频率上转换红外成像技术是一种通过将短波红外或中红外光转换为可见光或近红外光再进行探测的间接红外成像手段,相比传统红外探测技术具有探测器噪声低、像素更小、可在常温下工作等优势。周期极化非线性晶体和准相位匹配理论的出现突破了频率上转换成像中有效非线性系数受限的瓶颈,提高了系统的转换效率,使频率上转换成像技术得以进一步发展。本文通过结合频率上转换成像技术与单像素成像原理,围绕解决基于准相位匹配的频率上转换成像技术中点扩散函数与转换效率、成像速度等性能难以同时被优化的问题展开研究。主要研究内容和创新点如下:针对传统频率上转换成像中系统的点扩散函数与转换效率难以同时优化的问题,在研究了频率上转换成像系统点扩散函数的限制因素后,提出了一种基于编码的频率上转换成像方法。首先根据单像素成像原理,使用空间光调制器加载测量矩阵对进入系统的红外辐射进行编码。然后基于频率上转换原理,受调制的红外辐射在周期极化非线性晶体内与泵浦光束相互作用进行频率上转换产生和频光,实现红外辐射的波长转换。接下来使用单像素探测器测量并记录和频光强度。最终根据测量矩阵和探测器的测量结果重构图像。为了提高系统的转换效率,使用会聚的泵浦光束提升非线性晶体内部泵浦光的功率密度。为了避免调谐非线性晶体的温度导致成像时间增加,非线性晶体处于恒定的工作温度下。实验结果证明,基于编码的频率上转换成像方法能够使用平均功率2W的泵浦光对波长为1550nm的目标实现边缘清晰的频率上转换成像。为了减少测量次数,优化成像速度,将多分辨率分析理论与编码频率上转换成像方法结合,提出了一种基于多分辨率的编码频率上转换成像方法。首先,通过编码频率上转换成像方法获取低分辨率图像;其次,通过低分辨率图像预测目标的细节特征对应的小波系数所在位置并在高分辨率下测量这些小波系数;最后根据低分辨率图像、测量矩阵和测量的小波系数重构出高分辨率的图像,从而实现减少测量次数、缩短成像时间。实验结果表明相比编码频率上转换成像方法,使用基于多分辨率的编码频率上转换成像方法获得128×128分辨率图像的测量次数减少73.68%。为了抑制图像中的噪声,提出了一种基于光子计数的频率上转换成像方法。该方法通过分析频率上转换成像系统中的噪声源以及被探测器采集的频率上转换信号的时域特性,利用光子计数方法统计测量结果,根据时间门原理分离出可用于重建图像的信号,最终提高图像的信噪比。实验结果证明,图像的峰值信噪比提升了30.91%。积分时间设为10ms,分辨率设为64×64时,噪声水平不超过每像素0.034个光子。