由于介质内部(如生物组织、云雾等)或表面(如毛玻璃、粗糙墙面等)折射率分布不均匀,光波在透过介质内部传输或与其表面发生相互作用时会出现强散射,因此传统光学成像系统只能接收到由于散射光之间干涉而形成的散斑,而无法通过直接观测获得隐藏在散射介质之后的目标信息。通过控制光场分布,波前调制技术能够有效地克服介质的散射作用,从而实现透过散射介质聚焦或成像的目的。然而,现有的波前调制技术存在不可避免的限制。首先,波前调制技术需要复杂的反馈调制或校准过程(即:测量光学系统的传输矩阵),这些耗时且复杂的过程使得波前调制技术暂时无法应用于透过动态散射介质的成像中,如生物医学成像中的应用等;其次,波前调制技术的实现需要使用参考点,因而需要侵入散射体内部或后方,因此不适用于实际应用的需求。早在1988年,科研人员就发现厚度较薄的散射介质具有光学记忆效应,即:入射光在某一角度范围内扫描时,所产生的散斑强度分布具有高度的相关性,即:散斑结构不会发生明显变化,仅会随扫描方向而产生整体的相对位移。近年来,科研人员利用散射介质的光学记忆效应,提出了具有非侵入特性的散射成像方法,并且通过进一步研究,验证了基于光学记忆效应的散射成像方法还能够具有非常高的时间分辨率。尽管现有方法已能够实现透过动态散射介质的非侵入式成像,但是依然有三方面问题亟待解决:i)现有方法采用相位恢复算法重建散斑、恢复相位信息,但是相位恢复算法本身的局限性使得其无法高效地获取准确的目标相位信息;ii)现有方法基于大量散斑颗粒的统计特性,需要充分抑制重建过程中的统计噪声,因而在该过程中散射成像系统点扩散函数的影响被消除了,然而这同时决定了无法通过现有方法获得系统的点扩散函数。对于光学系统而言,点扩散函数常常是非常重要的信息;iii)现有基于光学记忆效应的散射成像方法的空间分辨率由光学系统本身决定,对高于系统衍射极限的频率信息无法分辨。对于现有非侵入式散射成像方法存在的不足,本文主要做了以下针对性的研究工作:(1)利用强度目标的自相关能够反映目标强度分布的特点,验证了基于光学记忆效应的单帧散斑自相关方法具有对灰度目标成像的能力,拓展了散斑自相关成像方法的应用范围。同时,利用散射光具有的多方向性以及随机性,验证了光学系统中的散射介质作为“散射透镜”使用时,相较于传统成像透镜来说,能够更好地克服光路中不透光遮挡物的影响,实现对目标的成像;(2)提出了基于双谱分析的非侵入式散斑成像方法,通过数值仿真与实验验证,表明了从单帧散斑中能够同时获取隐藏在散射介质后方目标的傅里叶幅值信息以及傅里叶相位信息。在该方法中,傅里叶幅值信息与傅里叶相位信息分别通过计算单帧散斑的自相关以及对单帧散斑进行双谱分析来获取,二者相互独立,不会相互影响。相较于使用相位恢复算法,通过计算散斑的双谱能够获得更准确的目标相位信息,进而能够更准确地恢复目标结构,比如获得目标的方向等;同时,该方法中的相位提取过程是确定性的,不需要多次重复与迭代;最后,该方法具有更好的抗噪性;(3)提出了基于相位多样性的非侵入式多帧散斑成像方法。通过具体的数值仿真和实验验证,表明了该方法在观测隐藏目标的同时,还可以无参考地获取散射成像系统的点扩散函数。其优势在于:首先,由于该方法不是基于大量散射颗粒的统计平均,因此仅需要多帧散斑的一小块区域,就能够恢复隐藏目标的信息;其次,一旦能够获取系统的点扩散函数,如果需要对其他隐藏目标成像,能够直接通过简单的去卷积方法从散斑中恢复出隐藏目标,而不需要重复原来的成像过程或使用其他复杂的成像方法;(4)提出了基于散斑照明的多帧散斑超分辨率散射成像方法。光学系统的成像分辨率由系统的衍射极限决定,现有基于光学记忆效应的散射成像方法能够达到的最高分辨率为系统的衍射极限,因此无法获取隐藏目标更高频率的信息。本文所提出的方法利用散斑照明的思想,通过计算多帧散斑的高阶累积,最终理论上能够使系统的成像分辨率提升为原有的√n倍,n为所计算的高阶累积的阶数。计算系统的高阶累积还能够有效地抑制部分光学散斑,同时提升散斑颗粒之间的对比度,最终能够实现一种基于散斑背景抑制的成像方法,该方法的优势在于不需要对散斑进行重建,就能够获得隐藏目标的信息。