为克服在轨单粒子翻转并实现灵活可靠的多工作模式, 设计了基于 Xilinx现场可编程逻辑器件和上海复旦微刷新芯片的刷新成像系统。使用单组菊花链结构的串行总线进行5组刷新成像单元串口控制, FPGA将接收到的数据内部转换后再对刷新芯片配置或重注。通过刷新使能信号控制刷新芯片是否加电, 同时决定FPGA以主并工作方式从PROM加载还是从并方式在刷新芯片的控制下加载。通过控制电平设置, 实现加载数据源的选择。在各供电电源完毕后, 使用外部的复位信号对刷新芯片进行复位, 满足刷新芯片复位后立即启动配置的时序要求。实验结果表明, 以波特率625 kbit/s菊花链方式, 传输单包204 byte的数据仅需0.377 6 ms, 远低于刷新串口所需的2.01 ms, 可以进行多组的分时工作。采用少量单端控制信号结合菊花链串行总线的刷新成像系统, 多种工作模式稳定可靠, 具备设计灵活性和在轨可维护性。

全局快门在对地观测的超光谱成像、测绘及星敏应用中具有优势，但应用效果也依赖于高信噪比。针对CMOS成像特点，设计了可进行拉灌电流的低压基准源电路，基于低热光学变形的焦面电子学，提出上电初始态不定的多通道串行数据接收方法；针对全局快门所特有的寄生光灵敏度影响，采用分行统计中间行为基准的多点拟合校正方法；按照EMVA1288标准，将前照式CMOS成像系统与制冷背照式EMCCD进行了测试，校正前后单幅图像的标准差分别为3.37和0.42，最大信噪比为123.37，EMCCD的最大信噪比为359.43。结果表明，该校正方法可有效减弱全局快门的固定图形噪声，面阵CMOS在全局快门方式下的信噪比与EMCCD相比还有较大差距。

为了实现相关双采样模式下, 视频处理器LM98640的暗电平扣除功能, 设计了数字暗场扣除方法。通过获得TDI-CCD的暗场数据, 进行统计分析, 估算当前条件下的真实暗电平水平; 通过设置LM98640的偏置寄存器, 实现暗电平的模拟扣除功能; 通过暗场灰度动态检测和实时更新设置, 保证暗场在不同的温度水平下具有0~3的灰度均值; 通过时序控制, 保证偏置参数加载不影响图像内容; 通过偏置参数功能分区, 保证暗场扣除和偏置调整功能的完整性。实验结果表明, 该方法在TDI-CCD成像系统长时间工作时, 能有效控制暗场均值在0~3量化灰度范围。通过检测更新扣除机制, 实现了对噪声的帧扣除, 避免了行扣除不准确带来的噪声, 有效降低了沿轨方向高频分量。

高光谱成像的应用效果非常依赖于所获取的图像信噪比(SNR)。在高空间分辨率下,帧速率高、信噪比低,由于光谱成像包含了两维空间-光谱信息,不能使用时间延迟积分(TDI)模式解决光能量弱的问题;目前多采用摆镜降低应用要求,但增加了体积和质量,获取的图像不连续,且运动部件降低了航天的可靠性。基于此,将超高速电子倍增与成像光谱有机结合,构建了基于电子倍增的高分辨率高光谱成像链模型,综合考虑辐射源、地物光谱反射、大气辐射传输、光学系统成像、分光元件特性、探测器光谱响应和相机噪声等各个环节,可用于成像链路信噪比的完整分析。采用LOWTRAN 7软件进行大气辐射传输计算,对不同太阳高度角和地物反射率计算像面的照度,根据电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)探测器的噪声模型,计算出不同工作条件下的SNR。对SNR的分析和实验,选择适当的电子倍增增益,可使微弱光谱信号SNR提高6倍。

