按照目前的技術水平，潛艇綜合成像系統基本由幾大類成像系統組成。下面按照機載和非機載成像系統的順序分別描述幾種成像系統的技術狀況和特點。
潛望鏡成像系統
現代潛艇潛望鏡是在20世紀初發明的。德國海軍在1906年建造第壹艘潛艇時，就已經使用了相當完善的光學潛望鏡，由物鏡、圖像轉換系統和目鏡組成。當時的潛望鏡潛望鏡功率5 ~ 7米，觀測距離近，視場窄，成像質量差，夜間無法使用。傳統潛望鏡的主要功能包括觀察水面上的艦船，觀察空中的飛機，估計被攻擊目標的距離，向火控系統提供其位置和距離，在淹沒狀態下實施地標導航或天文導航。
現代潛望鏡制造商應用微光夜視、紅外熱成像、激光測距、計算機、自動控制、隱身等光電技術的最新成果，研制出新壹代光電潛望鏡。以2003年德國最新研制的SERO 400潛望鏡為例。主要技術性能包括:俯仰範圍-15 ~ 60，1.5倍，6倍，12倍，高精度瞄準線雙軸穩定，潛望鏡入瞳直徑大於21mm，潛望鏡力約12m。它可以配備多種相機和傳感器，如數碼相機、微光電視攝像機、彩色電視攝像機、熱感相機、人眼安全激光測距儀等。，供潛艇指揮員根據實際需要選擇；還可以將視頻信號實時提供給作戰系統的監視器，實現同步觀察。潛望鏡系統的串行接口可用於不同作戰系統控制臺的遠程控制。潛望鏡系統在白天和夜間條件下都具有良好的觀測效果，可以有效地監視海面和空中，采集導航數據，搜索和識別各種海上目標，觀測到的圖像可以記錄回放。
現代光電潛望鏡技術已經相當成熟，不可能再有大的提升。傳統的穿透式潛望鏡的固有缺點是非常明顯的:首先，這也是主要的缺陷。潛望鏡必須穿透潛艇外殼，鏡筒直徑越大，對潛艇耐壓的影響越大；其次，潛望鏡鏡頭旋轉直徑壹般為0.6米，在原本有限的艇內占用空間較大，對潛艇指揮艙的布置非常不利；再次，潛望鏡只適合壹個人操作觀察，不可能多人同時觀察，不利於作戰信息資源的享受。雖然有進步的缺陷，但光電潛望鏡仍是目前和未來各國海軍潛艇最常用的成像觀測設備。
光電桅桿系統
1976年，科爾摩根公司正式為海軍檢閱提出了獨創的光電桅桿原理。隨後在80年代，非貫穿式光電桅桿的研制計劃正式啟動。如今，光電桅桿已經從概念和原理樣機發展到工程模型。美、英、法三國海軍在新型核動力潛艇上淘汰了傳統的穿透式潛望鏡，它們都將裝備光電桅桿。這標誌著潛艇光電桅桿技術已經達到了相當成熟可靠的水平。光電桅桿與常規潛望鏡最大的區別在於，光電桅桿是壹種“非穿透桅桿”。它由光電桅桿觀察頭、非穿透桅桿和船內控制臺三部分組成。美國弗吉尼亞級潛艇上的光電桅桿系統是安/BVS？1成像系統，除了現有潛望鏡系統的功能外，還可以提供電子情報收集、監視和目標攻擊等功能。
與傳統的穿透式潛望鏡相比，光電桅桿有很多優點:比如光電桅桿不穿透耐壓船體，而是直接布置在指令艙的適當位置，既提高了潛艇的耐壓強度，又方便了指令艙的布置；光電桅桿的觀測頭上裝有各種光電探測傳感器、電子戰和通信天線。艇外的情況可以通過電視和紅外攝像機拍攝下來，然後傳輸到艇上，顯示在控制臺的監視器和大屏幕上。光電桅桿正逐漸取代穿透式潛望鏡，成為潛艇作戰信息系統的重要組成部分。
但由於技術復雜，價格昂貴，目前只有少數潛艇使用了光電桅桿。例如，俄羅斯的“德爾塔ⅲ”和“德爾塔ⅳ”級導彈核潛艇都裝有“磚雨”光電桅桿。只有美國“弗吉尼亞”級攻擊核潛艇使用了兩個光電桅桿。目前常用的是壹個光電桅桿和壹個潛望鏡壹起使用，如美國、英國、德國、法國、俄羅斯、日本、埃及等國的壹些浮潛攝像監控系統。
外殼部分的攝像電視系統
