关注、认识和经略海洋是当今世界的共识，水下光学成像是进行海洋科研的核心技术。由于水体及其中微粒对光能量的吸收和散射作用，使得有效信号的采样很难满足奈奎斯特采样频率而成为水下光学成像的一大瓶颈。近几年新兴的压缩感知(CS)理论为打破这一技术瓶颈提供了全新的解决思路，本文正是致力于融合了CS理论的水下压缩成像（UCI）技术的实验验证。首先，本文研究了海水的光学特性、水下主动照明距离选通的技术思想以及单像素相机的工作机理，为UCI技术及其采样系统的研究奠定了较为全面的理论基础。其次，通过调研选定光电倍增管（PMT）做为探测器，并针对单像素采样系统的采样值单极性、运算过程复杂以及不能避免采样和补偿误差等缺陷提出了双倍增管探测结构，大大提高了UCI技术的重构精度。再次，在双倍增管探测结构的基础上提出了水下压缩采样系统的光学、结构和电控设计方案并分为光路传输和压缩测量两大系统进行了相关设计。对UCI技术进行了模拟验证之后，便根据设计结果加工原理样机，在实验室依次进行了陆上稳定光源照明、非稳定光源照明成像实验，验证了压缩成像的鲁棒性、渐进性和可扩展性。然后结合水下环境模型，进行了模拟水下环境的激光照明成像实验，实现了激光器与压缩测量系统的匹配联调，也发现了系统误差的主要来源。最后，鉴于样机存在采样时间长、采集数据量大这两个缺陷，本文提出了基于FPGA的DMD升级方案，为提升UCI技术的工作性能做出了积极探索。