近年来，随着我国对海洋战略价值认识的深化和面临的海洋权益争夺的日益加剧，建设海洋强国成为越来越重要的发展战略。其中，智能化海洋监测能力的建设，包括对海洋水体水质参数信息的测量和对水下景物深度分布信息的感知，是全面开发海洋经济、提升可持续远洋活动能力的必备基础。本论文依托课题组承接的国防“十二五”总装备部预先研究项目“基于XX技术的XX目标检测”，研制了一套可同时在线测量水体环境pH值、盐度参数并集成水下3D成像功能的海洋环境信息综合感知系统，技术选型采用无芯光纤结构pH值传感、阿贝折射仪式盐度传感和基于距离选通机制的3D成像，论文完成了整机集成方案设计并对其中涉及的pH值传感和3D成像关键技术进行了深入研究。主要研究内容与创新成果如下：
　　(1)无芯光纤涂覆pH敏感涂覆层后，环境pH值变化将导致涂覆层折射率变化，从而对光纤传输光信号模式泄露产生调制关系。利用该原理，研制了基于光纤透过率测量实现pH值测量的无芯光纤结构pH值传感器。涂覆层采用正硅酸乙酯凝胶结构，并采用制备可重复率高的浸涂方式制作传感头。凝胶担载甲酚红、氯酚红和溴酚蓝*作为pH指示剂后，测量范围高达1~13，在2cm尺寸的传感头上测量线性度达到99.7%。
　　(2)系统性分析了基于距离选通技术的3D成像系统的噪声模型，从对测距方差的研究出发，以解析形式推导了系统噪声特征、环境因素和模块配置参数对3D成像系统包括测距精度、测距范围和空间分辨率性能的影响关系，揭示了如下规律：强度随机噪声和器件计时抖动协同影响了测距精度，介质吸收效应则进一步恶化了该精度对远距离目标的表现，从而限制了系统测距范围。介质散射效应则降低了系统空间分辨率，对远距离、低反射率目标条件尤为严重，目标表面反射信号被介质散射噪声淹没后，3D恢复结果呈现遮挡效果和大量离群噪点。依据分析结果选型了3D成像系统光电器件，并完成样机搭建和配套软件设计。
　　(3)为优化成像系统参数配置以提升3D成像信噪比，研究了距离选通成像系统的智能化参数配置方法。基于切片扫描型测距原理，改进了传统用于表征距离选通分辨能力的眼图模型，使其能够用于在无合作目标的条件下表征3D成像系统测距精度性能。针对改进型眼图参数的优化，设计了基于高斯过程回归的机器学习在线优化算法，从而在无需了解器件具体特性、无需了解成像环境参数的条件下即实现对成像系统各模块可调参数的全局优化。为验证该优化方法的环境适应性，在水槽内模拟了远海、沿岸和港湾等水体环境成像实验，结果表明在数次迭代后，系统配置参数包括激光器调Q延迟、像增强器选通门宽、增益都达到收敛，并相应提高了测距精度。
　　(4)为克服水下强散射环境引起的3D成像空间分辨率性能下降，基于散射噪声成像模型开发了多脉冲回波鉴别去噪算法。创新性地在贝叶斯图像估计模型中引入PSF描述图像序列生成过程，针对该模型形式设计了迭代更新反射和散射图像的ICM优化算法。3D重构结果在目标轮廓重建、测距精度方面大幅优于传统方法，实现了对环境引入外部噪声的抑制。利用所搭建的样机系统在船池进行的水下远距离成像实验可达到10m探测距离内优于3%的测距精度，水槽环境模拟水体实验则验证了其环境鲁棒性。
　　本论文所设计的海洋环境信息光电感知系统测量数据丰富而应用范围广阔，此外装置成本相对较低、尺寸小，也保证了其灵活的部署方式，未来可安装于各类船只或水文站，提供环境感知功能从而为各类任务需求提供支持。目前工程样机已完成研制并在现场海试中达到项目各指标需求，顺利完成验收。