随着海洋探索活动的增加,水下无线信息传输的需求也在不断增长。目前常用的水下无线信息传输技术包括水声通信、水下光通信和水下电磁波通信。其中,水声通信是唯一可在水下进行远程信息传输的通信形式。水声通信的技术特点和独特优势,使其成为海洋资源开发和海洋信息交互系统中的重要技术之一,近年来得到了广泛的研究与应用。然而,水声通信面临着许多挑战,究其原因,还是在于水声信道的复杂性。水声信道作为自然界中最复杂的无线信道之一,传输带宽小,多径效应严重,多普勒效应严重,长时延传播等一系列特点严重限制了水声通信质量。而且水声通信的背景噪声成分也十分复杂,为了获得更好的水声信息传输性能,接收机需要进行包括时间同步,频率同步在内的同步操作。水声通信系统通常使用前导码来同步,通过设计前导码的结构和参数,使前导码起到检测信号,估计多普勒等作用,以便正确恢复信息。前导码可以有效获取信道信息,一般而言,水声信道普遍存在多普勒效应,即收发机之间往往存在相对运动,接收信号的长度相较于发送信号的长度会有一定的压缩或扩展。因此,在处理接收信号之前,必须准确估计水声信道的多普勒因子,以恢复信号波形。如何准确估计水声信道的多普勒因子成为了水声通信中一个重要的研究方向,也是本文的工作重点。实际上,很多研究机构已经提出了多种水声信道多普勒估计方案,但是已有水声信道多普勒估计方案通常直接给出信道模型,没有解释建模原因以及对应的场景,或者无法实时估计多普勒因子,有的方案计算量也比较大。因此,本文研究了收发机存在相对运动情况下的水声信道多普勒估计问题,并提出一种新的水声信道多普勒估计方案。首先,在介绍Zadoff-Chu序列的概念和特性后,本文设计了一种新的前导码,即Dual-ZC序列,通过设计前导码的结构和参数,使之能有效抵抗多径效应干扰;根据收发机相对运动这一研究场景建立单尺度多径(Single Scale and Multi-Lag,SSML)水声信道模型;在Dual-ZC序列和SSML信道模型的基础上,设计与之配套的接收机信号处理算法,可以在获得高估计精度的同时保持较少的计算量。借助计算机仿真平台验证了Dual-ZC序列的性质和信号处理算法的有效性。为了验证本文提出的水声信道多普勒估计方案的可行性,我们设计制作了一款水下无人航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)作为水声通信移动实验平台。该AUV具有八个螺旋桨,能实现水下灵活运动,AUV将搭载水声通信设备,通过控制AUV的运动速度产生多普勒效应,不同的相对运动速度可以表示不同的多普勒因子,这可以很好的代表本文的研究场景。在实验室水箱和校内水池进行了AUV功能测试,测试结果显示该AUV功能完善,符合实验需求。最后,我们进行了三种水声环境下的水声信道多普勒估计实验,三种实验环境分别是水池实验,湖试,海洋水声信道数据测试。实验结果证实了本文提出的水声信道多普勒估计方案的可行性与实用性,本文提出的多普勒估计方案可应用于水声通信系统。