近年来,随着国际形势的不断发展,海洋逐渐成为世界各国新的战略重心。海洋相关领域的研究对于海洋资源探测与开发、海洋环境监测和海洋军事应用等都具有重要的意义。在此背景下,本文开展了对水下成像、水下图像增强、海洋生物发光、舰船光尾流和水下目标检测与识别等方面的研究。由于光在水中传输时的衰减和散射效应,水下成像系统通常很难达到令人满意的成像效果,而成像过程中由于光散射产生的背景光则是造成水下图像退化的主要原因。本文通过对水下成像中光散射和光衰减的分析,对自然光照和人工光照两种不同光照条件下的水下成像进行了建模和仿真分析。结果显示,自然光照下的无穷远处背景光与衰减系数成反比,与散射系数成正比；人工光照下的无穷远处背景光则与衰减系数、散射系数和相机-光源距离有关。两种光照条件下的背景光都可以用为无穷远处背景光的指数衰减表达式来表示。背景光的强度主要与水体光学参数、相机-景物的距离、相机-光源的距离及相机成像角等因素有关。背景光的研究结论不仅可用于水下成像系统的设计与优化,也可用于从水下图像背景颜色中估计水体光学参数、相机-景物距离等信息。对水下图像的仿真结果显示,直接衰减、前向散射和后向散射对水下图像的退化程度都与水体光学参数和景物距相机的距离密切相关。针对光在水下传输时的衰减与其波长相关这一特性,本文提出了一种基于不同光波长衰减的水下图像增强算法。该算法使用RGB颜色通道的不同传输图分别对不同波长光的衰减进行补偿,三个颜色通道的传输图可基于暗原色先验原理和无穷远处背景光与水体固有光学参数的关系估计出来。最终,对水下成像模型进行逆求解就可以获得有效场景辐射,达到图像增强的目的。该算法不需要预先知道成像时的水体光学参数、相机参数等信息,而是从水下退化图像背景颜色中估计出水体光学参数。实验结果和仿真对比结果表明,该算法可有效提高水下图像的对比度并纠正失真的颜色。基于对海洋发光生物的发光特性和潜艇螺旋桨应力场CFD仿真分析,研究了舰船光尾流的形成机制与特点。将发光生物对水流剪切应力的响应与螺旋桨应力场应力分布结合起来,可以大致估计出潜艇光尾流的形状和大小。仿真结果显示,潜艇光尾流长度可达数百米,可在空中或水下通过观测光尾流来探测与跟踪潜艇。最后,本文提出了海空一体对潜艇光尾流进行探测与跟踪的系统架构,并简单介绍了其工作流程。