海洋属于复杂的声学介质,其最大的特点就是海洋边界和海洋内部的不均匀性。其中,海面边界的不均匀性源自海面波浪的随机起伏。在复杂的海洋环境（特别是浅海）,海面波浪的随机起伏会导致声波的散射和反射。海面的散射和反射会产生多途信号,这些信号在接收端互相叠加干涉,会导致能量衰减,使得水声信道呈现不同的特征,从而影响水声通信系统的质量。因此研究随机起伏海面的散射和反射对水声信道特性的影响具有重要意义。本文首先利用一维高斯随机起伏模型说明了均方根高度和相关长度与随机起伏表面的起伏特性之间的关系。考虑到海面波浪的起伏情况主要受风速的影响,海面谱函数并不服从高斯分布,于是给出了受风速变量影响的海浪谱—PM海浪谱,其谱函数是根据充分成长型海浪的观测数据推导得到的。然后利用Monte Carlo方法建立了基于PM海浪谱的二维随机起伏海面模型,分析风速对海面起伏高度的影响。并得到了不同风向夹角下的基于PM海浪谱的一维随机起伏海面,进一步讨论了风速对海面的均方根高度和相关长度的影响。由于声波受海面边界的散射和反射作用是产生多途信号和能量衰减的重要原因,因此本文针对随机起伏海面的散射和反射特性进行了研究。利用积分方程方法计算了基于PM海浪谱的随机起伏海面的散射声场,分析其面内散射特性,研究了随机起伏海面的散射强度受风速、风向夹角和声波频率的影响;并利用相干反射系数来表征海面造成的散射损失,计算了不同海面风速和不同声波频率条件下相干反射系数的变化情况,从而得到了基于PM海浪谱的随机起伏海面的散射和反射特性。考虑到高频情况,本文利用射线模型建立了随机起伏海面环境下的声传播模型。结合随机起伏海面的起伏特性和声散射特性,并将海面环境信息融入到信道模型中,建立了基于PM海浪谱的随机信道模型。研究了不同传播距离下,声波的传播损失和信道的冲激响应受海面风速的影响。结果表明,波浪起伏会导致声波能量的快速衰减,并且风速的大小对传播损失的峰值范围有着较大的影响。风速越大,海况越差,到达声线的能量幅值越小、到达路径数目越少。实现水下信息交互和信息感知的重要手段之一就是水声通信,并且水声通信体制的种类繁多,但是其共同点就是对信道估计的精确度均有着较高的要求,而对于不同的水声信道环境和不同的通信体制,信道估计的方法不尽相同。本文针对上文提到的基于PM海浪谱的随机起伏海面环境下的水声信道的估计方法做了研究,分别利用LS算法、LMS算法、l₀-LMS算法、MP算法和OMP算法,对不同风速条件下的随机起伏海面信道进行了估计,计算了估计信道在不同信噪比下的均方误差,对算法估计性能方面进行了综合性比较分析。