正交频分复用(OFDM)技术因其具有良好的抗多途性能,目前已在水声通信中得到了广泛应用。多输入多输出(MIMO)技术具有显著提高频谱利用率的优势,可与OFDM结合应用于高速水声通信中。本文主要研究了水声MIMO-OFDM通信系统中的信道估计与均衡技术。首先结合射线声学仿真工具Bellhop建模统计意义下的水声MIMO时变多径信道,并在水声宽带环境噪声模型下给出频带受限的水声多径MIMO信道容量计算方法。研究了中心频率、通信距离、换能器间隔、换能器深度对信道容量的影响。仿真结果表明,中心频率、通信距离、换能器间隔会对信道容量产生较明显的影响,这为实际水声通信系统参数的合理选择提供了一定依据。接下来,针对水声通信中带宽资源极为有限,且传统接收算法对不同处理模块之间信息利用不充分的问题,研究了基于低密度校验码(LDPC)的水声MIMO-OFDM系统迭代接收技术。基于水声OFDM系统,重点研究了迭代信道估计算法,并对五种信息反馈方式进行对比研究,包括全部硬/软判决反馈,及其对应的门限控制反馈方式,并对一种基于代价函数的反馈进行改进。仿真结果表明,迭代信道估计可获得明显的增益,且导频数目减少时,增益更显著;软判决反馈的性能整体优于硬判决反馈。基于水声MIMO-OFDM系统,分别研究了信道估计包含/不包含在迭代循环之内的两种迭代接收结构。仿真结果表明信道估计包含在迭代循环之内的接收机可获得更大的迭代增益。海试和水池实验结果表明,迭代接收机在OFDM系统和MIMO-OFDM系统中均可显著提升处理性能。最后,针对存在子载波间干扰(ICI)的水声MIMO-OFDM通信系统,研究了一种渐进式迭代接收机,并给出了考虑ICI时的正交匹配追踪(OMP)信道估计算法。随着迭代的进行,系统模型不断更新,以适应具有更大多普勒扩展的信道,同时充分利用前一次迭代的软信息来增强稀疏信道估计的准确性和ICI均衡的性能。仿真结果表明,对于存在不同程度ICI的水声OFDM和MIMO-OFDM系统,渐进式迭代接收机均可显著提升系统性能,且复杂度相较于非渐进式迭代接收机更低。实验结果验证了渐进式迭代接收机的有效性,并且当ICI较轻微时,渐进式迭代接收机与忽略ICI的迭代接收机性能非常接近。