主动声信号对水下回波处理是常用的方法之一,然而水下环境千奇百怪,各种杂波(干扰信号)随处可见,且复杂多变,这些条件给本身带有一定误差的方法在对水下信号处理时带来了挑战。尤其是探测技术的提高,对高速运动的小目标,弱信号的探测精度的要求越来越高,因此,对水声信号的处理,弱目标检测和处理是信号处理领域研究的难点和热点问题。在这种背景下,本文对水下目标主动声信号的压缩感知观测方法展开研究,为解决弱信号处理和采样数据量大的问题提供方法和手段,进而实现低速观测、提高信噪比的目的。主要研究工作体现在以下方面:首先,从水下目标主动声信号的原理出发,利用压缩感知方法,在亮点模型基础上对水下目标信号进行处理,重点对压缩感知中的观测方法展开研究,分析了高斯等常见的随机测量矩阵和托普利兹等确定性测量矩阵,仿真实现并分析了稀疏度、观测值数量等对观测性能的影响。其次,针对高斯矩阵、伯努利矩阵等随机测量矩阵对硬件系统要求高,托普利兹和循环矩阵、部分哈达玛矩阵等确定性测量矩阵的观测性能不够理想的问题,本论文基于轮换确定性测量矩阵,通过对测量矩阵每一列元素的系数进行调整,降低列与列之间的相关性,通过改进轮换矩阵得到一种广义轮换测量矩阵的观测方法,并将其应用于水下回波信号的压缩感知观测中,通过对不同信噪比的水下回波信号的仿真分析,验证了该方法在弱信号处理以及低速观测方面的性能。再次,为了进一步地提高观测矩阵在构造时间、信号重构精度等方面的性能,本论文从已知的测量矩阵的构造过程入手,针对水下回波信号的压缩感知处理提出了一种基于循环直积和QR分解的测量矩阵构造方法,其以循环直积为基础,从有限个低维“种子”向量出发通过有限次循环构造高维的列正交矩阵,对得到的高维矩阵进行QR分解处理进而得正交矩阵,最后根据计算的需要选取正交矩阵一定的行数作为测量矩阵,进而提高构造过程中列向量的非线性相关性。水下回波信号的仿真和实测数据的处理结果显示,该方法在构造时间、重构精度、信噪比提高方面均具有一定的优势。最后,为了实现压缩感知的观测方法在主动声探测方面的工程应用,本论文从物理实现的简单性考虑,为了降低压缩感知框架下观测结构的硬件复杂度,采用直接欠采样率的压缩感知方法,通过改造原有奈奎斯特采集系统,研制了基于直接欠采样的采集设备,实现了低速随机非均匀的直接抽取采样,并根据其采样原理,构造测量矩阵,重构观测信号,实现了基于压缩感知观测方法的信号采集、处理、重构的过程。