在植物生长过程中,植物的呼吸作用、光合作用、水分输送等多种生命活动都离不开水的参与,叶片水分含量分布是衡量植物生理生化的重要指标。评估植物叶片水分,一方面有助于对植物水分亏缺程度进行快速判断,保障植物水分实现精准灌溉,提高农业水资源利用率,从而推动农业生产可持续发展;另一方面可以加深理解植物在正常和胁迫环境下对环境的变化响应,可视化植物叶片动态、时间和空间异质特性,用于解剖不同叶片区域和组织的代谢过程,帮助发展植物基础学和生理学研究。目前,尽管植物叶片水分检测方法有烘干法、电测法、蒸馏法、卡尔费休法、太赫兹成像、光谱成像以及磁共振成像（Magnetic resonance imaging,MRI）,但是在实际应用中都存在一些局限性。而微波热声成像技术作为一种无损伤且无电离辐射的新型成像技术,该成像技术结合了微波高对比和超声的高分辨率,被广泛用于生物研究领域。本文基于微波热声成像技术提出了一种微波热声显微（Thermoacoustic microscopy,TAM）成像技术,并将其成功用于植物叶片水分分布检测的研究。该方法不仅进一步提高了微波热声成像的分辨率,而且弥补了光声成像技术受限于光学吸收特性为基础的成像机制缺陷,是另一种在具有广泛应用潜力和良好发展前景的显微成像方法,能够为植物生理学和农学领域提供强有力的支持。本论文的主要研究内容和结论如下:首先,基于热声效应现象和热声波动方程介绍了微波热声成像的理论,解释了植物对电磁波的吸收特性。介绍了TAM成像技术原理,通过探究得出TAM成像系统性能的影响参数主要包括信噪比、微波脉宽、扫描步长、声学分辨率等。其次,设计并搭建了一套包括硬件及软件两大部分组成的TAM成像系统。依托于理论研究及系统的实用意义,对该系统部分所需要的硬件配置进行选型及设计,主要包括:微波源、点聚焦探头、TAM前置放大器、以及数据采集卡的选择,多路放大器加法电路、二维步进电机扫描方式的设计,并通过实验验证与优化,使系统信噪比得到明显提升。基于Labview完成该系统的软件设计,阐述TAM成像系统的控制并对成像后的图像处理算法进行研究,软件部分的技术研究及设计提高了图像信噪比和时间分辨率,为后续叶片水分的可视化奠定了良好的基础。最后,将所设计的TAM系统用于叶片水分可视化实验探究。介绍了不同耦合剂的特点,通过对微波能量的衰减及对样本的腐蚀因素实验,确定以橄榄甘油作为本研究中耦合剂的最优选择;进行铜丝分辨率测试实验,验证该显微成像系统性能优良分辨率可高达406μm;将TAM成像系统实际应用到植物叶片水分检测中,通过对三组曼陀罗植物叶片水分丢失前后进行了TAM成像,定量分析和讨论了图像数据结果,验证植物叶片水分的变化可由TAM信号进行表征;最后将该系统应用于野茼蒿和紫苏叶片水分成像实验中,并与MRI系统所得实验结果进行对照,通过数据分析及图像对比,证明了该显微成像系统在植物叶片水分检测的可行性与准确性;同时该系统在植物叶片的细微网状脉结构的分辨能力也得到了验证。