海洋占地球表面面积的四分之三，对海洋进行研究，探索海洋是一项极为重要的工作，采用激光光电子的方法被认为是最有效的手段之一，结合机载平台激动灵活的特点，使其具有了更为广阔的应用前景。目前的机载激光海洋探索系统按其应用主要可分为水深测量，水下目标的探测、定位、识别、分类，海浪波高观测等。在很早的时候机载激光海洋探索技术就已经引起了人们的极大关注，目前国内外已在很多具体的领域有了大量成熟的应用，其设备集成的许多关键问题都已经得到解决。然而这些设备并不能满足社会发展的需要以及许多新的应用需求，许多新技术的出现和发展，如新型探测器的出现，探测器性能的提高，使得改进设备以满足新的应用需求成为可能。本文从一种新型固态硅光电倍增管阵列(SiPM阵列)出发，对其应用于水下三维测深成像的几项关键技术进行了深入研究。SiPM阵列，即硅光电倍增管阵列，是一款近几年来才进入商用阶段的新型探测器，它的卓越性能为它带来了极为广阔的应用前景。将其应用于水下探测，以期利用该探测器的卓越性能，实现更高性能的水下目标获取能力。本文的研究内容主要分为如下几个部分：1)对国内外水下三维成像技术的发展和研究现状进行了总结和分析2)从机载激光三维测深成像系统的四要素：目标，运载平台，传感器，操作者，详细分析了机载激光三维测深成像系统的工作原理，对影响系统性能的各类因素进行了深入细致地研究，重点对水深测量精度进行了分析。3)对SiPM阵列的工作原理进行了深入细致的研究，建立了SiPM阵列的电子行为模型，论证了SiPM阵列应用于水下三维成像的可行性，提出了基于角度-角度-深度特征的三维测深成像系统方案，分析了SiPM阵列应用于水下三维测深成像的优势；4)研究了SiPM阵列的前端放大和对数检波；5）分析了瞬时水深测量所包含的的各种效应和瞬时水深传感器中的高速数据采集系统；6)为了深入分析系统的工作原理和性能，详细推导和建立了包含多次散射效应的机载海洋激光雷达系统接收信号的数学模型