学水层回波球面模型。首先介绍了多普勒效应及其测速原理，分析了影响测速的因素，讨论了相应的解决方案，包括詹纳斯配置，相控阵发射等等。然后研究了现有的水底和水层回波模型，讨论了它们的优缺点，在此基础上建立了一个新的水层回波模型，根据水层的时空回波特性，推导了相应的解析表达式。最后在窄带和宽带信号模式下分别仿真所提出的水层回波模型信号和多普勒频率估计性能。本文第二部分研究了多普勒计程仪的信号处理系统设计。首先讨论了硬件方案设计，给出了系统框图、组成模块和系统工作流程。然后基于系统功能及指标要求讨论了各个模块的功能以及所需芯片的选型。最后分别设计了系统的四个关键模块，主要包括数据存储、宽带编码信号产生、正交解调和波束合成与复相关运算等模块；重点介绍了SDRAM数据存取，IP核实现快速傅里叶变换，DDS产生载频信号，频域的正交解调；给出了各模块的代码及顶层端口图以及部分仿真波形和SingleTapII抓取的硬件运行时序图，表明了系统运行的正确性和有效性。