时间分辨成像光谱是生物荧光显微成像、蛋白质结构分析、材料分析、环境监测、天文观测、遥感等领域的研究前沿与热点之一,而传统的时间分辨成像光谱仪器通常无法同时获取图像和光谱,往往需要利用点扫描方式获取一维光谱或二维图像,然后通过阵列探测方式获取余下的二维图像或一维光谱,这将无法避免光通量在维度上的分配,导致系统灵敏度的下降,而扫描时间还将牺牲时间分辨率。因而本文的研究重点在于如何利用新原理新方法来解决上述维度问题和灵敏度问题。近年来,压缩感知CS理论引起越来越多的关注。该理论指出,自然信号通常具有一定结构,有些本身具有稀疏性,而有些可在某个确定的基下稀疏表示,仅用较大系数的值和位置便能简洁地表征信号的所有信息,然后对其进行少量非适应性的线性测量,通过凸规划就能近乎完美恢复出原始信号,打破了Nyquist-Shannon采样定理的限制,引发了诸多应用。其中一个典型的应用为单像素照相机,其借鉴了计算成像中高通量测量的思想,将物体成像在数字微镜器件DMD上,DMD对所成的像进行少量的随机0-1掩膜调制,每次调制选择图像部分的像素点,利用收集透镜将把这些像素点的光强聚合到一个点探测器上,大幅增加光通量,避免了光通量在维度上的分配,而噪声被压制在单像素水平,信噪比大幅提高。但在强光下,这些优势显得并不突出,如果将其应用于极弱光探测中,优势将会凸显并放大。鉴于此,我们将单像素成像技术与单光子探测技术相结合,将经典的单像素相机推向非经典的单光子水平,充分利用了高通量测量来获得超过所采用的探测器件本身的灵敏度极限的系统成像灵敏度(即超灵敏),并继承了测量维度和测量数均减少的优势,我们称之为超灵敏单光子计数成像,而后在此基础上发展出了超灵敏时间分辨成像光谱。本论文首先介绍了相关的技术背景。在传统成像中,系统成像灵敏度往往决定于像平面传感器中像元灵敏度,通过对单像素相机的深入研究,发现其能突破这个限制,而且具有高通量测量、低测量维度和亚采样的优势。我们提出将这种成像方式与单光子探测技术相结合的成像系统,实现了超灵敏单光子计数成像,给出了相关实验结果,理论证明了其具有超灵敏的特性。提出了DMD双臂进行可见光和红外光的同时测量,并以其在天文暗星观测中的应用来例证该成像系统的广阔应用前景。随后,分析了噪声的来源,研究了由0或1组成的测量矩阵和光子噪声对成像质量的影响,得知0-1矩阵无法满足压缩感知理论的先决条件受限等距性质,为此提出了互补双像素测量和DMD互补调制的综合噪声去除方案,并实现了正负光场调制,进而使得测量矩阵满足条件,成功应用于望远成像、显微成像、三维反射成像、运动目标跟踪等领域;此外,还提出了一种综合噪声补偿的方案。根据噪声的随机性,在超灵敏单光子计数成像系统框架下,研究了可行的噪声利用方案。紧接着,发展出基于线阵探测器和基于双DMD调制的两种压缩成像光谱方案,实现了成像光谱的同时探测,解决了维度和灵敏度问题,很好规避了由扫描时间带来的时间维度上的冲突。此后,本文详述了针对此系统的时间分辨测量方法。为解决大图重建中所遇到的内存存储与计算复杂度的问题,本文提出了基于稀疏测量矩阵的CS改进算法、基于Hadamard矩阵和排列矩阵的CS算法、基于小波树和稀疏表示的自适应压缩成像方案,测量数更少,硬件资源要求更低,更快速。而其中第二种方案利用Hadamard变换的便于计算的特性,通过排列矩阵构造出伪随机测量矩阵,将存储空间从数TB降低到数MB,计算速度也提高了1～2个数量级,实现了快速图像重构,有望推进硬件化。最后,为了科学评估算法的优劣,本文还提出了基于接受者操作特性曲线的算法评价体系。鉴于此,超灵敏时间分辨成像光谱技术将在极弱光探测领域获得广泛应用。