随着光斑图样检测技术以及数字图像处理技术的日益发展,光纤输出端面光斑图样越来越多地应用在光纤传感、压缩感知、保密通信、光谱分析以及图像加密等多个领域。由于多模光纤芯径大、支持的传输模式数量多,输出光斑中蕴含了丰富的空间状态信息,因此基于多模光纤输出光斑的图样检测及其处理技术具有更大的研究和应用价值。本文对采用偏芯激励时的多模光纤输出光斑图样特点进行了细致的仿真和实验研究,并将其应用于微位移传感以及信号和图像的压缩感知两个方面。主要研究内容及创新点如下:(1)对偏芯激励结构及采用偏芯激励时多模光纤内部的模式激励情况进行了理论分析,对其输出光斑图样的处理算法进行了总结。(2)利用光束传播法获得了偏芯激励情况下,对应不同单模光纤与多模光纤轴心偏移量的一系列多模光纤输出光斑图样,提出通过对其二维傅里叶变换相位谱的灰度共生矩阵特征值进行提取来获得光斑纹理特征的新方法,并将其应用于微位移传感。对工作在不同波长下的不同结构参数的多模光纤光斑图样的分析表明,激励光纤与多模光纤之间径向微位移与光斑特征值成近似线性关系,仿真和实验结果获得了良好的一致性,为微位移测量提供了一种新方法。(3)基于多模光纤输出光斑图样和压缩感知理论,提出了一种利用多模光纤光斑数据构造压缩感知中测量矩阵的简便的信号采样和重构处理算法。用于一维信号恢复时,使用光斑图样的内接正方形对应数据构造测量矩阵,使用基追踪算法恢复原始稀疏序列;用于二维图像恢复时,对输出光斑图样裁剪和拼接,利用两种不同的光斑图样拼接方法构造测量矩阵,使用基追踪和正交匹配追踪算法恢复原始图像,并进行实验验证。此外,还利用无芯多模光纤的光斑图样构造测量矩阵,并与普通多模光纤光斑图样用于压缩感知得到的恢复效果进行比较,为压缩感知领域中测量矩阵的构造提供了一种新的光域实现方法。