海洋是国家战略资源的重要基地,目前对于海洋的探索与开发日趋重要。提升我国海洋权益维护能力迫切需要构建天-空-地-海-潜一体化信息网络,其中实现空-海探测及通信是十分重要的关键环节,对未来海上战争中和发展海洋经济有重大的支撑作用。现有水下节点与空中节点通信的跨介质通信方式,受限于水下环境的复杂性、通信速率以及隐蔽性等实际应用要求,尚未完全满足水下-空中的上行无线直接跨介质通信的实际应用需求。因此,探索新的跨介质通信方式具有重要的研究意义和实用价值。本文采用数学建模和仿真模拟的方式研究了基于声学-光学体制的水-空跨介质上行通信方法。该方法通过水下声呐发送声信号,声信号传输至水面时会造成水面的微扰动,利用激光干涉原理对水表面微扰动进行多普勒测振,可以在光电接收器得到相应的干涉信息,对其解调复原,实现水-空跨介质通信。在本研究中,首先分析了水下声信号到达水面的衰减规律,通过Bellhop对不同深度不同频率到达水面的衰减情况进行了仿真;其次,给出了激光干涉法探测水面微扰动的数学和仿真模型,通过正交试验分析验证了不同参数变化对调制声信号探测效果的影响,并通过两种PGC（Phase Generated Carrier）解调方法微分较差相乘算法和反正切算法对信号解调研究,给出了最佳调制深度选取原则;其次,针对四种不同的调制解调方式2ASK、2FSK、2PSK、4FSK,研究了不同调制解调方式在特定采样率下的无误码最大速率和不同信噪比下的误码率,为试验参数选取及调制方式提供依据及经验数据支持;最后,对实际应用场景中声信号的伴随潜艇噪声进行模拟仿真,并通过不同噪声处理算法对其处理,分析不同算法对通信效果的提升。研究结果表明,基于声学-光学体制的水-空跨介质通信方法能够准确探测出信号的幅度、频率、相位信息,仿真结果说明该方法原理上具有可行性。在20000k S/s采样率时,使用600 Hz信号,2ASK、2FSK、2PSK、4FSK能够达到的最大速率依次为100 bit/s、67 bit/s、250 bit/s和80 bit/s。采用小波阈值去噪和盲源分离算法分别针对不同种类的噪声处理后,以误码率作为指标,通信质量分别提升了22.67%和49.76%。