這是電視攝像系統在潛艇上的特殊應用。主要用於檢查和監視潛艇的外部環境和各種下水情況，也可以為冰下潛艇活動提供光學導航。電視攝像系統在潛艇艇體上的應用至少有30年的歷史，具體應用在英國、俄羅斯和北歐海軍潛艇上較為普遍。英國潛艇外殼上安裝的水下電視攝像系統是專門為潛艇在冰上或水下活動的需要而研制的。它能提供安全的水下航行，是潛艇上浮的重要輔助裝置。壹般來說，就導航系統而言，應在潛艇外殼上布置兩個水下電視攝像機，其中壹個置於向上觀察位置，另壹個置於與水平方向成40°角的前視位置。這種布置非常有利於潛艇在漂浮或向前機動時獲得最佳質量的圖像。英國Simrad公司的OE？0285型相機已裝備英國潛艇。它是壹種增強型矽靶相機，可以在星光多雲的情況下，通過微弱的光線觀察各種目標。潛艇什麽時候在北冰洋活動，OE？0285相機是潛艇在冰中漂浮時的重要輔助設備。
虛擬潛望鏡系統
這是美國海軍正在研究的潛艇水下攝像系統。雖然它被稱為“虛擬”潛望鏡，但它與計算機技術領域的“虛擬現實”和外殼上的攝像頭系統完全不同。虛擬潛望鏡是壹種從潛艇平臺上完全透視水面的光學傳感器，包括潛艇水下攝像機、處理器和圖像顯示器。所謂“虛”，是指圖像顯示器能夠將海的上部半球視場中的不完整圖像再現為完整圖像。虛擬潛望鏡與潛艇傳感器系統集成，可以減少潛艇指揮員使用常規潛望鏡的次數，提高潛艇隱身性。
虛擬潛望鏡技術還可以將潛艇與水面艦艇相撞的概率降到最低。潛艇上浮到潛深之前，必須確認上浮區域沒有船只。從潛水深度到水下約150英尺(46米)的“過渡區”是潛艇水下活動的不安全區域。在這個尷尬的區域，潛艇因為“太深”看不到上方是否有帆船，因為帆船下方“太淺”無法安全通過。但這個過渡帶可能包含了最佳的水聲搜索深度和最佳的規避深度，是潛艇在淺水中安全作業的最理想的深度區域。如果潛艇失去了這個過渡帶，它的機動性就會大大降低。如果潛艇使用虛擬潛望鏡技術觀察周圍情況，就可以在這個過渡區安全移動。
虛擬潛望鏡的光學原理不同於普通潛望鏡。普通潛望鏡在海面某個位置接收光線；虛擬潛望鏡是在水下使用壹個或幾個仰視相機，接收來自太空的光線，穿透海洋。虛擬潛望鏡項目利用重建弱折射光的成像技術，開發壹種可以探測水上目標的水下攝像系統(包括軟件系統)。虛擬潛望鏡不僅是壹種特殊的成像技術，而且完全適合潛艇特種作戰部隊的應用。
光電浮標系統
美國早在20世紀80年代初就申請了光電浮標技術專利。20世紀90年代，美國馬薩諸塞州波卡洪塔斯的船舶成像系統公司開始了潛艇用光電浮標的設計和研究。該公司與美國國防研究計劃局簽署了壹份價值6.5438億美元的研究合同，以設計和制造從潛艇發射的相機浮標系統(BCD)。BCD采用CCD傳感器，通過光纖和電纜與潛艇保持連接。CCD傳感器的穩定性和監測方向由潛艇控制，在水面上獲取目標圖像數據，然後轉換成光纖信號傳輸給潛艇。獲得的信息通過圖像增強算法軟件進行處理。潛艇用光電浮標可以隱形，以提高其隱蔽性，如偽裝成冰或海上漂浮物。如果能降低成本，光電浮標可以設計成壹次性的。還建議發展多傳感器光電浮標系統。
無人機系統
潛艇無人機的發展，解決了潛望鏡和光電桅桿潛望鏡高度低，無法遠距離觀測的問題。潛艇可以得到無人機在潛入水下狀態下拍攝的圖像，從而提高隱蔽性。潛艇相關無人機技術的研究始於20世紀80年代中期。當時無人機是從魚雷發射管發射，現在可以從潛艇桅桿上發射。比如美國科爾摩根公司研發的無人機發射裝置，安裝在潛艇桅桿裏，壹次可以裝4架無人機。美國海軍已經將無人機技術應用於弗吉尼亞級和俄亥俄級攻擊核潛艇。無人機可以通過軍用衛星將探測到的信息傳送給發射潛艇，或者轉發給陸地上的其他潛艇、水面艦艇和作戰指揮中心，與水下航行器等各種系統形成壹體化的信息網絡。