针对低能见度水下图像对比度差、噪声强、边缘模糊，严重影响人工判读及图像分割等处理的特点，提出一种基于快速Curvelet变换的低能见度水下图像非线性增强方法。首先对低能见度水下图像进行Curvelet分解；基于Sigmoid函数构造分段非线性增益函数以增强低频子带的大系数并衰减小系数，从而有效提高图像的整体对比度；结合阈值去噪对高频子带系数进行非线性增强，在去除噪声的同时保护边缘细节；经Curvelet重构得到增强图像。实验结果表明，与直方图均衡化、多尺度Retinex增强及小波变换增强等经典方法相比，该方法在提高图像整体对比度、抑制背景噪声的同时，更好地保护了水下目标的边缘细节。