在水声通信系统中,多普勒频移因子的研究一直是个重要的课题。在当今时代,海陆空技术全面发展,但是由于声速比较慢,而且声波在水下传播时会受到传播损耗、环境噪声、多径时延等影响,水声通信中的多普勒效应远大于陆空通信,信号在接收端会产生更为严重的失真。因此,为了保证水下通信的质量和效果,需要采取一定的方法措施进行多普勒频移因子的估计和补偿。针对该情况,本文也进行了相关的技术研究和算法设计,其具体内容包括:第一,介绍了水声通信信道的常见特性,包括通信带宽资源有限、海洋环境噪声严重、空间选择性衰落、多径时延和多普勒效应。同时分析了这些特性给水声通信质量带来的影响。随后介绍了几种常见的多普勒频移因子估计算法,分析了这些算法在现实水声通信中的实用性和优缺点。第二,针对现有的多普勒频移因子估计算法中存在估计精度与运算量之间的矛盾问题,本文提出一种基于LFM瞬时自相关及其扩展的多普勒频移因子估计方法。首先由已知的线性调频(Linear Frequency-modulated,LFM)信号作为发送信号,然后利用瞬时自相关以及自相关的扩展对接收信号进行理论分析(综合考虑了无噪和有噪情况),得到多普勒频移因子的精估计表达式和算法性能表达式。第三,根据信号参数估计的理论知识,推导出本文模型下的算法克拉美-罗下界(Cramer-Rao Low Bound,CRLB),并通过大量仿真实验对新算法性能进行了验证分析。实验结果表明,相比于现有的一些多普勒频移估计算法,本文所提出的算法在低运算量的情况下,保持着一定的估计精度,而且其性能在低信噪比和综合考虑多径效应下可以迅速逼近于CRLB界。