光谱成像系统受色差影响会导致图谱混叠，本文将单像素成像以及计算关联成像分别与光谱成像系统相结合，并在系统中引入900~1 700 nm适用的消色差透镜来校正色差。首先计算出不同胶合消色差透镜的色差大小并以此选取透镜，所选消色差透镜相较其它透镜对色差校正可以提高一个量级。其次分析了色差对光谱成像系统的影响以及单像素成像和计算关联成像的差异。最后仿真和试验分析单像素光谱成像和计算关联光谱成像特点。试验结果表明对于900~1 700 nm的近红外光谱成像，基于消色差透镜的单像素光谱成像系统取得了更好的图像重构结果，其峰值信噪比（Peak Signal to Noise Ratio，PSNR）提高了3.93 dB，结构相似度（Structural Similarity, SSIM）提高了0.96%。消色差透镜的单像素光谱成像系统在近红外光谱成像中重构图像效果优于无消色差透镜的计算关联光谱成像。

单像素成像具有高灵敏度，抗干扰等特点，但得到一张高质量图像需要多次采样，因而在卫星对地观测应用时，由于卫星姿态变化使得指向抖动从而造成参考光场与探测器信号之间关联性丢失，使得重构出的图像质量严重退化。针对这一问题，本文设计一种光场追踪补偿方案以补偿卫星姿态对成像带来的影响，结合卫星工具包生成卫星数据分别进行滚动角，俯仰角的运动补偿验证和偏航角的运动补偿验证。结果表明进行滚动角和俯仰角运动补偿后成像的峰值信噪比提升28.8 dB，进行偏航角运动补偿后成像的峰值信噪比提升7.25 dB，同时考虑滚动角，俯仰角和偏航角对典型场景进行运动补偿后的成像结果峰值信噪比提升至少4.7 dB，仿真结果证明了补偿方案有效提高了成像质量，为星载单像素成像提供了一条有效技术途径。

单像素成像结合压缩感知相关算法利用很少一部分无空间分辨的桶探测器采样值就能重构出成像物体的高质量图像。然而，随机地选取投射的散斑序列无法在更低的采样率下成像。为进一步实现单像素成像在极低采样率下的成像效果，本文提出了基于数据驱动的哈达玛矩阵排序方案，利用对整个数据集的训练效果来自适应地选择透射的散斑信号序列，在重构图像过程中使用两种不同的压缩感知相关算法在数值仿真和实验条件下实现了5%超低采样率下对成像物体的图像重构，并和目前最优的哈达玛矩阵排序方案进行了比较，发现在1%~5%的采样率下本文方法的重构效果更优。本文研究成果可用于提升单像素成像的成像速度，在成像制导和医学成像中有着极大的应用前景。