单像素成像的研究有着久远的历史,最早可以追溯到逐点扫描成像技术。近年来,单像素成像由于一种名为“关联成像”的新型技术的兴起而再次引起研究人员的广泛关注。关联成像技术,依靠成像系统中信号光路以及参考光路之间的关联性进行图像重构,可以使用不具备空间分辨能力的单像素探测器进行二维以至三维的图像重构。由于单像素成像牺牲时间成本换取空间信息,极大的降低了探测端对空间分辨能力的需求,因此,在面阵探测器难以获得或成本昂贵的情况下,单像素成像技术成为了一种较为理想的替代方式。信噪比在图像处理和通信领域被广泛用于重构信号的质量评价。信噪比直接反映出信号项和噪声项之间的比例关系,其数值可以直接反映出成像系统的噪声抑制能力。通过对单像素成像的重构图信噪比进行分析,有助于进一步分析成像系统中的噪声影响,为更好的抑制噪声、开发更为高效的单像素成像算法和系统提供理论支持和指导作用。本论文首先提出一个关于单像素成像信噪比分析的理论,通过实验和仿真进行了验证,并利用此理论分析结论,提出了的两个应用场景。本论文的主要工作是对不同采样方式的单像素计算成像信噪比进行对比分析,通过构建数学模型,讨论不同类型的噪声对于成像信噪比的影响,进一步分析不同的单像素成像采样方式对于噪声的抑制能力和适应场景。并根据得到的结论,在不同的场景下选择适合的单像素成像方案。对多像素结构扫描和逐点扫描两种单像素采样方式进行对比,分别量化两者在加性噪声和乘性噪声干扰下的重构效果,使用信噪比作为评价工具,分析了两者各自的适用场景。在光源稳定的主动照明情况下,相比较于需要将光源能量分散照明以覆盖整个成像面的多像素结构采样,逐点扫描将能量汇聚至一点,可以最大效率地提升探测信噪比,获得更高重构信噪比的图像,因此更适合于远距离成像等应用场景。而对于光源不受控制的被动照明情况下,由于多像素结构采样对噪声的平均化能力,相比逐点采样扫描,多像素结构采样可以在最短的时间消耗内得到更高的重构信噪比。对于两者的比较工作,可作为不同的条件下选择合适的单像素成像扫描方式的参考。在近红外波段,由于面阵探测器成本高、探测器采集效率低等限制,成像的效果相比较于可见光波段表现较差。对于近红外三维成像,更是难以使用低成本的成像系统获得高质量高精度的三维重构结果。为此,根据在噪声分析对比工作中所提出的理论,通过使用逐点扫描技术,获得较高质量的二维强度图,同时结合傅立叶变换轮廓术,在只需要一幅探测重构图的情况下得到近毫米量级的高度信息的重构精度。本文中的三维近红外成像系统,结构简单,易于实现,并且重构精度较高,在面部识别、安全监控等场景具有较大的应用潜力。开发高重构信噪比的成像系统一直是研究人员不懈追求的目标。对于信噪比的分析,大多数的工作也是为了能够更好地抑制噪声,以获得更好的重构质量。但若进行逆向思维,通过进行系统参数的人为调整,不仅可以获得高重构信噪比的图像,也可以获得无法被识别的极低信噪比的错误重构图像,这样的应用场景和信息安全加密工作高度契合。为此,根据之前对信噪比的分析,结合单像素成像中时间域和空间域之间的转换,提出了基于计算时域鬼成像的信息安全加密技术。通过对其抗剪裁能力、密钥置乱后的重构效果、部分窃听后的重构效果进行分析评价,发现此安全加密方案具有极高的安全性,并且既可以通过纯数字化软件实现,也可以通过物理光学系统实现,结构简单、鲁棒性强。本方案的提出也为计算时域鬼成像开辟了新的应用领域。