北极地区常年被冰层所覆盖,极地冰层对全球气候具有重要影响,精确掌握极地冰层的物理参数,尤其是温度、盐度、密度及其剖面变化,是全面了解极地冰层动态变化的重要参数。此外,在北极新航道航行时,极地海冰是舰船适航性需要考虑的主要环境因素,海冰对船体的荷载响应与冰层厚度和力学性质参数有关,而其力学性质又是冰层温度、盐度、密度这3个物理参数的函数。由此可见,无论对于预测北极海冰对全球气候的影响还是保障极区海域舰船航行安全,大量获取并充分认知极地冰层的温度、盐度、密度及其剖面变化具有重要的现实意义。对于冰层温度、盐度、密度的获取方法,通常采用传统的原位钻孔取样法进行测量,该方法弊端在于费时费力、效率低下等,并且无法现场快速获取大范围区域内冰层的物理参数信息,对在北极地区开展高效准确的科学考察造成了极大的困难。因此,迫切需要一种更为安全、快捷、大范围的冰层物理参数获取方法。针对此问题,本文对北极冰层温度、盐度、密度特性进行了分析,建立了声速关于冰层温度、盐度、密度的函数模型,提出了一种冰层物理参数剖面声学反演方法,并采用参量阵测冰技术更优的实现对大范围区域冰层物理参数的获取。围绕研究目的,本文首先根据第3、4、5、6、7、9次北极科学考察中的实测数据研究了天然冰层温度、盐度、密度这3个物理参数的特性,分析其剖面变化规律,并拟合了冰中密度关于其温度、盐度的二元函数。然后以冰中孔隙率作为中间量,从冰中声速与温度、密度、盐度的函数关系入手,建立冰中声速模型。在此基础上,采用基于模拟退火的改进粒子群(SA-PSO)算法作为反演方法中的优化算法,提出了一种基于冰中声速模型的冰层物理参数剖面反演方法。为了提高测冰能力,研究了基于声学参量阵的冰中平均声速测量方法。充分利用了参量阵低频、小尺寸、窄指向性且无旁瓣的优点,即差频低频声波可以穿透更厚的冰层,小尺寸换能器能够减小对搭载平台(如AUV等)尺寸限制的要求,窄指向性能够提高测量精度,无旁瓣波束可以消除虚假回波的困扰。由于参量阵是大振幅波在水中的复杂非线性自解调过程,因此参量阵发射信号调制技术是参量阵冰层测量中的关键技术,本文以参量阵“Berktay远场解”理论为依据,研究了双积分开平方调制算法和递推滤波参量调制算法。最后进行了水池实验和外场试验,从而验证冰层物理参数剖面声学反演方法的可行性及有效性。本文研究成果为快捷、大范围获取北极冰层物理参数信息提供有效手段,对极地航行及资源开发提供潜在的新技术支撑,为国家的“极地战略”贡献技术力量。