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水声通信网络作为水下信息系统的重要基础设施,在海洋环境感知、水下目标监测等领域正发挥着不可替代的作用。但由于水声信道频带有限,造成水声通信系统易受到其他水声系统以及海洋动物活动的影响。同时,由于水声信道多途时延长且复杂,会对水声通信信号造成严重的频率选择性衰落。这些因素都极大的阻碍了高速率、智能化水声通信系统的发展。为了合理地利用水声信道宝贵的频带资源,降低由于人类活动和自然活动造成的对水声通信系统的干扰,同时减少人类活动对自然界的侵扰,提升通信系统抵御多途损失的能力,本文提出了一种基于认知（Cognition）的变换域水声通信系统（Transform Domain Communication System,TDCS）,即CU-TDCS。它能够对所处环境进行持续的交互测试以感知所处的海洋环境变化,即通过对水声环境进行认知,实时动态地调整调制方式、子载波选择、发射功率与接收机算法等一系列系统参数,从而抵御水声信道变化的不确定性,以及可能的敌对通信对抗手段。传统的通信系统其波形是根据分配给特定用户的频带范围在时域合成的。与其不同的是,本文提出的基于认知的变换域水声通信系统,是在对海洋环境认知的基础上,可在频域或者是小波域等变换域剔除干扰频带后合成通信频谱,再通过相应的变换得到发射机所需的时域波形,以达到规避干扰和频率选择性衰落的目的。可以说,认知技术是变换域通信系统的技术基础和不可或缺的组成部分。虽然变换域通信系统可以采用傅里叶、小波变换和分数阶傅里叶等多种变换域方式,出于实现复杂度及效率的目的,本文重点研究基于傅里叶变换的变换域通信系统。基于认知的变换域水声通信系统目前在国际上仍处于起步阶段,方兴未艾,多数研究都集中在前端的认知概念探索,对于后端的水声的变换域调制解调方式则少有研究。首先,本文提出了基于认知的变换域水声通信的系统模型,将认知理论和变换域水声通信技术引入水声通信领域。传统的水声通信系统往往只是在接收机端采用复杂的信号处理算法降低各种干扰对解调产生的影响;与其不同的是,CU-TDCS在水声接收机端能够对所处水声环境的干扰情况进行实时的侦测分析,并通过反馈信道将信道情况和干扰情况发送给发射机,从而使发射机与接收机组成了一个闭环的反馈系统,自适应地根据环境和干扰变化调整系统参数。该系统不仅仅在接收端是自适应的,在发射端也是自适应的。其次,在提出该系统的物理和逻辑模型的基础上,对系统的工作流程进行了设计,提出了变换域通信系统的认知过程设计。针对干扰信号侦察的虚警和漏报问题,提出了新的通信频谱感知策略;针对如何完成多用户通信的组织和认知信息通过反馈信道的传输,提出了水声认知网络间通信协议的简要设计,初步构建了一个利用认知信息的变换域通信网络基础模式。在水声变换域通信系统研究方面,为了进一步提升水声信道的频带利用率,本文在变换域通信系统通常使用的循环移位键控（Cyclic Shift Keying,CSK）调制方法的基础上,将正交频分复用技术（Othorgonal Frequency Division Modulation,OFDM）与认知技术相结合,提出基于认知的OFDM通信技术,即C-OFDM（Cognition-based OFDM）,作为一种新的变换域通信调制解调方式。C-OFDM以对水声环境的认知为基础,在频域剔除被干扰和信道深度衰落的子载波,即只利用水声信道的通带来传输信息,在保证信息传输的可靠性基础上,有效地提升了通信速率。仿真和试验效果表明,在低信噪比（Signal Noise Ratio,SNR）和复杂的多途环境下,C-OFDM为代表的基于认知的变换域通信系统能够根据设计门限值有效地剔除阻带,当门限值设置合适时,误码率可以达到0。对干扰信号的频带范围进行准确地估计是剔除被干扰信道的前提,也是水声认知的一项主要工作。为此,本文开展了水声干扰信号的捕获及干扰参数估计技术研究。通过对普遍使用的商用通信声纳的调制方式和帧结构进行归纳和分析,得出了可能存在于我国沿海附近的水声通信系统的信号形式,即干扰信号的形式。在此基础上,以此型通信声纳为参数估计目标,重点针对跳频通信信号的频率以及跳定时间的估计开展了大量的理论、仿真以及试验研究,具体估计算法包括:（1）高斯噪声背景条件下,基于迭代自适应谱估计（Iterative Adaptive Approach,IAA）和稀疏迭代协方差估计（Sparse Iterative Covariance-based Estimation,SPICE）的跳频频率以及跳定时间估计技术;（2）冲击噪声背景条件下,基于l1-IAA、lp-IAA、l1-SPICE以及lp-SPICE的跳频频率和跳定时间估计技术。此外,针对目前国外水声通信网络中常用的多载波通信方式,根据循环前缀生成的基本原理,开展了基于循环前缀（Cyclic Prefix,CP）特征的水声通信体制检测与识别技术的理论与试验数据处理研究,给出了一种基于CP特征信号的水声多载波通信体制检测与参数估计方案,并对该方案进行了实际的海试试验验证,结果有效。最后,本文将水下认知技术与变换域通信系统相结合,提出了基于水声环境感知为前提的水声TDCS通信系统,建立了以CSK调制方式为基础的系统理论模型。利用典型水声信道特有的稀疏特性,在水声TDCS框架下,本文提出了3种基于对分坐标下降（Dichotomous Coordinate Descent,DCD）迭代技术的低复杂度稀疏信道估计技术,即（1）针对常规正交匹配追踪算法（Orthogonal Matching Pursuit,OMP）在稀疏水声信道估计时由于存在误差传递的问题,提出了基于DCD的多路径匹配追踪（Multipath Matching Pursuit,MMP）稀疏水声信道估计方法（简称MMP-DCD）;（2）针对以正交最小二乘（Orthogonal Least Squares,OLS）为代表的贪婪算法由于单个候选支撑选择导致误差传递以及运算量大的问题,提出了基于DCD迭代的多路径正交最小二乘（Multiple Orthogonal Least Square,MOLS）稀疏信道估计技术（简称MOLS-DCD）;（3）常规基于压缩感知技术的稀疏信道估计技术在贪婪迭代时均需要给定稀疏度或噪声方差以便停止贪婪迭代,而现实应用场景中,稀疏信道的稀疏度或噪声方差均无法实现获知,针对这一问题本文提出了基于交叉验证（Cross Validation,CV）技术的MOLS-DCD稀疏水声信道估计方法（简称MOLS-DCD-CV）。结合干扰频带估计技术以及提出的稀疏信道估计算法构建水声TDCS系统,基于实测的松花湖声速剖面以及湖底地形,利用高保真的Waymark虚拟水声信号发射仿真器产生波形级的TDCS通信信号,在三种典型的发射与接收配置条件下评估了提出的稀疏信道估计算法以及基于提出的稀疏信道估计算法的水声TDCS方案,仿真结果表明相较于基于LS信道估计算法的TDCS,基于提出的稀疏信道估计技术的水声TDCS系统的误码率均有较大的降低。最后,基于自研的3个水声通信节点构建了一个基于认知的水声TDCS通信水池试验系统,水池试验验证了存在窄带干扰条件下的水声TDCS通信系统的有效性。