光谱仪是工业生产和科研领域最重要的分析仪器之一。随着科技的发展,光谱仪的应用领域不断拓展,弱光和红外等非常规的光谱测量需求越来越多。弱光光谱测量在天文、荧光、拉曼等领域具有重要的应用,例如高灵敏度的光谱设备可以观测到宇宙中更暗的天体。红外光谱测量的诸多应用中,最值得一提的是其在军事方面的应用价值,它特别适合于现代战争的夜视、烟雾、水下等复杂环境。常规可见光光谱测量一般采用CCD线阵探测器,但线阵模式不适合于弱光和红外光谱测量,弱光光谱测量所需要的高灵敏度探测器和红外光谱测量所需要的特殊材料探测器,其阵列制造技术不成熟,规模小且价格高,如果采用线阵光谱测量模式,在灵敏度、分辨率、成本等方面无法获得满意的性能指标。因此,在弱光和红外光谱测量方面,寻求一种新的光谱测量方法便具有极大的科学意义和应用价值。为了满足弱光和红外这些特殊场合下的光谱测量高灵敏、高分辨的需求,本文设计了一种基于压缩感知理论的单像素光谱测量架构,该架构的光信号探测采用单光子计数型单点PMT探测器,光谱带通过压缩调制和重建的方式获得,相较于以往的类似用途光谱仪产品,可以显著提高探测灵敏度和光谱分辨率。本文的主要研究内容包括以下几个方面:(1)将基于CCD的线阵光谱测量模式与基于PMT的扫描光谱测量模式进行实验比较,论证了单光子计数型PMT探测器在弱光条件下的灵敏度优势,以及由此带来的对光谱分辨率的提高。(2)研究压缩感知相关理论,针对压缩感知光谱测量的要求,利用仿真手段,对压缩感知应用所涉及的矩阵设计、算法选择和信号稀疏性进行研究。创新性的提出,从Hadamard矩阵中按一定规律抽取部分行构成局部Hadamard矩阵作为测量矩阵,相较于伪随机矩阵,局部Hadamard矩阵可以获得更佳的光谱重建质量。另外,还考查了采样率、噪声水平等对光谱重建质量的影响。最后,论证了单像素光谱仪相对于扫描光谱仪和Hadamar变换光谱仪,除了亚采样的优势外,还具有更好的信噪比特性。(3)构筑了基于压缩感知理论的单像素光谱仪实验系统,并根据线性光学元件的特点,提出了压缩光谱的互补测量技术。相对于以前的非负方式和均值减方法,互补测量方法在光谱重建质量方面有大幅度改善,并得出结论,对互补测量方法而言,30%的采样率是合适的。另外,用实验的方法,进一步论证了局部Hadamard测量矩阵相对于伪随机矩阵在压缩感知光谱测量方面的优势。(4)进行了单像素光谱仪实用化方面的研究工作,搭建了反射式单像素光谱仪实验系统。实际测量了系统的光谱分辨率,利用位置和幅度标准光源对光谱仪的位置和幅度进行了标定。最后利用单像素光谱仪实验系统测量了有色样品的光谱吸收率,并设计了辅助实验装置。本文设计的单像素光谱测量架构除了能够满足弱光和红外等特殊场合下的高灵敏、高分辨光谱测量的需求外,还具有亚采样、鲁棒性好、复杂度低等优点,有利于光谱设备的微型化、便携化,便于推广应用。