水声定位技术广泛应用于渔业、海洋环境监测和石油开采等领域。直达声辨识与提取技术是水声定位系统的关键技术,该技术也被用于水声通信和探测系统。浅海复杂环境中的多途干扰是影响直达声辨识和提取的重要因素,研究在复杂多途环境下如何准确辨别直达声脉冲并精确估计其传播时延,将有助于提高水声定位系统的性能。经典的拷贝相关法在实时实现时存在运算量较大的问题,本论文采取对信号降采样处理予以克服;目标高速运动产生的多普勒将使相关峰位置偏移,为此论文采用相关峰瞬时频率法、双脉冲法和优化发射信号法三种方法以减小时延偏移;针对多普勒导致的信号处理增益下降问题,采取延长拷贝信号的方法减小性能衰退。经典的拷贝相关在以上措施的修正下表现出良好的性能。经典相关法无法突破时延分辨率的瑞利限,在频带间隔较小的条件下抗串漏性能也不佳,因此本文研究了高分辨时延估计算法。MUSIC法解决了高分辨率时延估计问题,优化卷积法解决了低计算复杂度条件下的高分辨时延估计,迭代法解决了多用户条件下的时延估计问题。压缩感知具有良好的时延分辨率,虚拟带宽扩展法可获得非整数时延及脉冲幅度估计。外场试验验证了上述方法的性能。最后,由于上述算法在硬件平台上实现时运算量较大,在高性能显卡平台上设计实现了时延估计的实时算法,利用帧重叠方法解决了帧边界点的时延估计问题,利用声场信息克服了脉冲挑选难题。