偏振成像技术相较于传统的强度成像技术,在获取目标强度信息的同时还能获取目标的偏振信息,这对在复杂场景下对目标物体实现探测与区分具有重大意义。然而偏振成像在远距离成像与极弱光成像领域的进展始终不尽人意,如何提升偏振成像的探测灵敏度成为了一个亟待解决的问题。单像素成像技术的出现,为问题的解决提供了思路。单像素成像技术具有超高灵敏度、低维度的优势,为实现高灵敏度的偏振成像提供了重要的理论依据。基于此背景,本文将偏振成像技术与单像素成像技术相结合,采用光子计数技术对光强进行探测,全文围绕全Stokes单光子压缩偏振成像技术展开研究,主要研究内容及成果如下:(1)本文结合分时型偏振成像装置与单像素成像系统,并采用光子计数模式下的光电倍增管(Photomultiplier Tube,PMT)探测器,搭建了全Stokes单光子压缩偏振成像系统。并自主设计了基于可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的控制与同步计数电路,克服了传统光子计数成像中难以实现在信号检测过程中的信号同步的问题。最后通过实验对系统进行验证,实验结果表明,该系统能够实现不同偏振方向的压缩成像,并能够在低采样率下获取目标的高质量Stokes参数图像,验证了系统的可行性。(2)在全Stokes单光子压缩偏振成像系统的基础上,为了拓展系统的应用场景,提高系统的成像质量。本文将完全微扫描法与哈达玛矩阵应用于本系统,提出了一种超分辨压缩偏振成像方案,并通过实验对方案进行验证。实验结果表明:通过该方案获取的不同采样率条件下的超分辨偏振图像,能够充分保留目标的偏振信息,并有效的提高成像质量与成像效率,从而验证了方案的可行性。(3)提出了一种基于字典学习的偏振图像融合方法,首先从待融合图像获取的图像块样本,然后通过K_SVD算法训练字典,通过训练后的字典得到图像的稀疏系数,最后对稀疏系数进行融合再重构图像。融合结果表明,该方法能够有效提升偏振图像的信息丰富度与清晰度。