AUV(Autonomous Underwater Vehicle)是人类探知海洋与利用海洋的重要载体,水声通信技术在AUV的控制与信息交互中扮演着至关重要的角色,AUV水声通信信道往往表现出高度动态的双扩特性(即多途扩展和多普勒扩展),为克服时变的严重多途扩展及多普勒扩展对AUV水声通信系统的影响,针对某型AUV水声通信系统的需求所面临的实际问题,本文开展了联合帧同步、多普勒估计与补偿技术、AUV数据传输同步技术以及基于单基元/阵接收技术的水声信道短化技术的研究工作。首先,针对AUV水声通信的实际需求论述了 AUV水声通信技术面临的技术难题,归纳总结了现有AUV水声通信技术的发展历史及研究现状,基于某型AUV水声通信系统的实际需求提炼出本文AUV水声通信系统研究的关键技术问题,进而为本文研究工作指明方向。其次,针对水声通信系统实时性要求以及面临的时变多普勒估计、跟踪与补偿问题开展了理论与试验研究工作。理论研究工作包括:(1)设计提出了一种联合帧同步与多普勒估计及补偿的AUV跳频水声通信帧结构;(2)研究了环境自适应的帧同步技术;(3)基于帧同步脉冲研究了基于互协方差技术的稳健初始多普勒估计技术;(4)研究了加速条件下的实时低复杂度逐码片定时及多普勒跟踪与补偿技术。开展了湖上AUV水声通信的模拟试验及湖上综合试验,试验研究表明:当通信速率为160bps时,相对速度在0～3节的动态范围条件下的基于互协方差技术的多普勒速度估计值与GPS的测速的误差在-0.3m/s～0.3m/s范围内,通过低复杂度线性插值多普勒补偿技术可使解调后的误码率从20%降低至5%左右,经信道译码后可实现无误码水面与水下的双向数据传输。然后,针对运动条件下的AUV同步数据传输的要求开展了基于水声通信链路的同步数据传输技术的研究,基于水声信道因频率吸收等因素是一个频带受限信道,通信双方往往工作在同一频带上,为避免通信冲突,需要进行时钟同步。不同于陆地上的无线传感器网络的同步方式,水声信道由于声速较小,存在较大的传播延时,且由于水声通信质量有限及能耗要求,需在时钟同步精度和资源消耗上进行折衷。TSHL(Time Synchronization for High Latency)时钟同步协议作为最接近水下网络环境的时钟同步协议,但需要节点间相对静止的前提条件下保证同步精度。AUV与母船时钟同步期间的相对运动使得双程传播时延并不相等,增大了时钟同步的误差,本文对TSHL时钟同步协议进行了改进,提出了基于水声无线链路测距和测速的动态时钟同步算法。在同步协议的节点信息交互中包含相对测速信息,通过对运动条件下双程传播时延进行速度补偿,减小了同步误差。同时研制了 AUV通信机样机,对该时钟同步技术进行了验证,母船和AUV在相对运动的条件下保证了同步数据传输的稳健性。最后,针对传统时反技术存在误差平底以及跳频通信随着通信速率的增大抗多途性能下降的问题,为在较为恶劣的多途条件下保证较高的跳频通信速率,基于水声通信信道的宽带空时频稀疏特性,开展了稀疏驱动的空时频水声通信信号处理技术的研究;理论研究工作如下:(1)研究了基于DCD技术的低复杂度On-Grid和Off-Grid压缩感知技术研究;(2)研究了基于低复杂压缩感知技术的稀疏多途DOA估计技术;(3)研究了基于低复杂压缩感知技术的稀疏多途信道估计技术,(4)研究了基于稀疏信道估计的单基元稀疏信道被动时反与MMSE短化技术;(5)研究了宽带空时频信道建模以及空时频联合稀疏信道参数估计技术,开展了仿真与湖试试验研究。仿真和实验表明:(1)对于Off-Grid压缩稀疏参数估计问题,POMP-DCD和AMP-CTLS-DCD算法的估计精度比传统OMP算法有明显的提高,且相比于原始的POMP及AMP-CTLS算法有更低的计算复杂度(将每次迭代的运算量由O(K2)操作降低为O(K))及更好的数值稳定性,便于DSP或FPGA硬件平台上的实现;(2)提出的空间置换的SA-POMP-DCD及SA-AMP-CTLS-DCD的宽带空时频水声信道参数估计技术相比于传统的SA-OMP算法具有明显的复杂度以及处理Off-Grid问题的优势;(3)稀疏驱动的单/多基元水声跳频通信信号处理技术,根据估计的稀疏DOA结果进行空域滤波后多途干扰被明显抑制,后续经短化处理的通信性能(即SER和BER)有明显提高,基于稀疏性驱动的MMSE信道短化技术能克服被动时间反转信道短化技术的误差平底现象,可以获得更好的通信性能。