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。

为了提高用于低噪声CMOS图像传感器的单斜模数转换器（SS ADC）的量化速度，提出一种基于SS ADC的根据输入光强确定采样次数的相关多次采样（CMS）技术。利用数字模拟转换器（DAC）输出信号的差分特性，根据输入电压大小，分别按照不同的方式选择正/负斜坡输入到比较器中。当输入电压信号较小时，控制斜坡形状，使采样次数为4；当输入电压信号较大时，使采样次数为2。采用110 nm的CMOS工艺，时钟频率为400 MHz，行转换时间为23 μs，分辨率为11位，量化范围为1 V内。仿真结果表明：所提技术的微分非线性（DNL）达+0.6/-0.3LSB，LSB指最低有效位，积分非线性（INL）达+0.7/-0.9LSB；最低噪声为82 μV；与传统的采样次数为4的CMS技术相比，在不增加低照度下噪声的同时，将A/D转换周期节约了13 μs。

长波红外高光谱成像系统由于光谱细分导致探测器所接收的目标信号的能量较一般成像系统弱，因此系统噪声对成像效果影响较大。针对这一现象，本文在分析系统噪声成分的基础上，提出采用 ADC多次采样平均的方法来降低其噪声，并从理论上推导了该方法的有效性。然后搭建了实验系统，分析计算不同积分时间下，利用多次采样平均技术得到的信号和噪声大小，并计算系统的信噪比和 NETD。结果表明，多次（ m次）采样平均对系统的信号值几乎无影响，但可以将系统噪声降低至原来的 m－1/2倍。因此，该方法可将系统的信噪比提高至原来的 m1/2倍，并能有效降低系统的 NETD，提高系统灵敏度。该方法为改善长波红外高光谱成像系统成像效果提供了一种方案。

提出了多次采样叠加下时间延迟积分(TDI)CMOS图像传感器沿扫描方向的调制传输函数(MTF)分析模型。基于行滚筒曝光读出原理，研究了一个行时间内采样次数、叠加次数、TDI级数和速度失配比对扫描MTF的影响机理。为验证扫描MTF模型，基于TDI-CMOS图像传感器将连续视场映射为离散图像的几何和能量传输关系分析，建立了成像仿真系统并利用刃边法计算MTF曲线。仿真结果表明，扫描MTF随着采样次数增加而增大；当采样次数固定，扫描MTF随着叠加次数增大而减小；扫描MTF随着速度失配比和TDI累加级数增大而减小。

根据长波红外相机积分时间短的特点,阐述了多次采样叠加技术的原理和应用.并在此基础上分析了采用多次采样叠加技术对系统MTF产生的影响.给出了不同采样系数和叠加次数对应的系统MTF变化.当采样系数固定时,探测器MTF随叠加次数的增加而减小,系统推扫方向MTF随叠加次数的增加而减小.

在空间光通信跟踪、瞄准和捕获(APT)系统中,探测终端的位置分辨率对整个通信系统的性能起着巨大的影响,为了使终端探测器的分辨率达到系统的要求,进一步提高跟踪、瞄准和捕获系统的性能,提出了一种新的提高探测器CCD分辨率的方法,即多次采样处理。通过将两次采样的数据进行叠加处理,然后利用软件进行控制,可使CCD的位置分辨率提高到亚像素的精度。模拟结果表明,利用该多次采样处理可以将CCD的位置分辨率提高到1/2像素,1/4像素或更高的精度。同时该方法还可以抵消诸如散粒噪声、暗电流噪流起伏等噪声,从而使信噪比得到提高。

利用CCD器件进行光学检测，普遍采用二值化的脉冲计数法，即每个脉冲都代表了一个像元间距，所以CCD的检测分辨率只能达到像元间距的大小。虽然在光学系统中可以采用增加系统放大倍数的方法来提高CCD的检测分辨率，但是由于成像系统的像差、球差以及衍射效应的存在，光学系统最多只能放大几十倍，因此CCD的检测分辨率只能达到微米量级。为进一步提高CCD的检测分辨率，本文提出了一种全新的方法，即多次采样处理，以此将CCD的分辨率提高到亚像元的精度。经过分析论证以及软件的仿真模拟，证实了该方法的可行性。