非视域激光成像技术是利用散射光携带的飞行时间信息对视域外的目标进行三维像重建的技术。该技术是近几年兴起的一种新型的激光成像技术,在机器视觉、反恐侦查、医学成像、历史考古以及飞行器导航等众多领域有着很强的应用前景。本文从基于椭球逆投射方法的非视域成像出发,理论分析了该方法自身原因导致最终恢复像存在不确定区域的原因。通过仿真分析出该方法存在以下问题:成像体制单一、场景信息利用率低,横纵向分辨率不一致以及滤波算法单一、对噪声敏感、恢复像畸变的问题。之后本文即针对上述问题分别从成像体制和恢复算法上进行了优化。针对逆向椭球投射方法恢复像在横纵向分辨率不一致的问题,根据逆向椭球投射方法叠加时使用的是偏心率较大的椭球面情况,本文提出球投射恢复方法,从三维图像频域空间信息获取范围角度证明球投射方法成像质量比椭球投射高的原因。对于单点目标,同样系统设定情况下逆向椭球投射恢复像横向半峰宽占26个体素,而逆向球投射的恢复像占12个体素。典型的双点目标实验结果也和理论和仿真结果一致。针对非视域激光成像在非视域场景中的信息利用率低的问题,本文提出了使用两个互相垂直的墙面进行双中介面的非视域激光成像的体制。首先分析两个中介面存在时可能存在的4种成像方式,使用双中介面各自恢复像归一化叠加的方式进一步减少恢复像的不确定区域。仿真和实验的结果显示使用双中介面进行非视域成像对提高最终恢复像的位置准确度、强度均匀性有着重要的意义。最后针对椭球投射算法恢复像存在弯曲畸变以及在噪声存在情况下边缘模糊的问题,本文首先引入了聚类算法中的mean shift滤波方法,仿真结果表明使用mean shift滤波方法的逆向椭球投射算法在多目标或者带噪声的情况下具有优秀地聚类、抑制噪声、边缘保持以及保留强度低目标不被阈值掉的特点。之后从非视域激光成像的另一种恢复算法-代数迭代法出发,通过最优化方法中的梯度投影算法恢复图像,通过建立上述算法的仿真得到的恢复像质量优于逆向椭球投射算法,代数迭代法在参数选取合适的情况下恢复像弯曲畸变的情况得到改善。