从上世纪90年代至今,由于经济社会发展和国防安全的需求,水声科学技术的研究受到了世界各国的关注,并取得了突飞猛进的发展。相比陆地无线信道,水声信道具有其特殊性和复杂性,表现在其严重的多途效应、时变特性以及带限特性等方面。近年来持续发展的水声相干通信在提高频带利用率和信息传输速率上,较非相干通信有着较明显的优势,但同时对水声信道的参数估计有着越来越高的要求。从信号处理角度上讲,信道估计的精度与效率直接影响着整个水声通信系统的性能,因此该问题一直以来都是水声领域研究的重中之重。本文从水声信道的物理特性出发,抓住其宽带本质,对具有多尺度多时延特性的水声信道参数估计问题,及其在水声通信上的应用展开了深入研究,在以下几个方面具有创新性成果:1)结合对射线理论和水声Doppler效应的分析,系统地描述了宽带水声信道模型的多尺度多时延特性。对于不满足窄带近似条件的信道,以Doppler尺度因子来描述宽带Doppler效应,接收信号表示为发送信号多个时延-尺度副本按照宽带扩散函数的加权叠加。通过对BELLHOP建模工具和Vir TEX算法加以修正和改进,模拟出平静海面以及正弦起伏海面情况下具有多尺度多时延特性的信道。2)研究了现有的基于宽带相关处理的信道估计方法,在此基础上,采用一种基准尺度为有理数的小波作为信道探针信号,提出了宽带解卷积信道估计方法和匹配追踪信道估计方法的离散数值算法。仿真实验表明,当信道具有充分稀疏性时,两种方法均能够获得较理想的宽带扩散函数估计。3)利用线性调频信号在时域和分数阶Fourier变换域的脉冲压缩特性,提出了一种基于分数阶Fourier变换的多尺度多时延水声信道参数估计方法。该方法能够以迭代的方式对多分量线性调频信号按照能量大小顺序进行分离,在每次迭代中,通过一个可以校正最佳变换阶数的子迭代过程来获得尺度、时延等参数的精确估计。仿真实验表明,该方法对宽带扩散函数的估计误差明显优于现有的其它方法。4)针对多尺度多时延水声信道,提出一种双曲调频-扩频通信方案。通信帧以线性调频信号作为帧头,用于信道估计,并采用一系列双曲调频信号对数据进行扩频调制。接收机具有极其简单的系统结构,可直接利用信道参数估计结果将收发信号的相关输出分成多条支路进行分集处理,通过一定的合并技术可以获得多径-尺度分集增益。此外,容易将单带传输系统扩展到多带传输,仿真结果证实了该方案的有效性。