为了从科学级面阵探测器中筛选出满足空间应用要求的具有高可靠性和稳定性的器件,针对星载面阵电荷耦合器件(CCD),开展了温度循环、随机振动及高温老炼等环境应力试验。设计了一套筛选专用的面阵CCD图像采集系统,并基于分段式均匀照明光源和连续可调谐均匀单色照明光源,对筛选前后面阵CCD的光电性能参数进行测试。通过对比筛选试验前后面阵CCD的暗电流、像元响应非一致性、量子效率及非线性误差等参数,分析面阵CCD的环境适应性,剔除早期失效或性能变化较大的探测器,从中筛选出性能最优的探测器,并将其应用于星载多角度偏振成像仪以进行大气遥感观测。试验结果表明,最终优选的探测器在筛选试验前后的量子效率最大变化为-2.56%,像元响应不一致性均小于3%,非线性误差均小于1%,筛选后暗电流为889.22 electron·(pixel·s -1) -1。研究结果为低等级面阵CCD筛选方法及CCD性能评估技术提供了重要参考。

空间滤波测速法具有结构简单、稳定性好和适用性强等优点, 但传统线阵CCD空间滤波测速法要求CCD阵列方向与待测物体的运动方向一致, 因此不适合测量复杂的流场。针对这一问题, 本文提出了基于面阵CCD相机的空间滤波测速方法。对采集到测量区域的一系列面阵CCD输出图像进行处理, 在图像水平方向和垂直方向分别进行隔行采样, 模拟多狭缝空间滤波特性, 实现了对障碍流颗粒速度的光学非接触式测量。针对复杂流场功率谱密度的特点, 利用能量重心校正频谱提高了系统测量精度。通过调节传送带速度对本系统进行标定, 实现了不同速度下的流速测量, 平均误差小于4%。利用本系统还测量了由玻璃砂模拟的泥石流速度场分布, 最后讨论了空间周期和测量时间对测量结果的影响。结果表明, 采样时间大于0.5 s时, 测量结果趋于稳定, 空间分辨率最小可达1.28 mm。

为了定量研究面阵电荷耦合器件(CCD)错位成像技术图像质量的提高以及CCD像元填充因子对图像质量的影响，建立了仿真不同像元填充因子的面阵CCD错位成像的数学模型。以Matlab为平台，不考虑噪声的干扰，对ISO12233标准分辨率测试卡子图像进行了仿真，结果表明，CCD像元填充因子为100%时，与普通成像模式相比，对角错位、四点错位成像模式图像的灰度平均梯度分别提高了2.9970、3.4136，拉普拉斯能量分别提高了0.5676、0.7478，且CCD像元填充因子为其他值时，相较于普通成像模式，对角错位、四点错位成像模式图像的GMG和EOL均得到提高；采用四点错位成像模式时，与填充因子为100%的面阵CCD相比，填充因子为69%、44%、25%的面阵CCD四点错位模式图像的灰度平均梯度分别提高了1.433 0、3.337 3、5.153 2，拉普拉斯能量分别提高了0.638 0、1.704 4、3.196 8，且采用其他成像模式时，填充因子为100%、69%、44%、25%的图像的GMG和EOL均不断提高。研究表明，面阵CCD错位成像技术能够提高图像质量，且四点错位成像模式图像质量优于对角错位成像模式；在满足信噪比指标要求的前提下，对于面阵CCD同一成像模式，像元填充因子越小，图像质量越高。

为了提高像移测量精度; 针对机载航空摆扫相机提出一种坐标变换法和图像相关法相结合的像移测量方法。利用坐标变换法得到初始像移速度; 利用图像联合变换相关法对像移速度残差进行补偿。联合图像通过一个面阵CCD获得; 该面阵CCD放置在相机焦平面上并与成像线阵TDI CCD平行; 其输出的当前图像与参考图像合并构成联合图像进行二维空间联合变换相关运算; 得到像移修正矢量。对该矢量分别在相机摆扫方向和载机飞行方向进行分解; 从而得到摆扫像移和前向像移的修正量。仿真实验结果表明; 在输入图像信噪比为4 dB时; 像移测量误差在01 pixel以内。

