面向海洋通信的水声通信信道具有某些共性,其通常是具有多途干扰以及多普勒因子扩展效应的信道,这说明水声信道是快速时变的,带来的后果是其具有强烈的多普勒效应和多径效应。目前,针对于水声通信,获取水声信道状态信息的方法已从信道估计发展为信道跟踪,而现有的信道跟踪方法只能粗略恢复出信道的整体状态信息,缺点是不能获得信道不同路径的参数信息,此外水声信道的时变性和双扩展特性也限制了该类方法的跟踪性能。能否有效地跟踪水声分路径的状态直接影响着水声通信及信息处理系统的性能。本文选取基于随机有限集的多伯努利滤波器（multi-Bernoulli filter,MBF）作为水声信道跟踪器,并对其状态模型进行优化,使得跟踪器可以自适应地判断多普勒因子的正负性,在环境与模型匹配时发挥更好的跟踪性能。同时,MB滤波器是一种特定于路径的信道跟踪器,它可以帮助我们获取水声信道时变的特定于路径的信道参数。为了获取跟踪器所需的分路径量测值,本研究将信道估计与搜索峰值方法相结合。最后分别通过搭建仿真环境与处理实验数据来验证该跟踪器及获取量测方法的有效应以及准确性。利用上述信道跟踪器获取的水声信道时变分路径参数,本文提出了针对于时延-多普勒双扩展信道的改进被动时间反转镜方法。传统的时间反转镜接收机对于多路径只补偿一个平均的多普勒因子,并不适用于时延-多普勒双扩展水声通信系统。本文应用上述水声信道分路径跟踪器,能够完成细致到各个传播信道的多径和多普勒干扰的补偿,使得针对双扩展信道的改进时间反转镜方法能够有效地使多径能量聚焦,以此提高接收机的性能。仿真和千岛湖试验结果表明,本文所采用的结合水声信道物理特性进行状态模型优化的多伯努利跟踪器可以有效跟踪浅海中的时变水声多路径信道,获得特定于路径的多普勒因子和时延等参数。相较于传统的信道跟踪方法,该跟踪器可以更为精确地跟踪信道状态信息。同时,信道跟踪结果而改进时间反转镜算法有效地减小了海洋通信中接收端的解调误差。在多径时变水声信道下的通信实验结果表明,利用上述基于多伯努利滤波器的信道跟踪算法,以及基于该方法的改进时间反转镜算法进行解调,海洋环境下的通信系统的传输性能被明显地增加了。