为了提高远距离、暗弱目标探测灵敏度，通常需要增大可见光相机口径，这会显著增加相机的质量和体积，无法适应卫星轻小型化要求。针对低轨探测地球同步轨道（GEO）目标需求，利用低轨零倾角卫星与GEO目标相对速度恒定，设计了面阵相机时间延迟积分（面阵TDI）成像模式。与自然交会模式、面阵凝视模式相比，在不增加相机口径的前提下，大幅提高了相机探测灵敏度。阐述了面阵探测器TDI成像原理，推导了相机信噪比计算模型，对目标运动、积分时间、探测灵敏度和信噪比等主要成像参数进行了计算，分析对点目标探测成像的影响。研制了一台原理样机，在暗室条件下的实测结果表明，相机TDI级数为96级，可实现对GEO轨道目标探测能力优于15星等，信噪比大于5。

调制传递函数（MTF）是遥感相机的重要评价指标，但是目前对于数字域 TDI CMOS 相机动态MTF特性研究十分有限，为了深入研究其像质下降机理，结合数字域TDI CMOS成像原理，建立了像元、电子快门、曝光时间、振动引起的数字域TDI成像MTF下降数学模型。结合推导模型开展了预估分析和实验验证。结果表明：传感器的有效像元区域分布会影响图像MTF，且开口率越小影响越大；CMOS传感器的卷帘快门会导致数字域TDI成像MTF下降，卷帘速度越慢影响越严重，其中卷帘速度从6 μs变为10 μs时，对应的图像MTF从0.191下降为0.177；曝光时间越短则MTF越高，尤其当存在低频像移失配时更为明显，曝光时间从180 μs减小为100 μs时，图像MTF从0.126提高为0.155，但同时也会影响图像信噪比，因此在实际应用中应合理选择曝光时间。

在深空探测中，为了充分利用有限的空间和视场，提出了一台相机同时含有三片线阵TDI CCD思路。为了获得高分辨率、高信噪比的遥感图像数据，针对相机成像链路，分析了影响高分相机信噪比的关键因素，提出了成像系统的串扰模型，并针对各种影响要素提出了改进措施。首先，完全独立设计各个通道，减少通道间的电路耦合。其次，调整垂直转移驱动信号的时间常数，以减小TDI CCD芯片内部的串扰噪声。最后，通过三片探测器物理隔离，减小噪声的近场耦合。对天问一号高分相机进行辐射定标试验，试验结果表明：模拟火星轨道条件，在典型工况条件，太阳高角30度、地面反照率0.2时，TDI CCD全色谱段在积分级数为32级的情况下信噪比即可达到最高115.1倍，满足火星探测的指标要求。

航天相机的成像质量是获取遥感数据的关键，航天相机设计中调光是影响相机的成像质量的重要参数，自动调光是预先获取目标场景的信息，根据信息确定调光参数，避免过度曝光或曝光不足带来的图像信息损失。我国首次火星探测任务天问一号高分相机，针对火表复杂照度，为获取高质量图像数据，提出了基于TDI CCD推扫成像与CMOS凝视成像自动调光成像电路设计，并提出了基于FPGA的自动调光算法。对天问一号高分相机进行自动调光试验，试验结果表明：自动调光后图像的动态传函MTF提升0.013，外场试验中，对实际景物进行自动调光前后对比拍摄，结果表明自动调光成像效果良好，具备较好的场景适应能力，满足火表复杂照度下自动调光成像需求。

扫描式红外成像传感器在遥测遥感、卫星成像等远距离成像领域具有广泛的应用。为了缓解信噪比相对较低而影响图像质量的问题，提出了一种时间延时积分(TDI)型读出电路。该读出电路由电容跨阻放大器(CTIA)像素电路阵列、并行TDI电路、多路开关选择电路和输出缓冲器等组成。为实现对宽动态范围光电流的处理，CTIA电路设计有多档可选增益，且非线性度小于0.3%。该读出电路采用0.35 μm CMOS工艺设计与制造，芯片面积约为1.3 mm×20 mm，采用5 V电源时功耗小于60 mW。为了评估1024×3 TDI读出电路的功能，采用了对TDI输入端注入不同电压激励的方式进行测试，测试结果验证了所提出的设计方案。

在小型化成像光谱仪的研制和应用中，如何同时实现轻量化、高地面分辨率和高信噪比是目前亟待突破的技术难题。本文通过将线性渐变滤光片分光技术和数字域时间延迟积分技术相结合，并对镜头进行紧凑化处理，设计了一款工作波段为403~988 nm、平均光谱分辨率为8.9 nm、系统总质量为7 kg的轻小型星载高光谱成像光谱仪。仿真和实验结果表明，该高光谱成像仪能在500 km轨道上得到刈幅宽度为50.5 km、地面分辨率为10 m的高光谱图像，且图像信噪比良好。该成像光谱仪可为微纳卫星获得高分辨率的高光谱图像提供技术支持，推动了我国高光谱遥感探测技术的发展。

随着航天遥感领域超高分辨率成像电子学中行频的不断提升，一个积分时间内光生电荷数量逐渐减少，弱光成像能力有所下降，电子学中需要采用增大时间延迟积分级数的方法弥补能量的不足。传统数字域累加探测器有着引入过多噪声与帧频受限的多项弊端，而电荷域探测器的超大级数累加会带来电荷转移效率的下降和图像的混叠。基于此，文章在采用低功耗、高集成度TDICMOS基础上，提出了一种基于电荷域和数字域混合的新型累加方式，并对影响弱光成像像质水平的主要指标进行分析。随后针对混合域累加方式下多感光单元间的像质退化，提出一种基于图像配准的成像时刻校准方法，通过多片感光单元间隔测量和成像时刻时序微调有效改善了大积分级数电荷运动与景物运动的失配程度。最后通过滚筒测试验证了成像时刻校准方法的有效性，通过性能测试验证了混合域成像在弱光照下探测能力的提升。结果表明，文中所提方法有效地解决了TDI型探测器的主要瓶颈，为超高分辨率遥感相机提供了有效的解决方案。