随着我国海洋、江河和地下水资源勘探、开发和利用的日益深入，以及领海主权防卫的**需求日趋迫切，在水下获取远距离条件下高质量的目标图像已成为水下环境勘测、目标探测与敌我对抗等许多领域迫切需要解决的问题。目前，水下成像探测技术主要有声探测和光电探测两种途径。本文研究了目前主要水下高分辨力光电探测成像技术现状，分析了不同技术途径的优缺点，对比了各种水下探测 /成像系统中采用的光电探测器的情况，结合自身技术背景，提出了应加快发展高灵敏度、低噪声、高增益、快响应、宽动态范围、良好线性度的 GaAsP光阴极双微通道板像增强器，从而简化光电系统中因探测器性能不佳带来的灵敏度低、噪声大、增益低、处理时间长等不足，加速各种新技术向产品、实用化设备的转化。本文成果对水下光电成像技术发展将有一定支撑作用。

基于水下激光雷达目标回波和多次散射杂波空间相干性的差异,利用涡旋光场形成的特点,使用螺旋相位板附加环状掩膜板形成空间滤波装置,将目标反射信号与多次散射信号进行空间分离。由于目标反射信号具有良好的空间相干性,经过螺旋相位板后会形成涡旋光,而散射杂波由于其空间相干性被多次散射破坏,会按照散射规律呈现类高斯的中间强边缘弱的分布。利用环状掩膜板只容许涡旋光通过,到达探测器,从而降低了散射对测距的影响。上述空间滤波装置应用于载波调制相位测距及脉冲测距水下激光雷达系统中,均可以大幅提高浑浊水体中目标的测距精度。

在信号处理中抑制水体传输中带来的后向散射噪声, 是水下脉冲激光探测的关键技术之一。基于同一水域相邻 2次探测后向散射的相关性, 提出一种改进的归一化最小均方(NLMS)自适应滤波算法。根据后向散射的强度和滤波后目标信号大小控制步长因子, 使其对不同距离、不同强度的目标信号均能取得良好的滤波效果。通过计算机仿真和水池实验对算法进行验证, 结果表明, 对不同距离、不同反射强度的目标, 该滤波器算法均能以较低的阶数有效滤除后向散射噪声, 保留目标回波信号。与现有的自适应滤波方法相比, 大大减少了滤波所需的计算资源, 在水下脉冲激光探测系统上具有一定的应用价值。

水下目标探测在水下事故搜救、设备维护以及资源勘探等领域有重要的应用。通过实验模拟了两种典型海域的水体环境，研究了盐度和浊度这两个水体物理特性参数以及探测距离对水下潜艇、滑翔机和锚雷的激光点云三维重建效果的影响，并将重建后的三维点云数据和三种模型的标准点云进行对比并分析误差。结果表明：盐度变化对水下目标三维点云重建的影响较小，平均误差变化范围在1 mm以内；浊度增大会增强水体的后向散射影响，对成像有较大的干扰，有效点数显著减少；随着探测距离的增大，均值误差呈线性上升，目标点云图像的轮廓变得模糊。

作为一种分析技术, 激光诱导击穿光谱(Laser induced breakdown spectroscopy, LIBS)近年来在各个领域有着快速的发展, 在水下的应用也逐渐受到关注。对LIBS水下研究从实验室模拟到现场试验、从机理研究到技术发展都进行了回顾, 并以 中国海洋大学研制的深海LIBS原位探测系统LIBSea为例, 给出了LIBS系统在海洋探测中获得的典型结果, 最后对未 来5～10年LIBS水下研究方向进行了展望。

蓝绿激光在水下目标非声探测中具有广泛的应用前景, 但现有的探测模型尚未考虑探测概率与自导系统的匹配问题。为了获得最佳探测效果, 建立基于脱靶量的水下目标激光周视扫描探测模型。仿真结果表明: 随脱靶量增加, 在相同发射频率下, 增大光束发射倾角能显著提高探测概率, 但减少了后级系统的处理时间; 此外, 随脱靶量增加, 为避免探测漏检, 应提高发射频率, 减小光束发射步进角度。最后, 通过仿真分析给出不同脱靶量下探测系统关键参数的最优设计。文中所建模型对探测系统、自导系统的匹配设计提供了一定的理论参考。

球形两栖机器人具有对称的结构和多自由度的运动状态特性, 在环境适应性和运动稳定性上具有优势。本文介绍一种可以用于深海水下探测与救援的新型水陆两栖机器人控制系统的结构和建模方法, 根据机器人的运动控制模式, 推导出具有6个自由度的动态数学模型, 并在动态模型的基础上, 建立并评估了两种控制模型。第一种是基于二次型调节器(LQR)的控制器模型, 第二种是基于非线性状态反馈(FL)的控制器模型。最后对两种控制模型进行水下实验验证及评估, 从而证明两种控制器的有效性和优劣性。实验表明: 非线性状态反馈系统在响应时间(LQR=67.5 s, FL=46.5 s)方面都优于有限时域LQR控制器, 而LQR控制器在上升时间(LQR=24.5 s, FL=39.8 s)方面更加具有优势。