光学图像是人类认知世界的主要手段之一。相较于其他认知手段,光学图像更加直观、全面、丰富。近年来,一种不同于传统面阵成像的新型成像技术-关联成像受到了国内外学者的持续关注。相对于传统使用面阵探测器进行成像的技术,关联成像的成像器件为单像素探测器(如光电倍增管等),结合光学调制器件与相关算法来实现对目标物体成像,因此关联成像技术也常被称之为单像素成像技术。单像素探测器的光谱选择范围较面阵探测器广,使得关联成像技术在非可见光或者面阵探测器无法成像的波段具有潜在的成像优势。此外,结合高速光电探测系统与高重频、窄脉冲激光光源,关联成像在远距离、高纵向分辨率三维成像方面具有显著优势。目前,关联成像技术在光谱成像、太赫兹成像、三维成像、气体泄露成像以及目标跟踪等领域都展现了独特的应用前景。然而,就现阶段关联成像的性能指标(如成像空间分辨率、质量与效率等)与传统的面阵成像仍有一定的差距,如何提高关联成像技术的这些性能参数,广大科技工作者做出了巨大努力并取得了丰硕成果。在前人的研究基础之上,本文主要围绕多光谱关联成像技术与傅里叶关联成像技术展开研究,针对现有相关技术的不足,提出新的研究方法并进行理论分析、数值仿真与实验验证。本论文包括六个章节,其中第一章主要综述了关联成像技术的发展及相关应用;第二章介绍了关联成像技术的相关图像复原方法;论文的第六章对所研究的工作进行总结与展望;第三、四和五章为本论文的主要工作,概括如下:(1)多光谱关联成像技术通常采用光谱分光的方式使用多个探测器同时或者使用单个探测器分时获取被成像物体的光谱分量图像,进而融合出相应的多光谱图像,该方案导致多光谱成像系统结构复杂、数据量大、效率低。针对传统多光谱关联成像技术的不足,提出了正交调制照明的光谱编码计算关联成像技术。通过确定性的正交Hadamard基矩阵分别与光谱编码矩阵结合来构造正交的多光谱调制照明散斑。应用基于数字光投影技术的投影系统对成像物体照明,使用单个单像素探测器收集成像物体的后向散射光,并离散化后存储。多光谱图像复原过程:首先,应用演化压缩迭代技术从探测信号中复原出成像物体的混叠光谱图像;其次,利用光谱编码矩阵相互正交性质,通过复原出的混叠光谱图像与光谱编码矩阵点乘运算解码出相应欠采样的光谱分量图像,对分离出的欠采样光谱分量图像分别采用组稀疏压缩感知算法重构全采样光谱通道图像,进而融合出目标物体的多光谱图像。理论分析了正交调制照明的光谱编码计算关联成像方法,并进行了数值仿真和实验验证,同时开展了基于传统多光谱关联成像方法的对比实验,仿真与实验结果均表明方法的有效性。所构造的正交调制照明散斑有效克服了随机调制散斑的冗余性,提高了多光谱关联成像效率;所提方法简化了多光谱关联成像的系统配置,降低了数据采集量与复原时间。(2)鉴于自然场景的主要信息集中在傅里叶变换域低频区域的先验知识,因此可以将低频区域的傅里叶基散斑应用在关联成像中对光源或者成像物体反射/透射信号进行调制,可以有效降低采样数与投影散斑的数量,提高关联成像的效率。然而,目前常用的空间光调制器数字微镜器件对灰度傅里叶基散斑的刷新率很低,制约了传统基于数字微镜器件的傅里叶关联成像技术的进一步发展和应用。针对该问题,提出了信号权重傅里叶关联成像技术,将灰度傅里叶基调制散斑转换为相应的二值化调制散斑序列,由二值化调制散斑对应探测信号的权重代替二值化散斑调制时间的权重,大幅提高基于数字微镜器件的傅里叶关联成像效率。技术上,首先将灰度的傅里叶基散斑按照十进制转二进制的原理分解为相应的二值化调制散斑序列对光源进行调制,以充分利用数字微镜器件对二值化散斑刷新率高的优势;其次对二值化调制散斑对应的探测信号进行权重求和来等效相应空间频率下的傅里叶频谱系数;最后对采集的频谱系数进行逆傅里叶变换来复原成像物体图像。理论分析了信号权重傅里叶关联成像的方法;数值仿真了灰度傅里叶基散斑在不同量化等级下分解为二值化散斑序列后对不同目标图像的复原质量;在理论与数值仿真的基础上开展了实验验证工作,分别对静态物体和动态物体进行了实验,实现了帧频约9帧的视频成像。所提方法推动了傅里叶关联成像技术的发展。(3)时间飞行三维关联成像雷达具备同时获取成像区域内待测物体的距离信息与待测物体图像的能力,在遥感与目标探测识别等领域具有广阔的应用前景。将信号权重二维傅里叶关联成像扩展到空间三维成像,结合时间飞行原理,提出了时间飞行三维傅里叶关联成像技术。分析了时间飞行三维傅里叶关联成像过程及图像复原方法;开展了时间飞行三维傅里叶关联成像实验研究,对二值化散斑对应探测信号进行权重计算获得成像区域内物体的傅里叶频谱切片,然后应用傅里叶频谱切片的不同频谱成分分别重构、计算出了成像区域的切片图、强度图和距离图。实验结果表明,利用前25%频谱成分可实现对目标物体的强度图和距离图清晰成像。开展了目标物体被网状遮挡物遮挡实验,发现利用前25%频谱复原的强度图和距离图的质量要明显优于完整频谱复原的强度图和距离图的质量,初步的实验结果反映出时间飞行三维傅里叶关联成像技术可能在去除网状遮挡物方面具有潜在的技术优势。