研究噪声场垂直方向空间特性对水声设备的合理布放以及海洋环境信息的获取都具有重要意义。本文围绕噪声场垂直方向空间特性建模与应用两方面开展相关研究,完善了P/K噪声预报模型,给出了垂直方向空间两点噪声声压场空间特性预报模型,并将其扩展至矢量场。在矢量噪声预报模型基础上提出了基于海洋环境噪声场垂直振速信息的声场多途结构提取方法,并将其应用于地声参数反演。具体研究内容如下:1.矢量噪声场垂直方向空间特性建模及检验相对于快速场噪声预报模型,P/K模型具有计算速度快、适用范围广的优点。但是P/K模型无法计算噪声场垂直方向空间特性。针对空间两点垂直分布的特殊情况,给出了垂直方向两点声压互谱密度函数解析表达式,解决了P/K模型无法预报垂直方向空间特性这一问题,并将其推广至矢量场中,为矢量噪声场的应用提供理论基础。仿真了不同底质海底环境下噪声场垂直方向相干性、相关性与指向性,并与快速场噪声模型预报结果进行对比,验证了本文给出的模型的准确性。然后利用本文提出的模型对南海大陆架海区噪声场垂直方向空间特性进行了预报,并与实测结果进行了对比,吻合较好。2.海面起伏影响下噪声场垂直方向空间特性建模研究恶劣海况下,需要考虑海面起伏对中高频声传播的影响。本文基于传输理论模型建立了海面起伏影响下中高频噪声场垂直方向空间特性预报模型。通过分析海面起伏影响下各阶简正波强度与相位的变化规律,研究了恶劣海况引起的海面起伏对中高频噪声场强度分布、垂直相关特性与指向性特性的影响。仿真结果表明,海面起伏不仅会导致噪声场强度以及垂直指向性中临界角附近角度到达的声波强度变弱,还会降低噪声场垂直方向相关性。3.基于垂直振速信号的多途结构提取方法研究在建立海洋环境噪声场矢量信号垂直方向的空间相关特性模型的基础上,提出了基于噪声场垂直振速信号的多途结构提取方法,该方法可快速提取垂直分置两点间的物理多途到达结构,有效抑制虚拟头波等非物理到达路径。海上实验数据处理结果表明,相对于声压信号,用垂直振速信号可以极大地缩短多途结构提取所需的信号长度。4.基于海洋环境噪声矢量场相干特性的海底地声参数分步反演方法研究结合矢量水听器在海底分层结构获取与海底地声参数反演方面的优势,开展了基于矢量噪声场的地声参数分步反演方法研究。先利用海洋环境噪声垂直振速信息提取的多途结构来获取海底分层结构,再用噪声场垂直振速相干特性反演得到地声参数。仿真对比了用海洋环境噪声场声压相干函数和垂直振速相干函数反演地声参数的性能,结果表明:噪声场垂直振速相干函数对海底声速更为敏感,用噪声场垂直振速信息反演得到的海底声速更精确本文的研究为矢量噪声的应用提供了理论基础,同时也为低信噪比条件下多途结构的提取与海底参数的获取提供了新途径,论文的工作具有一定的理论价值与应用前景。