针对柯达公司的前照明行间转移型面阵CCD KAI-0340,对它的驱动时序进行详细的分析,设计满足CCD工作脉冲的驱动时序。采用Altera公司的可编程逻辑器件(FPGA)作为核心控制器件,完成自顶而下的模块设计,实现了硬件电路设计的软件化,开发效率得到了提高,软件程序可重复编程和修改。实验的仿真结果表明,设计的驱动时序能够满足CCD KAI-0340的正常工作。

针对面阵CCD成像过程中产生的Smear特有噪声, 以行间转移面阵CCD为例, 提出了利用行间转移面阵CCD暗像元区域提取Smear的方法。介绍了行间转移面阵CCD的工作原理以及Smear产生机理, 分析了Smear噪声的组成, 利用相关双采样, 哑像元校正等方法消除了Smear中的KTC噪声及暗电流噪声。提出了基于中值的快速均值滤波方法, 消除了光粒子散粒噪声。最后,利用差分方法将滤波后的Smear从原始图像数据中减除, 并采用双三次插值对消除Smear后的图像区域进行补偿。设计了以现场可编程门阵列+数字信号处理器(FPGA+DSP)为核心处理器件的硬件实时处理系统, 当相机工作在最高速工况3 frame/s时, 系统可在1.265 ms内完成Smear提取及滤波,消除Smear后的图像区域灰度方差减小了95.34%。经过成像实验验证, 该系统集成度高, 满足实时需要, 彻底消除了Smear噪声。

为从工业级面阵CCD芯片中筛选出满足航天高可靠性和稳定性应用要求的器件，提出了一种面阵CCD的板级筛选测试方法，设计了相应筛选测试系统。采用老炼前测试参数、老炼过程中检测感光性能、老炼后测试参数及同批次器件抽样进行长寿命实验的四重筛选过程剔除不合格器件；通过测试CCD组成的相机来进行其参数的判定，利用暗室环境下的积分球、导轨等进行亮场和暗场参数测试，提出利用积分球、靶标、平行光管和六自由度调整系统进行调制传递函数最大值的自动测试。筛选测试后的器件已经应用于工程实践，并通过了一系列实验考核，结果表明，采用此方法筛选出的面阵CCD芯片满足航天应用要求。

为了解决高帧频大面阵CCD相机图像数据量较大、存储实时性较低、高清图像显示中灰度级损失等问题, 设计了一种大容量存储与高清显示系统。首先, 结合高帧频大面阵CCD相机的特点, 详细介绍了大容量存储与高清显示系统的组成; 其次, 为了满足面阵CCD相机高数据率的存储需求, 对SATA硬盘Ultra DMA模式的读写方式进行了针对性的设计; 然后, 详细阐述了12bit高清显示器DVI接口的设计; 最后, 对系统的存储速率进行了测试, 并且对普通显示器和高清显示器显示的图像进行了比较。实验结果表明: 系统在Ultra DMA模式下实际传输速率最高可以达到85Mb/s, 12bit高清显示器显示图像的对比度更强、层次更分明, 提高了面阵CCD相机图像数据存储的实时性, 同时保证了高灰度级图像的无损失显示。

视频面阵CCD相机已经得到了广泛的应用, 为了解决不同的应用对高频率、高分辨率不同的要求等问题, 同时扩大其应用范围, 提出了一种适用于视频面阵CCD相机的多工作模式成像技术。首先, 分析了视频面阵CCD的功能和特点, 确定CCD的工作模式; 其次, 根据这些工作模式确定多模式成像的视频面阵CCD相机的组成; 然后, 详细阐述了时序驱动电路中工作模式的切换方法; 最后, 在各种工作模式下对视频面阵CCD相机分别进行了外场成像试验。实验结果表明: 视频面阵CCD相机在各种工作模式下的成像效果很好, 并且每种工作模式之间的切换时间为2ms, 提高了视频面阵CCD相机多工作模式成像方法的有效性和实时性。

航空相机在拍照瞬间由于飞机的飞行运动和姿态变化而产生像移, 要提高照相分辨率必须进行像移补偿。文章介绍了两种面阵CCD航测相机前向像移补方法, 即旋转俯仰轴补偿法和面阵CCD TDI功能补偿法, 计算了两种方法的像移残差及误差精度,给出了旋转俯仰轴方法的适用范围,对比了两种方法的优劣,通过实验室拍摄验证了方法的有效性。