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太赫兹(THz)波一般是指频率位于0.1THz-10THz(波长为3mm-30μm)范围之间的电磁波。太赫兹波在电磁波谱中所处的特殊位置使其具有不同于其它电磁波段的独特优势，例如生物安全性、高成像分辨率、良好穿透性等。作为太赫兹波的重要应用领域之一，太赫兹成像技术是以太赫兹波作为探测手段，通过对成像目标的反射或透射回波进行数据采集和分析，获取目标散射信息的新型成像技术。近年来，随着太赫兹源和检测技术的发展，太赫兹成像技术在安全检查、无损检测、生物医学成像等领域展现出重要的应用价值，目前已成为电磁成像领域的研究热点。 在国家自然科学基金、中国科学院知识创新工程和国家863计划项目等的支持下，本文开展了太赫兹全息成像及太赫兹孔径编码成像的基本理论、成像体制、信号传输模型和成像算法等方面的研究。论文的主要研究内容和创新点如下: 一、针对太赫兹三维大景深快速成像的应用需求，提出了一种基于波数变标原理的三维全息成像算法。主要工作和创新点包括: (1)从高斯波束照射下的回波信号模型出发，推导得到影响成像景深和聚焦效果的距离方位耦合项的解析表达式。 (2)提出基于波数变标原理的三维成像算法，通过波数变标操作精确校正距离方位耦合项，并给出了重建算法的具体流程，在保证运算效率的同时提高了成像景深范围。 (3)基于波数变标原理推导出全息成像算法的三维点扩散函数，从理论上定量表征出成像的三维空间分辨率，并通过仿真和实验数据进行了验证。 (4)研究分析了波数变标操作中变标参数对算法运算效率和重建精度的影响，并定量给出变标参数与太赫兹成像系统参数和最大不混叠成像距离的关系，得出高斯波束照射下变标参数的最优选取原则。 二、为了降低太赫兹三维全息成像中对频率采样率和回波数据量的要求，提出了提出一种基于随机频点的三维稀疏成像体制及其快速重建算法。主要工作和创新点包括: (1)从三维回波信号模型出发，对回波信号的波数域带宽进行了分析，推导得出波数域带宽与天线照射范围内的等效距离分布范围成正比例关系。 (2)针对太赫兹表层成像，推导得到太赫兹三维回波信号关于波数域的稀疏特性。 (3)提出一种基于随机频点的三维稀疏成像方法及其快速重建算法。利用随机频点能有效消除距离混叠现象的原理，通过随机频点数据恢复出包含目标完整信息的满频点数据，并重建出目标的三维全息图像。 (4)基于统计学原理从理论上证明了稀疏随机频点并不会降低成像分辨率，并推导出太赫兹三维全息成像中稀疏频点个数的选取原则。 (5)将稀疏成像体制和快速重建算法成功应用于人体隐匿物成像探测试验。 三、开展了太赫兹孔径编码成像体制与重建算法的初步研究。主要工作和创新点包括: (1)总结了太赫兹孔径编码成像的发展现状，指出其现存问题和未来发展方向。分析了幅度调制孔径编码成像的系统构成方式和相应的重建算法，并通过仿真数据进行了验证。 (2)提出了太赫兹相位调制孔径编码成像体制，并从其信号回波模型出发研究了其与太赫兹全息成像的等效性。 (3)引入图像的总变分模型，利用增广拉格朗日乘子法和交替方向乘子法快速求解最优化重建问题，并利用仿真和等效测试数据进行了验证。