基于稀疏约束的鬼成像光谱相机, 能够通过单次曝光获得目标场景的三维空间光谱数据立方体。但是由于不同波长的散斑场在探测器的同一位置处, 使得仪器的光谱分辨率和信噪比受到限制。为了解决上述问题, 提出了利用平场光栅分光将不同波长的光场在探测面上错开一定距离的系统, 实现了基于平场光栅的稀疏约束鬼成像高光谱相机。通过对系统成像过程的理论推导, 得到了系统的关联函数, 并通过实验和数值模拟验证了理论推导结果。在保证原先光谱相机优点的同时, 基于稀疏约束的鬼成像高光谱相机可以分别调控光谱分辨率和空间分辨率, 实现可控的信噪比。此外, 还能够根据不同波长的光场特性来优化测量矩阵, 从而提高图像恢复质量。

在低采样率、低信噪比(SNR)的探测条件下，多光谱重建图像噪声增多，重建质量大幅度降低。为了提高多光谱图像的重建质量，提出了一种基于先验图像约束的多光谱压缩感知（PICHCS）重建方法。PICHCS利用多光谱图像的空间相关性和谱间相关性重建出初始图像，并将相邻谱段的初始图像取平均获得高信噪比的先验图像。先验图像与目标图像相减可以使优化目标稀疏化，并使得重建结果具有与先验图像类似的高信噪比特性。通过数值模拟和实验验证了该重建算法的可行性，并在不同的采样率、信噪比条件下和全变差低秩联合重建算法进行了对比研究。结果表明，PICHCS可以在低采样率低信噪比情况下提高多光谱图像的重建质量，从而降低对数据采样率和系统信噪比的要求。

随着对成像分辨率的要求日益提高，成像所需采集的数据量不断增大，亟需发展一种具有更高图像信息获取效率的压缩成像方式。压缩感知信息理论的兴起使压缩成像研究得到了快速的发展。提出了一种基于空间随机相位调制的单次曝光压缩感知成像方案，通过压缩成像实验验证了该成像方案在原理上的可行性。理论分析并实验验证了系统的空间分辨能力、信噪比随系统参数变化的相互制约关系。