水声通信是海洋资源勘探开发的重要组成部分,具有广阔的应用前景。对长时间水下工作的通信节点来说,信号到达检测与同步是实现可靠水声通信的关键技术。水声通信具有多径效应严重、多普勒效应难以忽略、接收端信噪比低、带宽严重受限等特点。因此,研究水声通信中可靠的信号到达检测与同步技术具有重要的研究意义与应用价值。针对水声通信节点计算能力受限的问题,论文首先提出一种基于多音(Multi-Tone,MT)信号的双滑动窗口能量商信号到达检测算法,该算法结合了能量检测算法实现简单与频率检测算法可靠性较高的优点,通过双滑动窗口能量商检测与频率检测确认两步,实现了较低计算复杂度下可靠的信号到达检测。针对中远距离通信条件下传统自相关检测算法多普勒适应性较差的问题,论文提出了一种改进的基于重复M序列的自相关信号检测算法,通过将传统自相关算法中的块重复结构优化为符号重复结构,改进的自相关检测算法在低信噪比环境下仍具有可靠的检测性能,且具有一定的多普勒容忍性。考虑节点移动导致的多普勒效应问题,针对现有多普勒因子与定时同步联合估计算法前导码偏长的不足,论文提出了一种基于双曲调频(Hyperbolic Frequency Modulation,HFM)信号的多普勒因子与定时同步联合估计算法。利用HFM信号的多普勒不变性与良好的互相关性,联合估计算法将具有相反调频斜率的HFM信号在时域进行叠加,根据升扫频与降扫频HFM信号匹配滤波峰值的差异,实现多普勒因子与定时同步位置的联合估计。理论分析和仿真结果表明,相比于传统多普勒估计与定时同步算法,联合估计算法的前导码更短,且在获得定时同步位置的同时即可估计出多普勒因子,具有支持实时处理的优点。最后,论文对所提出的基于MT信号的双滑动窗口能量商检测算法、改进的自相关检测算法与基于HFM信号的多普勒因子与定时同步联合估计算法开展了海试验证。实验结果表明论文所提出基于MT信号的双滑动窗口能量商检测算法在合适信噪比条件下具有较好的检测性能,但是在低信噪比条件下性能下降较大;改进自相关信号检测算法在低信噪比条件下可通过发送更长的唤醒信号实现可靠的信号到达检测。两种检测算法的计算开销都能满足值班电路实时检测的需求,且对脉冲噪声具有较好的抗干扰能力。基于HFM信号的联合估计实验结果表明在多普勒环境下,利用叠加HFM信号可以较为准确的估计出多普勒因子,同时修正后的定时同步位置可以降低解调误码率。