本发明涉及一种水下单目视觉估计目标三维位姿的方法，该方法采用改进的YOLOv3神经网络构建神经网络模型并对神经网络模型进行训练，利用训练后的模型检测目标物图像中的目标物，得到目标物上四个特征点像素坐标；根据构建的折射补偿模型计算折射前后的补偿系数，根据折射前后的补偿系数计算得到补偿后的四个特征点像素坐标；根据补偿后的四个特征点像素坐标，结合已知先验信息，建立位姿估计模型；求解位姿估计模型得到目标物相对于相机的三维位姿。本发明用于估计水下规则目标三维位姿，满足在复杂多变的水下环境里对目标进行准确检测，且位姿估计精度高。