水声通信技术在海洋资源开发和大数据海洋信息时代发挥着越来越重要的作用,比如海上石油与天然气勘探开采,水下目标探测,海洋环境保护与资源再生,自主水下航行器集群协作,甚至极地的科考研究等,水声通信技术在海洋信息领域中的应用将不断扩展已成为共识。在对水声通信的技术性能需求稳步增长的同时,水声通信技术的研究主要集中于带宽效率、稳健可靠和高速有效等关键问题,并致力于使得水声通信系统能够适应复杂海洋环境中随机变化的水声信道条件。多载波相干水声通信技术所具有的高频谱利用率、高速率、弱多径等优点,为带宽有限的各种水声通信系统实现高速、稳健的通信链接性能提供了可能,同时水声信道的双扩展特性也给频偏敏感的多载波相干水声通信带来了特有的困难与挑战。因此,研究多载波相干水声通信系统新的调制方案并找到可用于抗强多径和多普勒扩展的方法仍是当前水声通信研究的热点和难点。本文针对双扩展水声信道中强多径（浅海）和收发端相对运动引起的多普勒波动问题,以正交 chirp 复用（orthogonal chirp-division multiplexing,OCDM）调制技术为核心,按照“双扩展水声信道—OCDM水声通信及性能仿真—OCDM系统软硬件实现”的思路展开研究,通过提出的“基于数据分拣的Rake接收机”与“并行重采样”这两个方法,对重点的OCDM多载波方案及相应的抗强多径及抗多普勒波动的算法进行研究、验证与实现。首先,本文基于浅海水声信道的双扩展（时延扩展和多普勒扩展）统计特性,通过实测的典型浅海时变水声信道冲激响应的分析,得到双扩展水声信道离散多径抽头增益的互相关矩阵和频谱,据此构建随机生成型信道仿真方法,并通过厦门五缘湾海试实测的探测信号（伪随机二进制序列）和通信信号（跳频及扩频）验证了该信道仿真方法在通信性能预测方面的有效性。该水声信道仿真方法的优势在于可通过生成仿真信道（与实测信道近似的统计特性）测试并比较不同调制方式或算法的性能优劣,同时可降低水声通信中的算法验证成本。其次,提出一种新的基于菲涅尔变换的抗多径OCDM通信方案。该方案中的多载波调制采用OCDM,OCDM通过经调制的chirp信号和Rake接收机以利用水声信道的多径分集从而提高系统鲁棒性。在双扩展水声信道中,针对多径时延扩展较大（大于保护间隔）的情况,在OCDM系统的接收端加入了基于数据分拣的Rake接收机的新方法（Data pick-Rake OCDM,DP-Rake OCDM）,用于在短保护间隔时消除载波间干扰以提高通信性能。采用随机信道生成（使用厦门港实测的时变信道冲激响应数据）的方法比较了 OCDM和OFDM水声通信系统在同样信道环境下的性能,仿真结果表明:OCDM的BER性能优于OFDM,提出的DP-Rake OCDM系统具有抗多径性能,其BER floor可达到10-6,而正交频分复用（orthogonal frequency-division multiplexing,OFDM）的 BER floor 只有10-3。再次,针对水声通信中由收发端相对运动引起的多普勒波动较大（大于中心频率的1/10000）的情况提出了一种对接收数据并行重采样的方法,通过对瞬时多普勒频移测量得到的多普勒标准差来扩展重采样的范围。在构建的千岛湖随机生成的水声信道条件下,对提出的并行重采样方法进行了仿真验证。仿真的结果表明:与传统的多普勒补偿方法相比,该并行重采样的方法在误码率和数据包错误率方面显示出更优的性能。论文最后以CompactRIO嵌入式平台为核心,构建并实现了可重编程的PR-DP-Rake OCDM（Parallel Resampling-DP-Rake OCDM）实时水声通信系统。该系统基于软件定义的开放式架构设计,具有可重配置、开发灵活和并行实时的优势。在厦门湾浅海域的海试结果表明:通信距离为6 km,传输速率约8 kbps,当信噪比（signal-to-noise ratio,SNR）大于7.9 dB时,系统的误码率为0。本研究的主要创新点总结如下:基于具有随机抽头增益的离散多径模型构建了随机信道生成的仿真方法。该方法利用抽头增益（对信道时变冲激响应采样得到）的互相关矩阵和频谱信息,因此信道的散射函数在时延和多普勒上是可分离的,特别是还可以通过迭代重采样和插值的方法消除或加入多普勒波动,便于抗强多径和抗多普勒波动算法的仿真研究,同时该方法可以生成任意时长的仿真信道冲激响应,而不受测量信道时所用的探测信号发射时长的限制。提出将OCDM调制方式应用于双扩展水声信道中,OCDM中经调制的多个相互正交的chirp信号在频域上重叠,保证了系统的频谱有效性。在工程应用中,OCDM可以通过关闭部分chirp信号来提高系统的可靠性,实现有效性与可靠性之间的置换。针对多载波水声信道中多径时延扩展大于保护间隔的情况,在对多径时延产生的块间干扰和载波间干扰分析的基础上,本研究提出基于数据分拣的Rake接收机方法,该方法通过多个时间窗对OCDM数据块进行分析从而找到最佳的Rake finger,因此可在短保护间隔时降低系统的误码率。OCDM对频偏敏感,针对收发端相对运动或风浪等环境因素引起的多普勒波动,本研究提出并行重采样技术,即通过对瞬时多普勒频移测量得到的多普勒标准差来扩展重采样的范围,从而抑制多普勒波动,同时采用可变重采样分支数量来降低计算复杂度。本研究最后设计并实现了基于并行重采样和数据分拣的OCDM实时水声通信系统。该系统具有具有可重配置、开发灵活和并行实时的优点,系统采用可重编程的开放式架构,将功能划分为电脑,实时控制器,现场可编程门阵列（field-programmable gate arrays,FPGA）和水声通信模拟信号收发器4个部分,特别是在并行重采样和数据分拣Rake接收机的FPGA实现中采用DMA FIFO进行循环设计。