在过去的几十年中，由于探索海洋的巨大需求，水下无线通信技术获快速发展。水体自身复杂的物理特性使声波成为唯一的适用于任意距离水下无线通信载体。水声通信是水下无线通信领域中的一个主要研究方向。首先介绍水声信道的特性，并将其与无线电波信道特性对比，以此体现水声通信的研究难点。通过介绍当前水声通信中的主要研究领域来描述水声通信的发展状况。此外，分析总结了高速中近程水声通信的各种主要调制解调方式。基于中近程水声通信经验，总结了针对水声通信系统性能的3种一般评价准则。所提一般评价准则对水声通信系统设计和评价具有重要指导意义。

针对水下点对点通信和水下码分多址(CDMA)组网高稳定性、高可靠性水声通信需求，提出一种基于双扩频码的水声直接序列扩频通信系统。为解决信息数据速率与多普勒估计、信道估计和数据帧同步精度之间的矛盾，设计了一种基于双扩频码的数据帧结构。其中，训练序列采用长扩频码，可用于数据帧检测与同步、多普勒估计和信道估计，有效信息数据的扩频调制采用短扩频码。系统多普勒估计采用一种延迟互相关算法，信道估计采用一种相关算法。水下组网应用时，每个用户分配一对扩频码。仿真结果表明，该系统具有良好的抗多径、抗干扰、抗多普勒性能，信噪比大于−10 dB时系统误码率可低于10⁻⁶，数据速率可高达355比特/秒，可用于水下CDMA网络的下行链路中。

水下复杂多变的信道条件给视频传输的设计带来了很大挑战。目前方案通常将视频编码与数据传输视为两个单独模块。提出一种自适应视频收发方案。该方案兼顾视频组件重要性以及信道条件，获得比传统方案更好的传输性能。然而在现实中，通常无法获得理想的信道状态信息。因此，对该方案与已知方案在不完全信道状态信息下进行相应性能比较。仿真数据与实验数据显示，该方案具有更高峰值信噪比以及更高视频结构相似指数。

水下移动传感器网络（UMSNs）不要固定，易实现快速部署，其节点可随洋流飘动扩散，易实现大范围的监测。因此，UMSNs是远海环境下实现短期、迅速、大范围组网监测跟踪的有效手段。UMSNs目标跟踪的挑战在于高精度的目标跟踪效果需要以高精度的实时节点定位为前提，而UMSNs的节点位置是不断变化的。为获得高精度的实时节点定位结果，运用传统的定位方案对其进行连续定位将会消耗大量能量。为减少UMSNs目标跟踪过程中节点定位所消耗能量，利用节点移动在时间空间的相关性，结合多步Levinson-Durbin线性预测算法提出高精度的长周期节点位置预测算法（HLMP）。通过高精度位置预测减少节点对实时通信定位的依赖，进而减少网络能耗。根据目标跟踪过程中节点与目标的相关性，提出同时定位跟踪算法（SLAT），进一步提高节点的定位精度。仿真结果表明，HLMP算法能够在低能耗的情况下显着提高定位精度，SLAT算法进一步降低节点定位误差。更高的定位精度将同步提高目标跟踪性能。

在有限水下空间中，微型水下机器人正获得越来越广泛的应用。微型水下机器人与水声通信相结合，可实现数据与指令的水下无线传输，而无需上浮至水面。本文首先将微型水下机器人与紧凑型水声通信系统进行集成，并在此基础上开展了水声通信实验研究。针对微型水下机器人移动和静止两种情况，重点对水声通信收包率与误码率进行了测试。实验结果表明，有限水下空间中多径效应显著，会对水声通信同步信号产生严重干扰；微型水下机器人移动时，水声通信换能器之间的相对运动会进一步降低通信质量。本研究对提高有限水下空间中的移动水声通信性能具有借鉴意义。

水下接驳系统可以极大地扩展自主水下航行器（AUV）的工作范围，而无需水面舰船的支持。稳定和精确的控制对于将AUV对接到小型水下接驳站至关重要。本文介绍了一种欠驱动水下航行器对接系统，重点介绍了控制算法的设计及实现。对于欠驱动AUV，侧向偏差只能通过调整AUV的航向来控制，AUV与接驳站成功对接必须同时限制其侧向偏差和航向偏差，然而由于实际环境中存在未知洋流，对接控制问题会更为复杂。针对上述情况，设计了回坞控制器，在控制器中嵌入洋流在线估计器/补偿器。洋流估计器可以仅基于AUV相对于地面的速度以及姿态来估计水平方向和垂直方向洋流的大小，而大多数现有方法需要测量AUV相对于大地以及相对于水体的速度。在仿真分析基础上，在基于MOOS-IvP的原型AUV中实现了所设计的回坞策略。仿真结果表明，即使存在侧翼洋流干扰，洋流估计器/补偿器也能很好地工作。最后，通过一系列海上实验验证洋流估计器/补偿器以及整个对接系统的有效性。海试结果表明，本文设计的控制方法可以有效控制AUV入坞。

水下成像技术越来越多地被海洋生物学家应用于海洋资源和生物多样性的丰度评估。之前，我们开发了挪威龙虾丰度测算方法，并利用安装在拖网上的黑白摄像机采集的视频序列对龙虾洞进行计数。在本文中，我们提出一种替代架构，并利用遥控潜水器采集的深水视频序列对该架构进行测试。该架构由以下4个模块组成：（1）预处理；（2）目标检测与分类；（3）目标追踪；（4）量化。在可用的测试视频中，对基于视频的自动丰度估算方法进行测试，并与专家人工计数结果（地表实值）比对，得到了令人鼓舞的结果。在可用的测试集中，所提出的系统在龙虾计数上的查准率和查全率达到100%，在龙虾洞计数上的查准率和查全率达到83%。

证实并研究了海气界面风力强迫作用下的海洋动力学湍流统计差异。海气相互作用下的海洋表层流至关重要，因为它能够将热量从低纬度输送到高纬度。在一阶方程中，海洋表层的洋流包括由科里奥利力和压力梯度力的平衡产生的地转流，以及科里奥利力和以风应力为主的摩擦力平衡产生的埃克曼流。本研究是在微正则多重分形形态学框架下，计算光谱形状的统计矩。应用一年的每日遥感高度计和遥感风数据资料，可以计算两种矢量场：有风场和无风场强迫的地转流。利用速度规范和涡度数据研究了奇异谱的统计特性，特别是与峰度信息的关系，以强调两种地转流速度场在湍流状态下的差异。