随着水下技术的发展,人们对水下视觉系统提出了更多的要求。潜艇利用潜望镜获取海面海况信息,但是传统的潜艇潜望镜存在两个缺点,第一,在观察水上目标时,必须上浮到海面下方附近的位置,旋转并伸出潜望镜去观察水面上或空中的场景,潜望镜由于露出水面,会产生雷达反射面,很容易暴露潜艇的自身位置。第二,当潜艇在上浮或靠岸的过程中,在没伸出潜望镜之前,通常无法感知到其正上方是否存在船只、障碍物等物体,就会造成潜艇及其潜望镜与其上方物体发生碰撞,引发事故。所以新型的水下对空成像系统,即虚拟潜望镜的研制对水下视觉系统的发展具有十分重大的意义。相对于传统的潜艇潜望镜,虚拟潜望镜所具有的隐蔽性和安全性弥补了传统潜望镜的缺陷。但是由于海面上波浪的存在,摄像机在水下向水面上拍摄时,采集到的图像是不清晰且畸变的,本文针对水下视觉成像中的海水衰减特性现象,首先研究水的光学特性,建立了光线在水中传播的理论模型,分析水的光学特性对水下成像质量影响的规律,并构建针对水下数字光学图像的分辨率增强模型,提升水下透水对空图像质量。然后采取相应手段重构海面上的整个半球面图像,在实现水下对空成像畸变图像矫正之前,进行了波面估计。波面估计为典型的逆散射问题,主要是研究沿着Snell圆锥边界进行波面散射元素推算,获取满足线性化波面动态方程的波面高度估计,同时拟合整个图像序列的光路矢量,基于逆向光线追踪来重构海浪波面。本文对以上所提出的图像矫正方法的各个步骤进行了仿真与实验。并设计了一款基于波前传感器的实验样机,该装置可对波面信息和水上目标图像进行同步观测,并根据穿过小孔的光线的位置偏移对波面进行重建,从而矫正采集到的畸变图像。最终仿真与实验结果的一致性证明了所提出的矫正方法的有效性,也突显了新型的波前折射成像传感器在水下对空成像系统中应用的优越性能。