超声因指向性好、易于聚焦、受水质浑浊度影响小、在水中的传播特性优于电磁波等优势，成为水下成像、水下探测的主要技术手段，广泛应用于海洋资源探测、海洋生物探测、海底形貌探测、水下管道监测、水下沉船打捞、水下目标探测与定位等领域。但水下超声成像依赖于压电换能器和脉冲回波检测，受换能器尺寸、压电材料性能和成像方式等因素制约，存在成像分辨率低、信噪比差和探测精度低等问题，难以满足高精度水下探测的需要。本文针对压电换能器和脉冲回波成像的局限性，从改善飞行时间检测精度、提高成像分辨率和提高超声检测空间分辨率三个方面，研究提升水下超声成像性能的关键技术。主要创新性工作包括：
　　提出了水下脉冲超声光学检测方法，建立了Raman-Nath条件下的脉冲超声声光作用模型，以激光作为传感手段，实现对超声声场的非接触式检测。测试结果表明，超声光学检测法对声压检测稳定性好，对声场检测空间分辨率高，频率响应宽、可完整保留声相位信息。利用超声光学检测代替换能器接收超声回波，成像效果优于常规压电换能器。
　　提出了指向性声能量校正模型，优化了阵元指向性函数，使超声幅度叠加成像结果符合声能量分布实际情况，提升成像信噪比。分析了幅度叠加成像的时间复杂度和成像数据特点，使用三角矩阵数据代替全矩阵数据，减小成像数据量，利用并行架构和索引矩阵加速成像，将单帧图像计算时间由600s缩短至130ms，提高了幅度叠加成像算法的成像效果和实时性。
　　提出了基于正弦脉冲超声的互相关飞行时间检测方法，利用超声光学检测获得稳定的参考信号，实现超声波长量级的飞行时间检测，提升了成像纵向分辨率。提出了互相关成像校正方法，利用回波的互相关系数确定物体位置，实现目标横向边缘位置定位，提升了成像横向分辨率。靶标和工件检测结果表明，使用1MHz超声换能器时，飞行时间分辨率0.4ns，重复测量误差小于4ns，测距精度优于0.3mm，可检测0.1mm的厚度变化，提高了成像分辨力和精度。
　　实现了超声声场光学重建，利用超声光学检测获得声光作用长度上声压的平均值，结合Radon变换进行二维和三维声场重建。重建过程避免了常规超声传感器对声场的干扰，具有检测稳定性好，空间分辨率高的优点，声场重建与声场理论分布具有良好的一致性。
　　超声因指向性好、易于聚焦、受水质浑浊度影响小、在水中的传播特性优于电磁波等优势，成为水下成像、水下探测的主要技术手段，广泛应用于海洋资源探测、海洋生物探测、海底形貌探测、水下管道监测、水下沉船打捞、水下目标探测与定位等领域。但水下超声成像依赖于压电换能器和脉冲回波检测，受换能器尺寸、压电材料性能和成像方式等因素制约，存在成像分辨率低、信噪比差和探测精度低等问题，难以满足高精度水下探测的需要。本文针对压电换能器和脉冲回波成像的局限性，从改善飞行时间检测精度、提高成像分辨率和提高超声检测空间分辨率三个方面，研究提升水下超声成像性能的关键技术。主要创新性工作包括：
　　提出了水下脉冲超声光学检测方法，建立了Raman-Nath条件下的脉冲超声声光作用模型，以激光作为传感手段，实现对超声声场的非接触式检测。测试结果表明，超声光学检测法对声压检测稳定性好，对声场检测空间分辨率高，频率响应宽、可完整保留声相位信息。利用超声光学检测代替换能器接收超声回波，成像效果优于常规压电换能器。
　　提出了指向性声能量校正模型，优化了阵元指向性函数，使超声幅度叠加成像结果符合声能量分布实际情况，提升成像信噪比。分析了幅度叠加成像的时间复杂度和成像数据特点，使用三角矩阵数据代替全矩阵数据，减小成像数据量，利用并行架构和索引矩阵加速成像，将单帧图像计算时间由600s缩短至130ms，提高了幅度叠加成像算法的成像效果和实时性。
　　提出了基于正弦脉冲超声的互相关飞行时间检测方法，利用超声光学检测获得稳定的参考信号，实现超声波长量级的飞行时间检测，提升了成像纵向分辨率。提出了互相关成像校正方法，利用回波的互相关系数确定物体位置，实现目标横向边缘位置定位，提升了成像横向分辨率。靶标和工件检测结果表明，使用1MHz超声换能器时，飞行时间分辨率0.4ns，重复测量误差小于4ns，测距精度优于0.3mm，可检测0.1mm的厚度变化，提高了成像分辨力和精度。
　　实现了超声声场光学重建，利用超声光学检测获得声光作用长度上声压的平均值，结合Radon变换进行二维和三维声场重建。重建过程避免了常规超声传感器对声场的干扰，具有检测稳定性好，空间分辨率高的优点，声场重建与声场理论分布具有良好的一致性。