浅海低频声场存在稳定的干涉结构,干涉结构中蕴含了丰富的目标和海洋环境信息,近年来被广泛的应用在海洋环境监测、被动测距、地声参数反演等水声研究中。波导不变量理论通过一个标量描述干涉条纹,自提出以来受到学者们的广泛关注与研究。声传播模型是解释和预测各种水声现象的物理基础,论文对比分析了各种声传播模型的适用条件,并采用简正波理论下的KrakenC模型进行声场建模。在此基础上,对声场干涉结构的形成机理进行了详细研究,波导环境、声源深度、接收深度的改变均会导致声场干涉结构的变化。并且,波导不变量与模态阶数有关,在一些特定的声速分布下,波导不变量与其近似值相差较大,因此,仍需通过波导不变量提取方法对其进行准确估计,为波导不变量的相关应用提供基础。论文对波导不变量提取过程中应用到的Hough变换与Radon变换两种图像处理方法进行研究,两种图像处理技术可以有效的对图像空间中的直线进行检测。波束形成技术是论文中应用到的一种重要的信号处理方法,水池试验数据处理结果良好,验证波束形成可以有效的对目标方位进行估计。本文重点研究了三种结合信号处理技术的波导不变量提取方法,并对各种方法的适用条件进行了详细分析:利用二维傅里叶变换法提取波导不变量的处理过程简单,避免了复杂的微分方程运算,但是在应用过程中需要距离信息已知的引导源,限制了算法的应用;Hough变换法提取波导不变量可以同时对波导不变量与航向角进行估计,对各方位目标的估计性能均较为理想,但是要求目标方位快速变化,对目标方位稳定性的要求高,需要对一段时间的信号进行处理;基于条纹的波束形成法提取波导不变量不需要精确的海洋环境信息,不需要预知声源距离、声源深度以及接收深度,直接对阵列接收信号进行处理,但是对目标方位有一定的限制。准确提取波导不变量有助于提高应用其进行测距、测向等应用的精度,论文中以测距为例进行简单分析。