在认识海洋、经略海洋和建设海洋强国的重大国家战略下,海床基观测平台技术迅速发展,但是数据回收技术远远落后于应用需求。水声通信技术作为目前水下远距离信息传输的唯一有效手段,成为海床基观测数据回收技术的重点发展方向。随着无人移动平台的发展,具有水声通信功能的无人船平台凭借易集成、布放快、成本低等优势,逐渐成为一种新型、高效的海床基观测网数据回收技术手段,可以有效地提高水下数据回收的时效性并降低海上作业风险和成本。但是由于无人船近海面航行,船体尺寸较小且吃水受限,受海面随机起伏影响严重,无人船水声通信系统如何应对海面随机起伏带来的影响成为实际应用的难题;由于海床基观测网一般布放在浅海区域,海洋环境复杂多变,信道多途严重,无人船水声通信系统如何应对通信信号起伏,提高水声通信同步检测效率,成为水下数据回收的一个关键问题;另外,由于应用场景中存在平台强移动性、自噪声干扰等影响因素,无人船水声通信系统如何能在物理层完成自动优化水声通信参数配置,在保证有效通信速率同时,降低通信误码率,也是必须面对的一个技术难题;最后,在保证数据吞吐量的基础上,如何设计网络MAC协议,降低海床基观测网整体能耗,提高使用寿命,也是需要解决的一个重点问题。针对以上技术和问题,本文以“海洋环境-信道特性-水声通信”为研究主线,从物理声场的角度出发,对随机界面起伏、声场时空特性、无人船水声通信系统和海床基网络MAC协议分析设计等几个问题开展相关理论和仿真分析,并通过多次湖试、海试加以验证,为无人船水声通信回收海床基数据系统提供理论和技术支持。本文主要研究内容及工作包括四个方面:1.水声通信中随机界面起伏特性分析研究。无人船在海面航行时,海面随机起伏对无人船水声通信影响显著,但很难定量描述。首先利用无人船观测的风速、风向和实时水深等参数,提出了一种基于无人船实测数据的浅海波浪谱模型,并通过船载CORS-GPS的高程测量数据进行对比验证;最后近似计算了随机起伏界面的平均声反射系数,并用于垂直和水平信道受界面起伏影响仿真分析。仿真结果表明,在恶劣海况下,水平信道受界面随机起伏影响更大,信号时空起伏特性显著。在数据回收时应优先考虑垂直信道,并使用无人船波浪谱实时描述当前海面起伏状态,统计计算平均声反射系数,以用于声场时空分布分析及水声通信系统参数配置。2.水声通信信号时空起伏特性研究。由于在浅海随机起伏界面影响下水声通信信号时空起伏特性严重影响系统性能,本文以水声通信信噪比时空变化范围为主要研究目标,将声场分为信号场和噪声场两个方面开展时空分布研究。信号场方面考虑海面反射、散射带来的信号干涉效应,通过声场干涉理论及实验数据分析解释水声通信中的多径传播引起的时域信号畸变问题和频率选择性起伏问题,得到信号强度起伏随水平距离、信号频率、带宽、布放深度的变化规律,并通过仿真及黄海海试进行了相关验证。噪声场方面分析随机海面起伏下噪声场的时空分布,重点研究高频风致噪声的时空分布特点,通过实验数据分析,发现噪声时间起伏基本符合高斯分布,空间起伏一致性较强,近海面噪声略高于海底噪声。从声场的角度解释了时变-空变水声信道结构,得出通信信号起伏与频率、带宽、布放深度成反比,与收发端水平距离成正比的规律,该规律可以用于指导无人船水声通信系统参数配置和网络协议优化。3.环境-信道联合感知无人船水声通信系统研究。在随机界面起伏特性和声场起伏特性分析的基础上,通过无人船实时感知当前海洋环境参数,结合信道感知参数联合评价当前信道特性,首次构建无人船通信质量评价模型,系统自动优化配置无人船航速、航向、Modem布放深度等参数,利用PN-vector-OFDM高速相干水声通信技术,提出了有效通信速率为评价指标,完成向量长度、调制方式、信号长度、保护间隔等参数的配置,在有效通信速率条件约束下,高效回收海床基观测网数据。两次外场实验结果均验证了水声通信系统的有效性和稳健性。4.海床基观测网数据回收协议分析设计。从物理层出发,结合无人船实测海洋环境参数,对稀疏式海床基网络和成簇式海床基网络分别进行协议设计,并从能量优化分析和数据回收效率两个方面开展了研究。在能量优化方面,考虑了稀疏式海床基网络协议设计,根据当前海床基状态和水声通信能力,合理优化了无人船航速、占空比、通信数据帧长度和间隔距离等参数。在数据回收效率方面,考虑了成簇式海床基观测网协议设计,讨论了无人船回收数据时节点分簇及路径规划问题,分析了跨层协议参数设计,提出了一种跨层自适应时隙分配时分多址接入协议,提高了成簇式网络数据回收效率。