目前水下光学成像在海洋地理环境研究、海洋资源探测、水下科考、军事等领域有非常迫切的需求和重要的实用价值,　尤其海洋也是人类最缺乏了解的众多领域之一。于是对水下光学成像技术的研究就具有至关重要的意义。但由于水体中的成像环境极其复杂多变，除了水体分子本身以外还包括水体中的悬浮物、浮游生物和可溶性有机物等物质的作用和影响，它们都会对光波在水体介质中的传播产生剧烈的散射和吸收作用，成像光束的能量便随之发生耗散，也就无法在超过一定的传播距离之后得到令人满意的图像，也正是因为这个因素，才限制了水下光学成像的进一步发展。现有的各种水下成像技术都难以同时满足成像质量和成像距离两方面的需求，而且现有的水下成像系统在不同水体条件下的成像距离和成像质量差别非常明显。因此研究新型成像技术和成像手段对水下环境的目标识别、探测和成像工作具有较强的科学研究意义和重要应用前景。
本文针对于现有水下成像的劣势和不足，提出了基于二阶关联成像的水下计算鬼成像相机的概念，在系统软件和硬件框架结构设计的基础上，通过理论计算和现有的水下光学成像技术的成像距离、成像质量等参数进行比较和研究，并用计算机对实验过程进行了数值仿真模拟来验证该技术的可行性。通过抗散射和抗扰动实验以及水下偏振关联成像实验证明，本系统及成像技术在水体环境条件下具有极强的抗散射和抗扰动能力，通过对比分析和仿真模拟以及实验来证明了所提出水下计算鬼成像技术在成像质量和成像距离等方面具有一定优势。而且本课题中涉及到的水下计算鬼成像相机系统考虑到了极端条件下水下平台的应用场景和应用条件，为本技术的进一步实用化做好基础准备工作。本文具体的创新性体现为如下几点：
首先，提高了计算鬼成像的成像距离和成像质量。在了解了常见的空间光调制器件的工作原理后，对计算鬼成像系统进行了深入的理论学习和改进优化实验系统研究，发现已有的计算鬼成像方案中存在的一些问题，例如决定计算光场分布变化的空间光调制器件帧率低以及探测系统探测效率等问题，针对于现有的计算鬼成像方案进行了设置优化和和系统改进后，基本满足了实验室对于计算鬼成像小规模应用化拓展的研究需求和研究基础。为之后的进一步向实际应用发展做好了准备工作。该工作具体内容请详见本论文第二章部分。
其次，实验和理论验证了计算鬼成像在水下环境中的极强抗散射能力。通过对计算鬼成像的理论与实验方面的研究，确定了一套在极端环境条件下的计算鬼成像的成像方案和成像系统，尤其在实验室阶段对水下等特殊环境条件下计算鬼成像方案应用的可行性进行了理论推导和仿真计算，确定了该技术的优势和应用条件，即在不同的光路设置条件下，如探测器和物体之间加入散射扰动条件，在光源和物体之间加入散射扰动条件以及在探测器与物体之间和光源与物体之间同时加入散射扰动这几种光路设置的具体应用场景和成像特点。我们还研究了水下环境不同浊度和不同角度条件下的计算鬼成像的成像结果。在经典的光学成像方法无法成像的情况下，计算鬼成像重建得到的结果仍然是相当理想的。通过以浊度换距离的方式，验证了水下计算鬼成像极强的抗散射能力和远距离成像的先天优势。此外，水下计算鬼成像可以承受范围很广的可视角，在探测器的偏转角度大的情况下，都可以获得不错的成像结果。这一结果为水下光学成像提供了更好的选择。该工作具体内容请详见本论文第三章部分。
再次，验证了偏振计算鬼成像可以有效提高成像效果，设计了水下偏振计算鬼成像相机系统。在前期工作的基础上，我们还进一步地完成偏振计算鬼成像实验研究工作，包括：自由空间偏振光计算鬼成像实验，浊度介质条件下偏振计算鬼成像实验以及具有不同偏振特性的材料（如人造材料和自然材料等）的偏振计算鬼成像结果。我们在计算鬼成像的基础上进一步对其进行了实用化研究的探索，从偏振这一维度对已有的实验系统进行了进一步的延伸和扩展，确定了优化后的成像方式和成像条件，我们还制作了可应用于水下探测成像平台的水下偏振计算鬼成像相机系统的样机，并对具体偏振条件下的成像结果进行了分析和对比，对下一步的研究提供了一定的理论和实验基础条件。该工作具体内容请详见本论文第四章部分。
最后，研究并设计了计算鬼成像技术的具体应用方案，水下超长距离成像系统和可搭载在水下无人潜航器的高度集成相机装置。我们根据现有水下光学成像技术中存在的成像距离短，成像效果不理想等问题，设计提供了提供一种基于计算鬼成像的水下超长距离成像系统及其成像方法，使用了一种新型的收发分置模式的水下成像技术，可用于探测水底地貌，水下环境以及水下航行物体和生物种群等，与传统水下光学成像手段相比较，能有效提高水下成像距离和在复杂水体环境下的成像质量。与现有技术相比较，本技术具有如下有益效果：本技术中成像系统由于采用了收发分置的系统组成结构，因此能有效地提高了水下光学成像的成像距离。本技术所具有的极强的抗散射优势和抗扰动能力，能够消除湍流扰动或散射介质等对成像质量的影响，提高了在实际水下环境或某种极端水下环境（如浑浊水体）中的成像质量。使用的计算关联成像手段，依靠调制产生强度分布的随机分布涨落光场，直接用不需要具有空间分辨能力的光探测器测量光强分布，简化了成像系统的组成结构。该工作具体内容请详见本论文第五章部分。