21世纪是海洋的世纪,海洋对国家的生存与发展、主权与安全具有重要战略意义。为适应我国经济社会的发展,国家更是提出了“海洋强国”战略。合理探索和利用海洋资源的难点在于水下环境的探测,空间谱估计是一种实现水下探测的关键技术,在工业界和学术界得到越来越多的重视。近年来基于信号稀疏表示思想的波达方向估计算法得到了迅速的发展,能够在信噪比低,快拍数少和相干信源下有着较好的估计结果。但对于分布式源,由于不能很好的满足空间稀疏性假设,所以基于稀疏重建准则的空间谱估计方法在分布式源下没有很好的性能。另外,传统的空间谱估计方法大多基于被动探测模型。基于上述背景,本文的主要工作如下:首先,本文利用单发多收阵列系统主动探测的特性,提出了基于稀疏约束的匹配滤波时延估计方法,并进一步扩展到角度-距离的联合估计。不同于传统基于被动探测模型的角度-距离估计方法,所提出方法利用了收发信号波形特征和同步信息,并进一步利用稀疏特征。仿真表明,相较于被动探测参数估计方法,所提出方法可实现更高精度的空间谱估计。此外,本文通过分析稀疏信号表示形式在分布式源模型中应用的不足,建立了基于低秩约束准则的角度-距离二维联合估计数学模型,并分析了联合分布的低秩特性。基于此,提出一种用低秩矩阵重建的分布式源角度-距离二维联合分布估计算法。通过仿真实验表明,对于分布式源的二维谱估计,基于低秩约束准则的方法比稀疏约束的方法具有更好的估计性能。最后,本文设计并实现了一个单发多收的声呐水下探测系统,重点设计了收发数据的结构和系统的工作逻辑,可实时展示水下探测结果,并支持保存声呐接收的数据,方便后续利用真实数据在计算机仿真平台上进行算法研究。并且,基于该系统完成了对本文所提出算法水池实验的测试和验证。