随着海洋探索和开发的逐步深入,大数据海洋信息获取的需求越来越迫切。为满足高数据率海洋信息传输的需求,高频、短距离的水声通信带来了全新的技术支撑。它将为未来海洋大数据的实现提供可靠的技术方案,也将为组建高频、高数据率的水声通信网络提供新的技术手段。然而海上无处不在的时变风浪及其所产生的高频噪声将对高频相干水声通信系统的设计带来巨大的挑战。如40 kHz以上的高频海洋背景噪声特性研究目前尚属空白,时变海面也使得高频声反射路径在幅度、到达时延和载波相位上会有更复杂的起伏。分析风浪对高频相干水声通信信道的影响,研究高数据率、高鲁棒性的水声通信技术,对水声网络的应用发展具有重要的意义。同时,在时变风浪环境下,设计不同风浪下的自适应稳健高频相干水声通信系统,能为海洋资源勘探、生态环境监测、海底观测网、水下机器人集群协作等领域提供重要的技术支撑。本文以“海洋风浪环境—水声信道特征—相干水声通信”为总体思路对这一问题展开研究。首先,从海洋风浪造成的时变粗糙海面、气泡层与噪声出发,在现有水声信道模型的基础上,结合TEXEL-MARSEN-ARSOLE（TMA）风浪谱模型、Hall-Novarini（HN）气泡模型和应用物理实验室-华盛顿大学的APL-UW修正噪声谱模型,设计了一种风浪影响下的水声信道模型（wind-wave affected channelmodel,W2CM）。运用该模型,论文分析了风浪对高频水声信道的影响,包括风浪对信道的时变性和海面反射路径的影响。接着,将风浪影响下的水声信道引入单载波水声通信中,并在接收端采用常用的基于时间反转的频域均衡（frequency-domain equalization,FDE）和频域判决反馈均衡（frequency-domain decision feedback equalization,FD-DFE）技术抑制信道造成的干扰,分析风浪对高频单载波水声通信技术的影响。在所分析风浪对水声信道影响的基础上,论文结合时变时间反转处理与频间干扰（inter-frequency interference,IFI）消除技术,提出了基于IFI消除的频域判决反馈均衡技术（IFI-cancellation-based FD-DFE,IFIC-FD-DFE）,以消除快时变信道对系统带来的影响。最后,通过2016年和2017年在美国墨西哥湾海上通信实验,表明IFIC-FD-DFE技术能够有效应对高频水声信道中的风浪影响,验证了该技术在风浪影响下的高频单载波水声通信中的有效性。研究结果显示,随着风浪强度的提高,高频水声信道的时变性呈先升后降的趋势;在极大值点右侧,风浪强度的提高能减小水声信道的时变性,对以时不变信道为前提的频域均衡接收机较为有利。应用IFIC-FD-DFE技术,能进一步改善频域均衡接收机在快时变信道下的性能。仿真与实验数据均表明,相比于FDE与FD-DFE接收机,IFIC-FD-DFE接收机的性能有近2 dB的提升。此外,针对浅海中的潜在脉冲噪声,本论文提出一种对称α稳定（symmetric α-stable,SαS）分布噪声下的解调技术,海上实验数据验证了该技术的有效性。本文的主要创新点总结如下:1.本文设计了风浪影响下的高频水声信道模型W2CM。与传统水声信道模型不同,该模型考虑了风浪所引起的时变粗糙海面、气泡层与水下噪声等环境因素,并从宏观与微观的角度考虑高频水声信号的多径传播特点,能够快速、准确地仿真不同风浪环境下的高频水声信道。2.结合W2CM模型与海上实测数据,本文分析了高频水声信道的特性及风浪环境对其影响。分析结果表明,高频水声信道的时变性随风速的增大呈先升后降的趋势;在低风速区,信道的时变性将达到极大值。3.在分析风浪对高频水声信道影响的基础上,本文首次分析了风浪对高频单载波水声通信系统的影响。结果表明,在信道时变性随风浪变化的极值点右侧,风浪强度的增强有助于减小水声信道的时变性,提升通信系统的性能。4.针对风浪所引起的快时变信道,本文提出了 IFIC-FD-DFE接收机,提升了频域均衡接收机在快时变信道下的性能。该接收机通过时变TR处理和IFI消除两种方法,抑制了接收信号中的频间干扰。5.针对浅海环境下可能存在的脉冲噪声,本文提出了 SαS分布噪声下的解调技术。这一技术将传统通信系统的高斯分布噪声假设扩展到了适用性更广的SαS分布噪声假设,有效应对浅海环境脉冲噪声所带来的干扰。6.本文所采用的单载波FDE和FD-DFE技术在传统频域均衡的基础上,结合TR处理实现了无前缀的传输,并采用重叠分块与迭代处理,进一步抑制了无前缀所带来的块间干扰。海上实验数据验证了系统的有效性。