人类获取信息的83%依靠视觉,视觉也是人类掌握最为熟练的感知世界的手段。现代科技将很多类型的信息都转换为视觉信息提供给人类,包括可见光的相机、紫外和红外的相机、声呐与B超以及成像微波雷达等。本文研究的基于压缩感知的单光子成像,是一种具有高灵敏度和高信噪比的成像方法,具有对探测器要求相对较低、降维探测和方便拓展应用等优点。首先需要研制单光子探测器。由于同时具有军事和科学价值,我们主要研制的是近红外单光子探测器。通过充分的调研掌握目前的几大类单光子探测器的驱动方式。核心的研究内容是如何驱动近红外单光子探测器工作,并使其工作在高效率、低暗计数的状态下。在近红外单光子探测器的门控方式及适应性选择、门控速度、自由运行的触发与淬灭、单点探测器与集成化阵列探测器等几个主要方面进行了较为详尽的研究。其次开展了压缩感知理论的相关研究。主要集中在稀疏表达和稀疏采样的理论研究以及观测矩阵的实用化优化与选择、重建算法优化等方面上。发展了哈达玛矩阵与DMD实用化的结合。并且还自主研制了高速大容量DMD控制系统,支持最大翻转频率20KHz,板载容量高达1TB。最后是压缩感知单光子成像的综合研究。主要依托于自主设计的单光子单像素相机开展实验台上的原理性研究、依托于自主设计的野外单像素相机开展互补测量研究和远距离成像研究。在此基础上进行了进一步了拓展研究,包括基于压缩感知的光谱测量研究、结合光谱仪开展的光谱成像研究和荧光光谱成像研究、使用双DMD进行的单光子光谱成像研究。此外,针对单光子压缩感知成像的噪声问题进行了分析,发展了互补测量去噪声和双阈值去噪声方法,最后讨论了单光子压缩感知成像的量子极限问题。我们自主研制的近红外单光子探测器按照门控频率分类有10MHz、20MHz、100MHz和1GHz等几类,暗计数率都控制在10^-5个/纳秒量级上,探测效率均超过10%。利用哈达玛矩阵优化的算法使重建速度比普通随机矩阵提高1～2个数量级;完成了日间和夜间市区内500米、2公里、5公里和10公里的针对自然目标的单光子级别的压缩感知成像,每次测量每像素的平均光子数仅为20个左右。在光谱测量标定中,光谱分辨率最好可达到2nm。在实验室环境下,单光子压缩感知成像可以在每次测量每像素仅为0.9个光子时较好成像,比传统的点扫描成像方式提高2个数量级。