矢量水听器可以同步、共点测量声场的声压和质点振速信息,这不仅有助于改善水声系统的性能,而且也拓宽了后置信号处理空间,同时它又具有良好的低频指向性、较强的抑制各向同性噪声能力等诸多优点,为解决水声问题提供了新的思路和方法。随着矢量水听器技术的日益成熟以及在军事需求牵引下,矢量水听器技术已被广泛地应用于水声各领域,目前成为水声界最为活跃的研究方向之一。本文以矢量水听器在水下作战平台上的应用为研究背景,着力解决水下高速运动目标的识别与被动跟踪问题。论文首先建立了水下目标运动的数学物理模型,并对模型进行了推导和验证,在此基础上提出了两种产生多普勒信号的算法——内插拟合法与时间反演法。然后结合所推导的模型定量定性地分析了目标高速运动对矢量信号处理的影响。针对目标高速运动带来的影响,建立了一种与之相匹配的算法——瞬时相关积分法。结合矢量水听器的测量模型,系统地介绍了瞬时相关积分法的原理和应用,并对算法性能做了大量的理论分析和仿真验证。研究表明,瞬时相关积分法既能够消除多普勒效应带来的影响,又能够抑制交叉项干扰,还可以提高信噪比,在目标特征信号的检测和目标识别等方面取得了较好的效果。将瞬时相关积分法与互谱法有机结合,构建了一种用于目标方位估计的算法——基于相关积分的互谱WVD算法。针对不同运动速度、不同距离和不同信噪比条件下的实例进行仿真研究,并将该算法与互谱声强法以及克拉美罗界进行比较。结果表明,当目标处于远距离且低速运动时,两种算法的方位估计性能基本一致;而当目标处于近距离且高速运动时,基于相关积分的互谱WVD算法的方位估计性能大大优于互谱声强法。