对非均匀介质中的目标反演成像问题属于逆散射问题。所谓逆散射问题就是通过利用目标物体的散射测量数据(声信号或电磁波信号)来估计其参数信息以及位置信息。对非均匀介质中的目标反演成像应用范围极广,如非均匀生物组织中的肿瘤癌变目标检测成像,地下隐蔽目标探测成像等等。在现实生活中,目标所处的背景介质通常具有复杂非均匀性并且其分布信息是未知的。在背景非均匀介质参数分布未知的情况下,如何实现对非均匀介质中的隐蔽目标准确反演成像,是本文要研究的主要内容。本文重点针对结构非均匀介质和层状非均匀介质模型,提出了一些新的目标反演算法,克服了传统目标反演算法的不足。本文的主要研究内容如下:针对结构非均匀介质中的隐蔽目标反演问题,本文提出了一种迭代重建算法(Iterative Reconstruction Method,IRM),并将其应用于微波致热超声成像(Microwave Induced Thermo-Acoustic Tomography,MITAT)中。IRM结合了时间反转镜(Time Reversal Mirror,TRM)技术,快速行进算法(Fast Marching Method,FMM)以及联合代数重建技术(Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique,SART)来迭代更新结构非均匀介质的参数分布。该算法能够在结构非均匀介质模型参数分布未知的情况下,仅利用测量数据就能实现对结构非均匀介质中的隐蔽目标准确反演成像。本文首先通过利用简单近似模型验证了IRM的有效性。另外,本文还利用人体解剖学真实乳房模型以及MITAT实验进一步验证了IRM的可行性。通过仿真与实验结果,IRM能够有效地降低生物组织内部的结构非均匀性对肿瘤目标成像带来的影响,从而准确地反演肿瘤目标,提高成像质量。针对IRM更新结构非均匀介质参数分布过程计算量大、计算时间长的问题,本文提出了一种基于最优渡越时间的IRM并将其应用于MITAT中。该算法根据实际非均匀介质与参考均匀介质模型下接收到的信号渡越时间的变化差异来挑选出包含大量介质结构非均匀性信息的渡越时间点。利用挑选出来的渡越时间点,并结合TRM技术、FMM以及SART来迭代更新结构非均匀介质的参数分布,再基于更新的介质参数分布实现对隐蔽目标反演成像。通过数值仿真以及MITAT实验结果,该算法比传统IRM能够更快速有效地对生物组织的结构非均匀参数分布进行建模并且目标成像质量与传统IRM重建的图像相差不大。针对层状非均匀介质中的隐蔽目标探测问题,本文提出了一种电磁逆散射序列算法(Electromagnetic Inverse Scattering Series Method,EISSM),并将其应用到二维和三维分层介质中隐蔽目标的电磁探测。EISSM的优势就在于其能够在层状背景介质电参数分布未知的情况下较准确的反演隐蔽目标的位置。本文利用仿真数据以及实验测量数据验证了EISSM的有效性。通过仿真与实验结果,在层状非均匀介质电参数分布未知的情况下,EISSM反演的隐蔽目标位置相比目前广泛使用的TRM技术具有更低的定位误差。针对埋藏在具有高电参数特性介质中的目标探测问题,本文提出了一种修正EISSM并将其应用到二维分层介质中的目标探测。讨论比较了该方法与传统EISSM的定位误差。该算法通过引入一个相位修正因子来补偿传统EISSM求解位置补偿项的误差。本文通过利用仿真以及实验均验证了修正EISSM能够有效地降低传统EISSM的定位误差,从而准确的对埋藏在具有高电参数特性介质中的目标反演成像。本文对非均匀介质中的目标反演问题与方法进行了全面的调查了解,并针对结构非均匀介质和层状非均匀介质模型下的目标反演进行了重点的研究。通过仿真与实验验证了所提出方法的可行性与有效性,并讨论了影响所提出算法性能的因素及适用范围,为未知非均匀介质模型下的目标反演问题提供了参考。