众所周知，与传统的采样技术相比，压缩采样技术在获取稀疏信号时具有采样率低、数据量小的优势，在雷达信号感知中得到广泛的应用。为了进一步有效提高处理频率和带宽，基于光子辅助的压缩采样技术应运而生。目前，光压缩采样技术仍然处于研究的初步阶段，在系统的物理实现和性能提升方面都有待深入的探索。本论文围绕其中四个关键问题展开研究。首先，针对多通道光压缩采样技术实现难的问题，论文提出基于光纤色散延时PRBS的多通道压缩采样系统方案，通过多路PRBS信号共享PRBS源和电光调制器，大幅度降低系统复杂度。同时，论文研究系统的信号模型，理论分析采用这种PRBS源时压缩频谱的误差来源。基于此，首次实现了带宽为5GHz的8通道光压缩采样实验系统。然后，为了进一步提高多通道光压缩采样的恢复概率，论文提出采用非线性延时的多通道PRBS信号来增强系统压缩传感矩阵的随机性，进而改善矩阵的等距性，并通过大量的随机样本仿真来验证系统传感矩阵这一特性。同时，实验实现从4路带宽为120MHz的压缩频谱中有效恢复出0.2-5GHz范围内多个不同频段信号。另外，为了提高任意的既定频带信号恢复性能，论文提出基于可调延时的多通道PRBS信号的多子带接收技术，仿真实现从带宽为信息率的压缩信号中恢复出任意、既定频带的双子带信号。接着，为了突破压缩采样带宽受限于PRBS码率的一半这一瓶颈，论文提出基于时域间插的多路光PRBS脉冲来提高系统带宽，同时仿真验证了超宽带压缩采样系统传感矩阵的等距性。实验利用码率为10.16Gbps的光PRBS脉冲实现了带宽为20GHz的压缩采样。最后，针对0/1强度的PRBS信号导致光压缩采样系统采样率高、数据量大的问题，本文提出基于相位调制与相干接收来产生RF与±1强度PRBS的混频信号的解决方案，分析混频信号误差的主要来源。基于此，实验实现了压缩比为25:1、带宽为5GHz的光压缩采样系统。