提取目标回波的时域相关特征和频域功率谱特征是水下目标特征提取中最基本的方法,但在功率谱估计中,各频率分量间的相位信息难以体现出来,且功率谱和自相关函数仅能对均值已知的高斯过程进行完整的描述。而高阶统计量是针对二阶统计量(功率谱和相关函数)的各种局限性提出的,它是研究信号非高斯和非线性的有效工具。本文尝试将高阶统计量理论应用到水下目标特征提取中,分析目标回波的非高斯和非线性特征。本文主要研究了高阶统计量中的双谱、双相干谱、1.5维谱和2.5维谱理论。双谱是阶数为3的谱,描述了信号在双频率域的能量分布;双相干谱可以检测信号偏离高斯性和相位耦合的程度;复信号的1.5维谱和2.5维谱可以分别检测信号中的二次相位耦合和三次相位耦合关系。本文对典型信号如CW脉冲信号、带限高斯噪声和由单元散射模型得出的混响信号进行了功率谱、双谱和双相干谱的仿真研究,还对复信号的1.5维谱和2.5维谱进行了大量的仿真研究,仿真结果与理论表达式一致。另外,本文还分析了在高斯噪声、单边指数色噪声和瑞利分布色噪声背景影响下,1.5维谱和2.5维谱在相位耦合中的应用,仿真表明1.5维谱和2.5维谱不仅能抑制对称分布的噪声,而且能抑制非对称分布的噪声。在本文最后,利用双谱、双相干谱处理了大量实验数据,进行了基于双谱和双相干谱的特征提取和压缩。在基于双相干谱的特征空间里,目标回波和混响呈现了良好的类间可分性,而基于双谱的特征向量提取被证明是一个较差的特征向量。最后分析了实验数据中半掩埋雷的回波中不同分段的1.5维谱和2.5维谱,证明雷壳回波和其周围底部混响具有不同的非线性相位耦合性。