水面母船与水下作业平台是海洋开发活动中的重要组成部分,两者联合作业可完成多种模式的任务。水面母船与水下作业平台之间的信息互通对其功效的发挥有着至关重要的作用。两者之间的通信可以大致划分为两类:以数据传输为主的上行水声通信,对通信链路的通信速率有较高的要求;以指令传输为主的下行水声通信,对通信链路的稳健性有着较高的要求。水面母船与水下作业平台之间水声通信具有资源不均衡的特性,某种意义上水面母船可视为资源无限,而水下作业平台,特别是无供给缆的水下平台则资源有限。如何在这种资源不对称的应用环境下通过合理设计相应发射、接收机结构,以较小的水下作业平台资源开销,获得稳健的上下行水声通信链路,是本文的研究主题。水面母船与水下作业平台间的水声通信常发生在移动环境下,移动水声通信面临多普勒效应和时变-空变信道等诸多方面的难题。可利用频率估计方法实现对多普勒效应的估计,但单频信号易受水声信道“梳状”滤波效应影响。针对该问题,论文提出基于Chip-Z变换的伪随机序列载波频偏测量的多普勒估计方法,通过扩频处理应对止通带效应,同时由于扩频增益以及伪随机序列优良自相关特性的存在,该方法可在低信噪比环境下估计最强途径的多普勒系数。针对多普勒补偿精度和计算量的矛盾,提出基于Farrow结构滤波器的多普勒补偿方法,能兼顾计算量以及重采样精度,可有效应用于宽带多普勒补偿。由于估计与补偿误差的存在,经过上述多普勒估计与补偿后的信号依然存在残留多普勒效应,因此需要对残留多普勒效应进行进一步处理。为此在Pattern时延差编码以及扩频水声通信的基础上,提出了差分Pattern时延差编码以及差分扩频水声通信方法,提出的方法对时变信道以及多普勒效应具有较强的容限,能在宽带多普勒补偿后稳健实现解码,抑制了残留多普勒效应的影响,适用于时变-空变水声信道,经多次试验验证差分Pattern时延差以及差分扩频水声通信方法适用于恒速或变速等复杂移动水声通信环境。差分OFDM水声通信体制,利用相邻符号或者相邻子载波间的相位差携带信息,在接收端通过差分解调可在高信噪比条件下有效抑制信道的影响,能以较为简单的发射接收机结构获得较高的通信速率,在上行水声通信中具有较好的应用前景。差分OFDM水声通信作为上行高速水声通信体制时,对接收信噪比有着较高的要求,针对水下平台对水面母船上行水声通信中遇到的低信噪比以及复杂环境影响问题,提出可用于水面母船接收的矢量时间反转镜信道均衡方法。矢量传感器可同时获得声场某点的声压与振速信息,联合处理声压与振速通道信号可获得可观的处理增益。提出的单矢量时间反转镜可有效提高了输出信噪比,通过矢量信道匹配完成信道均衡。矢量阵时间反转镜可在单矢量时间反转镜的基础上进一步提高输出信噪比,有效抑制了Q函数旁瓣,同时相比于传统声压阵时间反转镜,论文提出的方法具有更强的Q函数旁瓣抑制能力以及抗噪能力。结合差分OFDM等高速通信体制可胜任上行水声通信任务。下行水声通信以指令传输为主,对链路的稳健性以及保密性等提出了较高的要求,针对该需求,论文提出了基于参量阵的下行水声通信方案。针对通信信号参量发射问题,提出了基于参量预调制以及递推滤波法的两种通信信号参量发射方法,结合Pattern时延差编码、扩频、SC-MPSK等通信体制给出了具体的参量发射方案。利用上行水声通信信号实现水面母船对水下平台的方位估计,为下行指向性通信提供目标方位与俯仰角信息。利用声波在介质中的非线性效应可获得低频宽带窄指向的差频声波,具有小尺度、可灵活调整差频系统中心频率以及带宽等优势。利用垂直方向较窄的指向性发射将声线约束于某一角度范围,可对多途信道进行有效抑制,进而简化水下平台通信接收处理机结构,达到利用水面母船的资源减小水下平台资源开销的目的。最后通过水池与海试验证了参量阵在下行水声通信中应用的可行性与有效性。