由于受激光脉冲宽度的限制，传统激光雷达无法实现几十厘米的浅水层测量。设计了一个双Gm-APD光子计数偏振激光雷达系统，采用宽脉冲获取薄浅水层的高精度距离像。浅水层的表面光滑，能够保偏；底面粗糙，将发生退偏。根据该偏振现象，通过发射水平线偏振光，接收系统中采用一个偏振分光棱镜将前后表面信号光分离，然后分别被两个Gm-APD探测。该系统不受信号光的脉冲宽度限制，并充分利用Gm-APD的死时间机制，针对超薄浅水层实现三维深度测量。利用基于穆勒矩阵和斯托克斯参量表示的偏振传输原理，理论分析了双Gm-APD偏振激光雷达的分光原理。采用信号复原质心算法抑制距离漂移误差获取高精度距离信息。对于深度从4.5cm变化到8 cm渐变的薄浅水层，底面覆盖了黑、白沙子，探测距离为5 m，在实验上采用6 ns激光脉冲获取了薄浅水层的高精度距离像，测距精度为0.8 cm，有效验证了方案的可行性。该方案能够为机载海洋测绘激光雷达的浅水层测量提供一定借鉴。

由于Gm-APD存在第一光子偏移效应，Gm-APD激光雷达存在距离漂移误差，并引起距离像的畸变。提出了两种抑制距离漂移误差的方法，并完成了实验验证。利用信号复原算法从光子计数分布图中复原了信号光电子数分布图。第一种方法采用双高斯函数对光电子数分布图进行拟合，并利用峰值位置计算距离。第二种方法采用质心算法对光电子数分布图进行加权计算并获取距离。采用6 ns脉冲宽度的激光，利用两种方法都获取了目标的高精度距离—强度三维融合像。两种方法的强度测量相对精度都小于3%。信号复原&双高斯拟合寻峰法的测距精度为1.2 cm。信号复原&质心算法的测距精度为0.6 cm。

水下光学成像的探测环境相对复杂。前向散射、后向散射和吸收极大地降低了水下光学成像的成像质量。单像素成像因其较高的抗噪声性而被认为是一种适合于水下光学成像的技术。对于水下单像素成像系统，目前存在的问题是需要采用结构光进行照明，当散斑在水下传播时，前向散射会使预先生成的散斑发生畸变。因此，重建结果的分辨率降低，重建结果模糊不清。为了减小前向散射对单像素成像系统的影响，对傅里叶单像素成像的重建过程进行改进。在空间谱域傅里叶单像素成像系统的水下退化函数进行估计，然后根据估计的退化函数实现目标空间谱反演。最后利用傅里叶变换对反演后的目标空间谱进行变换，最终获得目标的强度图像。理论分析和实验结果证明了该方法的有效性。利用该方法，能够有效地减小前向散射对成像质量的影响，提高了水下傅里叶单像元成像的重建结果质量。