水下目标探测包括检测、定位、跟踪和识别四个方面。与被动目标探测相比,主动声呐探测除了受目标信号散射起伏和水声信道的空-时-频变化影响外,还受到混响干扰的限制,导致在浅海环境,传统的单基地或双基地声呐探测性能下降。分布式多输入多输出(multiple input and multiple output,MIMO)声呐利用空间分集,通过非相干处理,在提高对目标检测性能与定位精度的同时,增强探测的稳健性。由于发射机和接收机在空间上充分分开,分布式MIMO可以获得目标在不同方位的散射信息,对目标进行逆散射成像。本文首先研究分布式MIMO声呐信号模型。主动声呐探测系统需要在混响中分辨目标回波,提升信混比。因此,本研究从发射端的有效照射和接收端高分辨处理两方面入手。根据声呐方程,有效照射就是将发射能量集中在所感兴趣的目标,减少发射能量泄露到混响区域。为此,侧重研究分布式时反MIMO声呐和分布式相控MIMO声呐。通过发收互动的迭代方式,将发射能量聚焦在目标处,从而抑制混响、提高信混比。在接收端高分辨处理中,将宽带波束形成和时域匹配滤波的输出进行二维解卷积处理,减小模糊度函数的主瓣宽度,并降低其旁瓣级,提高水平均匀接收线阵在角度-时延平面内的分辨力,实现从混响中有效辨识目标回波信号。该方法与分布式MIMO处理相结合能进一步提升声呐系统的目标检测和定位性能。在目标检测和定位的基础上,本文着重研究了分布式主动探测系统的逆散射成像问题。水声探测中的目标,通常是由若干个简单流线型物体组合而成,其散射特性与角度、频率和目标形状尺寸相关。传统主动声呐探测研究中,将目标看作具有特定散射强度的点目标,忽略散射波包含的与目标形状相关的信息。在散射声场模型研究中,本文推导了波导下垂直放置的有限长实心刚性圆柱体的散射声场,并研究环境参数和目标类型对成像质量的影响。在对目标定位后,根据宽带信号照射目标的回波信息,运用逆散射成像方法反演球体和圆柱体的截面形状。与自由场情况不同,浅海波导中目标散射的模耦合转换和多模传播会导致成像结果中出现失焦和重影现象。针对此问题,本文提出基于相位共轭信道解卷逆散射成像方法和基于稀疏重构的信道解卷逆散射成像方法,实现了对目标边界高分辨重建。其中前者采用时反传播的思想,降低水声信道对逆散射成像的影响。后者利用水声信道的稀疏性,通过辨识多径分量,分析多径在角度-时延上的分布特征,解决多径效应导致的重影现象和多径传播的群速度小于声速导致的失焦现象。运用稀疏重构方法对目标回波的高分辨,能进一步抑制旁瓣、提升成像质量。同时,也可以解决因多径导致分布式MIMO声呐正交波形相关性增大问题。计算机数值仿真和试验结果证明了本文提出的分布式MIMO声呐相对于双基地声呐在抑制混响、提高目标定位精度上有优势。与常规波束形成相比较,二维解卷积波束形成方法在角度-时延平面内有更高的分辨力。在实现目标定位的基础上,试验结果也验证了本文所提出的逆散射成像方法的有效性。