毫米波由于其丰富的频带资源,良好的穿透性能,在医疗、安检等领域有着重要作用。常见的扫描成像、凝视成像及SAR成像系统等,口径尺寸和工作带宽决定了其空间分辨能力,压缩感知理论的提出打破了传统的Naquist采样定理,通过求解最优化问题可以从少量的测量值中高概率重构出原始信号。在毫米波频段,压缩感知成像从理论到实用还有很多问题亟待解决,本文以此为出发点,结合超材料独特的辐射特性,利用其对毫米波强大的空间调控能力,针对压缩感知成像中关键的测量矩阵进行了重点研究,提出了多种构造毫米波“掩膜板”的可行方案,并对成像系统进行了仿真和实验验证。本文提出了基于稀疏阵列分布的毫米波压缩感知成像模型,在阵列复杂度上该模型与行列叠加随机馈相相当,但是成像能力却媲美所有阵元全部独立随机馈相,利用其构造的测量矩阵性能接近高斯随机矩阵。在降低系统复杂度的情况下,不影响成像效果,而且该模型可扩展性强,可以在稀疏分布的切换方式,馈相方式等方面结合超材料结构进行口径设计。基于频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)和PIN二极管设计了一款毫米波压缩感知成像系统,通过切换加载在圆环缝隙结构两端的二极管偏压,实现二极管通断状态的改变,进而控制FSS单元的通断。当随机组合切换FSS中二极管的工作状态时,不同位置的圆环缝隙参与辐射,可以得到具有不同馈相分布的稀疏阵列,全波仿真800次随机组合后,导出其近场场分布,构造了800*1024像素的测量矩阵,利用该矩阵实现了32*32像素的毫米波手枪图案重构,且在采样率只有25%时,重构信噪比可达30dB。此外,利用矩形波导偏馈激励谐振腔可产生随频率变化的随机场分布,在谐振腔表面加载稀疏分布的宽带FSS单元后,口径的空间方向图波束指向差异性较大,用其构造的测量矩阵可用于压缩感知重构。利用超材料口径在不同频率辐射特性的差异,设计了一维频扫压缩感知成像系统,通过频率切换实现阵列稀疏分布的变化,利用频率对测量模式进行索引。仿真并制备了基于cELC的一维超材料成像口径,口径工作于Ka波段,在32cm的传输线上加载了121个谐振单元,其中有50种不同参数的结构,分别对应50个谐振频点。超材料口径不同频率的空间场分布差异性较强,构造的测量矩阵有较好的重构能力,成像过程中,标准喇叭天线做发射,超材料口径做接收,通过少数次测量值即可实现对距离口径50cm处的5cm方形金属片的准确定位。最后,在二维串馈稀疏分布阵列的研究基础上,设计了基于相位和频率双重调制的二维超材料成像口径。通过在基片集成波导(SIW)背面随机分布不同尺寸的超材料单元cELC可实现口径在不同频率下有不同的辐射特性,随后将16个不同分布的一维口径平行放置,每行独立随机馈相。随着行相位分布的改变,口径的辐射特性也会对应发生变化,系统引入频率和相位两个变量大大了提高了测量模式数量。全波仿真阵列在不同行相位分布下不同频率的近场场分布后可构造得到对应的测量矩阵,利用该矩阵对目标图像进行采样并重构,当采样率大于30%后有较好的重构效果。