压缩传感是近几年刚刚兴起的一种全新的信号采集与处理理论。该理论认为：对于可压缩的信号，可以以远低于奈奎斯特-香农的采样率进行数据采集，并且能够以很大的概率重构得到原始信号。压缩传感的出现，在一定程度上冲击了传统的奈奎斯特-香农采样定理，为日益增加的海量数据的采集和处理提供了一种全新的思路。本文在介绍压缩传感的研究背景和基本理论的基础上，对测量矩阵进行了优化研究；同时对传统的单像素成像系统进行了改进，并通过仿真模拟和实验对改进前后的两种系统分别进行了验证。　　本文主要工作有：　　一、研究了测量矩阵的优化及构造理论，根据结构化随机测量矩阵的构造方法，并结合通信编码理论中的Gold伪随机序列，设计了一种Gold-Hadamard测量矩阵。该测量矩阵具有对大多数稀疏信号是通用的、易于硬件实现的、重构复杂度低的优点。同时，本文从理论仿真和实验两个方面，均证明了该测量矩阵的优越性。　　二、研究了传统的单像素成像系统理论，分析了其存在的主要缺陷：单像素成像系统只采集一路光信息(如+12°方向)，容易受到周围环境噪声地干扰，导致重构结果不理想。在此基础上，对传统的单像素成像系统进行了改进，设计了一种基于差分检测的单像素成像系统。同时，本文搭建了单像素成像系统的实验平台，并通过理论模拟结果和实验重构结果，验证了其相对于传统单像素系统，具有一定的优势。　　本文的研究内容，对于单像素成像系统在实际中更好地应用具有一定的指导作用。