水下激光无线通信系统相比传统的水下声波无线通信系统而言,具有更高的传输码率,更高的安全性,更低的相互干扰和更短的传输延迟等优势。因为上述优势,在水下无线传感器网络等需要高速通信的应用环境中,水下激光无线通信系统成为了一种有吸引力的备选方案。然而,目前学术界和工业界对水下激光无线通信系统的研究尚不充分,因此有必要对该类系统进行进一步的研究以提高系统性能,从而满足近年来随着对海洋资源探索的需求日益增长而带来的对高速水下无线通信系统愈发迫切的需求。考虑到相干激光无线通信系统更加优秀的背景噪声抑制能力,本文主要讨论了相干水下激光无线通信系统设计方法,并重点研究了针对于该类系统的信道建模,信道均衡,系统相位噪声估计和空时编码技术等若干关键问题。利用本文给出的新方法,可使相干水下激光无线通信系统的信道估计精度、通信误码率性能和传输码率等关键指标得到显著提升。具体而言,本论文的主要工作和创新点如下:首先,针对水下激光无线信道中的传统冲激响应模型拟合精度和拟合效率较低,物理意义较弱的问题,本文采用蒙特卡洛法重新对水下激光信道的冲激响应函数进行了分析,并通过对仿真结果的凸性分析给出了水下信道冲激响应函数的新模型。相比传统模型,新模型在拟合精度,拟合效率和物理意义解释等方面均有显著提高。第二,上述冲激响应模型显示,高速水下激光无线通信系统性能将受码间串扰影响。针对该问题,本文通过蒙特卡洛法全面分析并对比了不同均衡技术对码间串扰的抑制效果。通过文中相关结论可知,不同均衡技术分别适应于不同的信道条件。另外,通过调整接收天线视场,浑浊海水中接收机的均衡性能将在接收功率和码间串扰间达到最优折中,从而显著降低信号发射功率。第三,湍流是海水信道的另一项主要特性,而相位噪声是相干系统的一个重要非理想效应。针对湍流信道中相位噪声估计问题,本文通过数学建模和推导讨论了在海水信道中进一步提升相位噪声估计精度的方法。结果显示,本文提出的自适应相位估计方法可显著提升相位噪声估计精度并降低系统误码率。第四,为了进一步提升湍流信道中系统性能,本文通过分析成对差错概率,论述了使用V-BLAST MIMO体系同时提高系统传输码率并降低系统误码率的可行性。相比激光无线通信系统中已有的空时编码技术,V-BLAST编码将在高信噪比区域进一步提升系统传输码率。最后,本文对同时考虑上述非理想效应的系统进行了仿真。仿真结果显示,均衡技术可以有效抑制码间串扰对误码率的影响,但在低信噪比区域,码间串扰仍将造成显著的性能损失。与此同时,自适应相位估计技术则可在高信噪比区域显著降低系统误码率。此外,V-BLAST编码还提高了系统的分集增益和传输码率。综上所述,本文的研究结果为设计一套误码率更低,传输码率更高的水下激光无线通信系统提供了有效的理论指导。而更低的误码率和更高的传输码率无疑是通信系统设计中永恒不变的话题。