针对3D集成式多光谱TDI-CMOS图像传感器的数字化处理和高速读出需求，为了解决与TDICCD探测器的整体布局、物理尺寸和接口的匹配性和一致性问题，研制了适用于五谱段TDICCD的CMOS读出电路芯片。该读出电路芯片创新地设计了一种使用多相位ADC时钟、支持相关多次采样的新型列级单斜ADC电路结构，实现了TDICCD信号的数字化和高速输出，有效提升了探测器的动态范围和噪声指标。流片测试结果表明：读出电路芯片的功能正常，集成式TDICCD的成像效果良好，新型列级ADC工作正常，读出电路以最小9.5 μs的行周期输出14 bit数据，相关多次采样具备降低输出信号噪声的作用，实现了TDICCD信号的高精度数字化处理和高速输出，满足3D集成式TDI-CMOS图像传感器的研制要求。

在针尖增强拉曼光谱(TERS)形貌成像过程中, 由于针尖与扫描台无法绝对平行、 样品电子密度骤变处针尖快速升降以及扫描控制系统响应时间特性差等综合原因的影响, 往往使形貌图中带有倾斜或边界面卷曲的成像背景。 成像背景对样品形貌的识别和分析带来十分不利的影响, 而背景扣除就是解决该问题的重要手段, 也是形貌成像预处理的重要组成部分。 背景扣除的原理一般是通过拟合背景的方法来扣除成像中的背景。 传统的背景扣除方法是利用多项式拟合的方法对成像进行逐行的基线校正, 但是该方法在处理形貌成像时常常会由于过拟合而造成样品形貌的失真, 同时容易在图片上留下明显的线条纹理。 针对传统方法的缺点, 本文提出采用B样条曲面拟合方法, 直接对样品形貌图进行曲面背景拟合, 发挥B样条低阶光滑的优点, 能够有效克服传统方法的缺陷。 在实验中, 同时利用传统方法和该方法对金单晶和合成金片的形貌图进行背景扣除, 实验结果表明, 两种方法都能够扣除样品形貌图中的成像背景, 但与传统方法相比, 所提出的方法不会造成样品形貌的失真, 且不会留下线条纹理, 获得了更加良好的背景扣除效果, 为进一步分析样品形貌特征提供了更准确可靠的信息, 是一种更加有效的TERS形貌成像背景扣除算法。

为了提高拉曼光谱检测系统的时间分辨率, 常常需要采用较短的采样积分时间, 此时带有分子结构振动谱的有用拉曼信号可能完全淹没在噪声中, 严重影响信号的进一步分析, 因此有必要对测量所得的光谱信号进行噪声消除处理。 传统的消噪方法是基于信号与噪声在频域或统计特性之间的差异, 通过平滑滤波或取平均值的方法来消除噪声, 一般适用于噪声强度不高的情况, 对于信噪比较低的情况处理效果并不理想。 针对传统去噪方法的不足, 从信号重构的角度, 利用基于小波变换的谱峰识别、 半峰宽检测提取光谱特征参数, 再利用最小二乘拟合的方法, 能够有效地提取淹没于强噪声背景下的有用拉曼信号。 在仿真中, 运用该算法得到的光谱曲线光滑, 峰位置准确, 信噪比改善明显。 在实验中, 分别利用该方法处理头孢呋辛酯片和罗红霉素拉曼光谱数据, 得到了清晰的谱峰位置、 幅值及半峰宽信息, 实现了对短积分时间、 强噪声背景的拉曼信号的有效还原, 提高了检测系统的时间分辨率。 仿真和实验结果表明, 该方法需要调整参数少, 易于实现, 在信噪比比较低的情况下依然能够得到良好的去噪效果, 为进一步分析光谱数据提供准确可靠的信息。

降低CCD的转移驱动电压摆幅对于减小器件的功耗有着积极的作用。通过对CCD电荷转移过程的原理进行分析, 建立了CCD转移驱动电压摆幅的仿真模型, 并从势垒注入、多晶硅电极间隙、栅介质层厚度等方面进行了仿真分析, 找出了影响CCD转移驱动电压摆幅的关键因素, 同时利用该模型得到了降低CCD转移驱动电压摆幅的优化条件。最后采用仿真结果进行了流片验证, CCD的驱动电压摆幅由原来的7V降低到了4V, 验证了仿真结果的有效性。

为了实现对快速运动目标的跟踪成像或记录其快速变化的过程, 研制了一种高帧频64×64元蓝光响应增强CCD。该器件的存储区采用漏斗形结构以提高其工作频率, 光敏元采用多蓝光窗口来提高其蓝光响应, 衬底采用较高的电阻率50Ω·cm从而提高了其红光响应, 采用MPP技术来降低暗电流。器件的帧频为2000f/s, 在450~900nm波长范围的平均量子效率为45%, 动态范围达到15000∶1, 暗电流为30pA/cm2。

为克服分立式便携拉曼光谱仪光通量低的缺点，设计了一种集拉曼探头光路与分光系统于一体的光学系统。探头光路采用大数值孔径的非球面透镜实现样品的有效激发和信号的高效收集，通过胶合透镜组缩小会聚光路尺寸、消除轴向色差。分光系统基于交叉非对称Czerny-Turner结构，为获得期望的光谱分辨率和光谱范围，建立了分光系统光谱分辨率及光谱范围与交叉非对称Czerny-Turner结构参数的关系。由测得的汞灯谱图可知，分光系统的光谱分辨率优于6 cm-1 (0.37 nm)，光谱范围为790~950 nm (200~2000 cm-1)。将设计的光学系统对CCL4 进行测试，实验结果表明在相同积分时间内由这种整体式的光学系统检测到的CCL4光谱谱峰强度是用商业探头通过光纤连接分光系统检测到的近3倍，验证了光学系统设计的合理性。

根据瑞利散射、分子吸收线数据库、Mie散射理论和离散坐标法(DOM)，计算了在一定环境下(气溶胶种类、相对湿度、能见度等)，在不同太阳天顶角和不同观察仰角时，因大气同太阳辐射的相互作用而形成的天空背景光谱特性。对0．45～0．95μm波长范围内，天空背景光谱亮度随气溶胶种类、波长、能见度及观察天顶角的变化作了数值计算和理论分析。计算结果表明，利用本文方法所得到的天空背景光谱亮度随太阳天顶角和观察仰角的变化趋势同实测是一致的。

提出一种新的计算MIE散射系数的算法.该算法使用了改进的后向递推公式,可对MIE系数中的消光系数Kext和散射系数Ksca进行精确计算.由于新算法能显著地减少计算循环次数,因此明显缩短了计算时间.对广泛运用的递推法和连分式法进行了比较详细的讨论.并且把新算法的计算结果和已有的成果进行了比较.结果表明:(1)计算的循环次数与粒子的复折射率基本没有关系;(2)连分式得到的结果通常最准确;(3)新算法在尺度系数较大时(>1000),计算时间仅为连分式算法的10-2~10-3,计算的误差小于10-5;(4)算法的适用范围广,对于尺度系数从10-6到106,复折射率从从10-6到106都能很好地进行计算.