水声信道是随机时变、空变的，其界面反射和声线弯曲导致多途扩展，由多途扩展产生的码间干扰是水声通信的主要障碍之一。为了获得高速率、低误码通信，必须抑制码间干扰。Pattern时延差编码(PDS)通信体制，利用Pattern码片出现在码元窗的时延差值进行时延编码，占空比小，可节省功耗；并且采用码元分割，使得每个携带信息的基本码元均具有抗码间干扰的能力，有效地降低了水声信道的码间干扰，并且可克服多途衰落及噪声干扰。提出将其与混沌扩频相结合，构成一种适用于水声环境的通信方案，既获取了扩频通信的一系列优良特性，又明显提高了扩频通信速率，可胜任远程水声通信；其多通道工作方式可实现多用户网络化水声通信。时间反转镜是近几年来在水声信号处理方面出现的一项新技术，其最大的优点是在没有任何先验知识的情况下具有自适应匹配声信道的作用。本文从频域和时域两个角度分析了时间反转镜阵处理原理及其时间压缩、能量聚焦的特性，并对阵处理增益进行了推导。传统的时间反转镜是主动式的，要求阵元收发合置，且信号需两次经过信道，效率低下，而阵处理则进一步增加了系统的复杂性，难以满足水声通信节点追求结构简单、低功耗的要求。为克服上述弊端，推进时间反转镜在水声通信中的实用性，本文提出单阵元被动式时间反转镜(PTRM)和虚拟式时间反转镜(VTRM)，并对单阵元时间反转镜的聚焦增益进行了推导，对主动式、被动式和虚拟式时间反转镜进行了类比分析。其中，本文提出的被动式时间反转镜也不同于文献中介绍的，打破了其要求探测码与信息码的波形保持一致的限制。将单阵元被动式时间反转镜和虚拟式时间反转镜技术应用于Pattern时延差编码体制及其与混沌扩频相结合的通信系统，可以聚焦多途信号，实时实现自适应信道均衡，从而抑制码间干扰、提高信噪比，实现稳健的水声通信。基于此通信系统，本文提出了多用户水声通信方案，对实现网络化水声通信具有重要意义。基于对分数阶Fourier变换(FRFT)的理论、性质的分析，研究了分数阶Fourier变换在存有大多普勒频偏时的高速移动水声通信中的应用，包括提出将其应用于声信道参数估计、水声通信同步检测及应用于Pattern时延差编码通信体制中。研究了深海声道特性，提出将通信固定节点置于声道轴以获取会聚增益，可提高通信距离。在此基础上，结合时间反转镜信道均衡技术及混沌扩频Pattern时延差编码体制，设计出深海远程水声通信方案。本文对采用的各水声通信关键技术在深海或浅海水文条件下进行了仿真研究，并通过2次松花湖通信试验，对各水声通信关键技术及通信方案进行了湖试验证。另外，进行了移动水声通信试验，验证了单阵元时间反转镜在收、发节点间存在相对低速运动时的适用性及TRM-PDS系统的鲁棒性。