水下光谱成像技术在海洋生物识别、海洋地质调查、海洋环境监控等领域有着重要的作用。然而使用水下光谱成像技术对水下目标探测时面临诸多困难,如水体强烈的衰减作用造成光线能量的衰减及光谱特征的改变、强烈的散射光线淹没特征信号等。针对以上的问题,本文设计了一套水下光谱成像系统,并设计了水下光谱图像重建算法,确保系统在水下的实用性。在水下光谱成像系统设计方面,本文设计了凝视型光谱成像仪,单次成像即可获得特定波长的光谱图像,在水下有较好的抗震性能。设计了配套的水下光源与水下激光测距系统,实现了清水中10 m以内400-700 nm波段的光谱成像及测距。开展了光谱成像仪在空气中的绝对辐射定标、光谱分辨率定标和光谱灵敏限定标,确保了系统的可靠性。在水下光谱图像重建算法方面,建立了一套包含了光谱图像的预处理算法(图像去噪与光谱图像配准)、水下光谱图像的辐射补偿算法、水下散射光光辐射矫正算法以及图像增强算法在内的完整水下光谱图像处理流程。光谱图像预处理算法中,针对水下弱光环境图像信噪比低的特点,设计了基于中值滤波与基于去噪神经网络的图像去噪算法。针对不同波段间图像错位的问题,基于SURF算子,在黑白相机的辅助下实现了任意信噪比的光谱图像配准。水下光谱图像的辐射补偿通过基于被动光源的水下图像辐射补偿方法、水下光源光场建模与基于主动光源的水下图像辐射补偿方法研究,消除了水下光衰减对光谱成像的影响。基于被动光源的水下图像辐射补偿方法主要针对于水下自发光物体。根据水下光学特性及成像规律,设计水下自发光物体的光谱成像模型,并根据模型设计水下图像的辐射补偿方法。使用手机为自发光光源,完成数据采集与模型参数定标,并验证该补偿方法的准确性。在水下光源光场建模方面,以平方反比定律为基础,依次建立空气中及水下光源光场模型。设计水下光场模型的定标方法,使用光轴上两个距离的辐照度即可实现整个水下光场的辐照度定标。依次对比水下光轴上光场与切面光场上的实测辐照度与模型辐照度,评价模型的准确性。在基于主动光源的水下图像辐射补偿方法方面,将基于被动光源的水下图像辐射模型与水下光源光场模型相结合,建立基于主动光源的光谱成像模型,实现对水下任意目标的探测。根据模型设计水下成像距离归一化算法,将所有光谱图像补偿到与定标物体相同的探测距离。采集水下8m-10m距离的光谱图像,将所有图像归一化到水下8m,分析该模型的精度。水下散射光光辐射矫正算法主要针对于水下背散射导致光谱信息扭曲及图像雾化的问题。分析辐射信号的来源,设计基于定标物体光谱反射率的去雾模型,并根据模型精确去除背散射光辐射,重建光谱图像。根据重建后的光谱图像计算光谱反射率,与实测光谱反射率做对比,分析重建算法的精度。图像增强算法主要用于提升图像的清晰度,方便人眼观察。对于运动模糊明显的图像,使用去模糊循环神经网络去除运动模糊;对于一般水下光谱图像,使用盲去模糊算法对离焦模糊及水体前向散射造成的高斯模糊做矫正,最终实现清晰的水下光谱图像重建。通过对水下光谱图像的重建,实现了准确、直观的水下目标光谱特征获取,在水下探测领域有广泛的应用前景。