微波断层成像是电磁场理论中一个备受关注的研究方向,可以广泛应用于生物医学、军事和工业领域。微波断层成像是一种电磁逆问题,属于典型的病态问题,虽然已经有多种求解方法,但是该类问题的求解依旧面临两大困难:第一、由于外界干扰以及边界条件建模误差造成测试数据信噪比过低,最终导致成像失败;第二、系统获取目标的信息量不够,缺少目标信息会导致成像质量低,甚至成像失败。针对以上两个困难,本文研究了金属边界条件下的微波断层成像和非均一背景作为先验信息增强微波断层成像。当前,微波断层成像研究主要集中在基于自由空间和均一背景的成像系统,本文研究了金属边界条件和非均一背景的成像系统,拓展了该领域的研究范围。而且金属边界条件下的微波断层成像系统相比基于自由空间的微波断层成像系统更有优势,它能提供更加准确的边界条件,并且能够防止外界干扰对数据的影响。本文对金属边界条件下的微波断层成像系统进行了系统的研究,研究了发射/接收天线的数量、位置以及发射和接收天线不同的情况,还研究了工作频率的选取方法和系统对称性对成像的影响。为了进一步增强微波断层成像系统对目标成像的能力,本文提出使用非均一背景提升微波断层成像系统获取目标信息的能力。该方法是通过在系统中放入介电常数和外形都已知的物体来实现的,该已知物体被作为先验信息引入微波断层成像算法中。为了评价和最优化设计微波断层成像系统的非均一背景,本文提出一种基于微波断层成像积分算子奇异值谱的评价度量。该度量用一个数值综合评价微波断层成像系统的成像能力,并且使其可以结合通用的最优化算法进行最优化设计。本文使用模拟退火法设计了一种分层最优化非均一背景。通过仿真研究证明,使用非均一背景可以增强微波断层成像系统对目标成像的能力。评价成像系统的度量与相应的微波断层成像误差具有强相关性,且基于度量最优化设计的分层最优化非均一背景可以显著提高微波断层成像准确性、提高算法收敛速度,相应的成像结果优于基于自由空间系统的成像结果。