随着海洋被不断地探索和认知,其资源及军事价值也越来越受到人们的重视。由于受到陆地资源及环境的限制,作为海洋大国,大力发展海洋经济、发挥其军事价值,将成为我国21世纪的一项重要任务。而作为探索海洋的主要装备之一,水声阵列探测系统也将发挥越来越重要的作用。本文依托“天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室”,受国家海洋经济创新发展区域示范项目“海洋声学探测成套装备产业化”支持,对水声阵列探测系统进行了多年深入的研究,详细分析了海洋地震信号采集与传输的特点,并针对传统水声阵列探测系统在实际应用中的缺陷进行了改进与优化,以满足不同应用条件下的项目需求;同时,在现有系统的基础上,建立了全新的阵列信号模型,并针对变采样率条件下采样快速再同步方法、阵列同步采集算法以及波束形成算法等进行了较为深入的研究。本文的主要研究内容包括以下几个方面:1、针对传统的水声阵列探测系统拓扑结构进行了优化,改进了数据采集节点的内部组成,设计了基于FPGA的奇、偶通道同步控制模块以及具有高同步精度的多通道同步锁相环,使数据采集节点具有变采样率采集的功能,同时还为系统提供了多参数自检功能的测试模块,形成了具有变采样率及系统自检功能的水声阵列探测系统数据采集节点。2、针对传统水声阵列探测系统在同步精度方面的缺陷,提出了一种在变采样率条件下采样快速再同步方法,并针对有不同水听器分布位置引起的同步误差,提出了一种阵列全同步采集补偿算法,该算法能够使系统所有通道实现高同步精度的信号采集。3、针对水声阵列探测系统传输节点进行了适当的改进,开发了专用传输协议,研究了海量数据远距离传输技术,同时还提出了一种地址快速分配方法。通过相关实验验证了水声阵列探测系统传输节点的远距离数据传输性能及快速地址分配功能。4、研究了一种基于改进型对角加载的高信干噪比稳健自适应波束形成算法。该算法的提出改进了加载形式,并构造了新型约束最优化问题,提高了算法在信号模型失配情况下的信干噪比。5、详细介绍了水声阵列探测系统水听器阵列成缆工艺及其过程,并针对不同组成部分进行了相关现场测试,包括电子舱水密性试验,硬件电路性能验证,系统组装联调及湖试实验等,最终验证了本文所提水声阵列探测系统的可靠性及稳定性。