水下对空成像技术是实现海空探测预警的有效途径,作为虚拟潜望镜成像系统的关键性技术,在军民领域发挥着重要作用。目前对于水下对空成像技术的研究存在以下问题:（1）水下环境的复杂性。水对光的吸收、散射等效应会严重影响光学成像的质量,造成水下对空成像图像颜色退化、纹理相对模糊;（2）水面的随机波动与光线的复杂折射,改变了光的传播方向,最终光线到达成像面的位置发生错乱,使水下对空成像图像产生严重的畸变扭曲,导致无法辨认空中目标的真实形态。因此,开展水下对空成像畸变图像复原技术研究具有重要意义。本论文从水下透过Snell窗口的对空成像问题出发,围绕水下对空成像技术与畸变图像复原算法进行研究,旨在实现水下对空成像随机畸变图像的复原校正。本文主要工作如下:（1）对水下对空成像特性进行分析研究。详细阐述了水的光学特性及其对光学成像的影响以及图像的退化模型,系统地分析了水下对空成像观察的Snell窗口,从而明确了水下对空成像时导致图像畸变失真、退化的各种因素。（2）根据设计的水下对空成像模型,提出了一种基于结构光的局部加权曲面拟合图像复原算法。首先,通过角点检测算法提取扭曲结构光图像的特征信息,并结合局部加权曲面拟合计算得到扭曲结构光图像的空间变换模型,再分析推导主被动成像的对应关系,从而复原校正扭曲目标图像。最后依据图像质量的客观评价方法对该算法的复原效果进行分析比较,验证了该算法的有效性。（3）提出了一种基于结构光的Helmholtz-Hodge分解图像复原算法。首先通过对携有波面信息的结构光进行特征提取,获取二维扭曲矢量场,利用有限差分法与插值算法对该扭曲矢量场实现Helmholtz-Hodge分解,得到连续平滑的三分量信息,再结合灰度插值复原扭曲图像,并对算法进行了优化改进。最后通过计算分析该算法的复原效果与运行时间,在满足畸变图像高质量复原的同时,又克服了传统迭代配准算法在复原效率上的困难,极大地提升了复原速度。（4）水下对空成像实验及结果分析。通过搭建水下对空成像实验平台,并结合本文提出的两种图像复原算法设计水下对空成像图像复原软件,实现水波扰动下的对空扭曲图像的瞬时复原校正。实验结果证明,本文提出的两种复原算法对水下对空成像的畸变图像有着良好的校正复原效果,从而验证了水下对空成像实验与复原算法的可行性与有效性。