浅海水声信道具有多途扩展严重、时频域快速变化、多普勒频偏严重、传输衰减大、噪声干扰严重、通信带宽受限等特点,对水声通信的研究提出了严峻的考验。本文首先介绍了单载波时域均衡的基本原理,并对被动时间反转镜、判决反馈均衡器、时域信道估计方法等关键技术进行了理论推导和计算机仿真,在此基础上针对时变水声信道下的水声通信、近距离高速水声通信、多用户水声通信以及冰下水声通信等几个问题开展相关研究,并通过多次湖试、海试、冰下试验加以验证。首先,时变信道下的单载波稳健水声通信技术研究。针对时变的多普勒效应和多途水声信道,本文提出如下的解决方案:首先根据信道时延-多普勒扩展函数的估计结果对接收信号重采样处理;在此基础上将接收数据分成较小的数据块处理,数据块的长度小于信道的相干时间,由于在短时间内可以认为信道是时不变的(包括多途信道结构和多普勒效应),前一数据块的多普勒以及信道估计结果用于当前数据块的多普勒补偿以及信道更新;最后采用内嵌锁相环的单通道判决反馈均衡器移除残留的码间干扰和多普勒效应。该种分级的估计和补偿方案不需要在发送信号中频繁的插入训练序列,从而可以提高通信速率。对本文所提方法开展了两次海试试验研究(渤海鲅鱼圈试验和小长山岛试验),试验结果均实现了时变水声通信环境下的信道的有效跟踪和补偿,验证了算法的稳健性。其次,基于矢量水听器阵列对近距离高速水声通信技术进行研究。本文在矢量水听器阵列研究的基础上提出了分频带传输联合双向判决反馈均衡的水声通信方案:(1)高速水声通信中每个符号的能量较小,受信道噪声干扰严重,矢量水听器通过声压和振速通道信号的线性组合可以提高输入信号的信噪比,并且当多个矢量水听器联合使用时还可以采用被动时间反转镜技术取得空间聚焦增益;(2)分频带传输技术将相对较宽的频带划分为若干子带,在每个子带内进行信息的并行传输,很好的解决了由于通信频带过宽导致的采样率较高、抗多途扩展能力下降的问题;(3)双向判决反馈均衡器主要是针对判决反馈均衡器中的误差传播问题提出的,其将正向均衡和反向均衡的输出合并,有效降低同一位置发生错误判决的概率。矢量水听器阵列、分频带传输以及双向判决反馈均衡器联合组成了本文提出的近距离高速水声通信方案。本文对该方案开展了海试试验研究,试验结果实现了通信速率为48kbit/s,频带利用率为4.29bit/s/Hz的低误码率数据传输。再次,对单载波多用户水声通信技术进行了研究。本文研究了基于单载波的空分多址水声通信技术,推导了被动时间反转镜处理时各用户SINR计算方法。对于异步多用户水声通信,提出了自适应被动时间反转镜技术,借鉴自适应波束形成的理念,通过设置用户间干扰为零的约束条件,在频域计算每个用户的最优匹配权向量,然后通过IFFT转换到时域。在异步多用户水声通信技术研究的基础上,本文进一步开展了单载波MIMO水声通信技术研究,提出了基于被动时间反转镜联合连续干扰消除技术的水声通信方案,即PTR-SIC-DFE。本文对单载波异步多用户和MIMO水声通信技术进行了计算机仿真和试验研究,结果验证了本文所提算法的有效性和稳健性。最后,对冰下水声通信技术进行了研究。本文结合实际冰下采集数据,围绕冰下水声信道特性、冰下单载波水声通信两个方面开展研究。数据处理结果表明:三次冰下试验水声信道结构均十分稳定,信道相干时间较长;而冰下水声信道空间相干性与试验水域相关。冰下水声通信中采用单个阵元即实现了通信速率为32kbit/s的高速数据传输。冰下MIMO数据处理结果发现:冰下基本恒定的声速梯度使得近距离试验时接收端信号能量的分布与发射换能器的布放深度密切相关。当阵元数目大于等于两个阵元时,本文采用最基本的PTR-DFE即可实现MIMO数据的有效解码。