水声对抗和目标隐身技术的不断发展使得水下微弱目标信号的检测面临严峻挑战。由于水介质的不均匀性和界面的不平整性,声呐接收到的是畸变的包络起伏信号。微弱的包络随机起伏的水下目标信号的检测是亟待解决的问题。对水声信号进行非线性建模与处理,利用混沌系统对微弱周期信号敏感性的检测原理,实现较低信噪比下水下目标信号的混沌化检测的研究具有重要意义。为了实现实测水声数据中的微弱信号检测,对常规Duffing混沌系统进行改进,给出一种针对实测包络随机起伏信号的Duffing混沌系统检测方法。首先,求解Duffing混沌系统从混沌状态到大尺度周期状态跃变阈值的解析方法是目前Duffing混沌理论亟需解决的问题,而此系统跃变阈值的确定是Duffing混沌系统应用的重要理论依据。应用谐波分析方法,给出了 Duffing混沌系统从混沌状态到大尺度周期状态跃变阈值的解析求解公式。特别地,确定了内置策动力角频率为1且经尺度变换后可以检测任意频率信号的Duffing混沌系统跃变阈值的计算公式。仿真结果验证了系统跃变阈值求解公式的准确性。其次,为了降低由于待测信号与内置策动力合成的总策动力幅值小于跃变阈值时出现的漏报误判概率,克服相图判别法定性分析的不足,提出变幅值系数的Poincare映射集判别方法,给出量化统计判别结果。最后,针对包络起伏信号引起的Duffing混沌系统误判问题,提出利用变幅值系数的短时Duffing振子阵列进行检测的解决方法。对信号加时间窗以保证窗内信号近似平稳,短时窗内信号周期延拓,确保信号激发Duffing混沌系统达到稳态,进而根据平稳化信号进行检测以降低包络起伏信号的影响。仿真及实测水声信号检测结果验证了该方法的可行性。