为提高多路高速串行图像数据传输在航天应用中的FPGA IO利用率, 同时克服接收到的多路并行恢复数据相对相位不确定性问题,采用时钟分路器同时为多路TLK2711和FPGA提供低抖动时钟。对于串行数据发送, 采用FPGA内部的数字时钟管理单元(DCM)对发送数据的相位进行调整, 并采用TLK2711的内部环回功能进行发送数据和时钟相位的动态自适应调整。对于串行数据接收, 采用高速异步数据缓存将多路相对相位不确定的数据调理为参考相同时钟, 最终转换为满足Camera Link接口协议的图像数据。实验结果表明, 采用时钟分路器可大大降低时钟抖动, 该传输系统工作稳定可靠, 最大传输速率可达6.8 Gbit/s。此方法可大大提高FPGA内部的资源利用率, 实现多路并行恢复数据的相对确定相位, 满足多通道基于TLK2711的高速串行数据的高稳定传输要求。

针对某离轴多光谱相机焦平面高精度的装调要求, 设计了焦平面组件, 阐述了装调、检测的仪器设备和方法。首先将焦平面组件安装至镜头, 测量并解算出CCD光敏面的角度和位移偏差, 接着根据偏差确定调整垫修研量, 进行初次修垫并重新安装, 然后利用调整工装微调CCD姿态至满足指标要求, 调整垫处打销钉定位, 最后根据拟合出的最佳焦平面位置再次修研调整垫, 利用销钉复位完成装调工作。检测结果表明, 相机的CCD光敏面相对于设计焦平面三维角度偏差分别为Δα=-67″, Δβ=19′, Δγ=132″, 三维位移偏差分别为Δx=-0004 mm, Δy=0006 mm, Δz=-0070 mm, 相机四谱段、全视场MTF优于025, 满足设计和装调要求。测量和解算误差分析表明, 所用的设备与方法能够满足装调精度的要求, 可以为此类相机的研制提供一定的技术参考。

受现今轨道和姿态测量以及姿态控制精度的限制，与传统三线阵立体测绘相比，采用线面阵CCD阵列(LMCCD)测绘体制可提高全球无地面控制点立体测绘精度。详细介绍了LMCCD立体测绘体制下的传感器配置、时间延迟积分(TDI)工作方式及狭小空间线路板连接和LMCCD同步控制方法。经测试该相机能有效削减测轨、测姿误差，满足无地面控制点1:50 000比例尺地图应用要求，性能还可进一步改进提高。

针对1∶50000比例尺无地面控制点的立体测绘应用和当前卫星姿态测量精度低的问题，采用国际首例的线面阵电荷耦合器件阵列测绘体制，建立了完善的像移补偿模型，设计实现了高强度、高刚度、高稳定度的测绘光学平台，实现了光学平台各相机参数的标定，突破了传输型无地面控制点定位关键技术，满足无地面控制点1∶50000比例尺地图测制，实现了国家基础框架测绘。针对未来更高比例尺的应用需求，提出了双面阵推扫立体测绘成像系统，并针对超级互补金属氧化物半导体面阵传感器应用提出了相关要求，展望了未来的技术发展。

对离轴三反测绘相机的像移模型进行了必要的修正以获得高的测绘精度。对两线阵离轴三反航天测绘相机进行建模, 推导了考虑地球曲率的斜视和后视相机的像移速度和偏流角计算公式。以交会角为25°的离轴三反航天测绘相机为例, 分析了斜视相机以正视为准调整行周期和偏流角, 以及兼顾正视、斜视相机调整偏流角时, 像移速度匹配残差和偏流角调整残差对图像质量的影响。分析结果表明, 以调制传递函数下降5%为约束,当积分级数大于5时, 应分别调整斜视和正视相机的行周期; 按正视相机调整斜视相机的偏流角时, 积分级数应取71以内; 若兼顾正视、斜视相机调整偏流角, 当积分级数为96时, 对正视、斜视相机的成像质量无本质影响。

为满足EMCCD供电的特殊要求，基于光耦特性设计了EMCCD供电电源。利用光耦的光电隔离特性实现了输入与控制信号的隔离；利用光耦接收三极管的线性区实现输出电压的连续调整；利用光耦接收三极管的饱和与截止特性实现了上电状态控制；利用高速光电接收二极管及图腾柱电路的高速特性实现了DC-DC电源的同步控制；对各部分光耦电路的温度特性进行了分析,并增加了反馈电路以降低温度影响。实验结果表明，基于光耦的EMCCD电源设计满足应用要求，改进后的输出电压随温度变化率为改进前的8.9%。