光声断层成像（PAT）是一种非侵入性混合成像模式,用于获取有关半透明介质内光吸收结构分布的信息。它基于光声效应,通过脉冲激光激发超声波,结合了光学成像的高对比度和超声的良好分辨率并且具有无创特性,在生物医学领域具有巨大的应用潜力。图像重建算法是光声断层成像的关键技术。图像重建质量很大程度上取决于采集到的声压信号的完整性,稀疏的测量位置和探测器的有限视野扫描问题会导致不完整的声压信号,从而限制重建的准确性和稳定性。本文针对上述问题,重点研究光声断层成像的相关理论和重建算法对图像重建质量的影响。论文主要工作内容包括:1)研究光声成像的物理原理和前向模型,采用Green函数法对光声波动方程进行求解,并利用k-space伪谱法模拟和检测初始压力分布产生的压力场。通过模拟仿真,单个换能器的波形符合“N”形结构特征,证明了该方法的可行性。2)针对提高有限视角扫描的解析类算法重建质量问题,在探测器的方向性、系统参数的设置（网格尺寸）及插值三个角度进行研究。实验证明,通过减小网格尺寸（即增加网格数量）和插值的方法均可以提高采集声压信号的完整性,进而提升重建精度。3)针对超声波传播过程中的衰减问题,采用Tukey时变窗口对光声压信号进行滤波,结合有损波动方程的时间反转方法来补偿声衰减以获得高质量成像。通过不同数量探测器点的模拟实验直观地证明了该方法,并给出了重建的初始压力分布曲线。4)针对在有限采样数据中光声成像重建的病态问题,研究压缩感知理论和全变分正则化算法在稀疏采样条件下的数学原理和理论优势,从稀疏视图重建、稀疏点重建和抗噪性三个方面开展了三组模拟实验,得到了理想的重建图像,并根据评价指标在客观上对重建精度进行了定量评价。