帧转移电荷耦合器件(FTCCD)主要应用于可见光信号探测,其在强光应用场合容易出现光晕现象。针对该问题,研制了帧转移纵向抗晕CCD图像传感器, 该器件阵列规模为1024×1024元, 像素尺寸为12μm×12μm。为了实现纵向抗晕功能, 采用了n型埋沟-鞍形p阱-n型衬底结构, 纵向抗晕倍数为200倍, 器件满阱电子数为大于等于200ke-, 读出噪声小于等于80e-, 动态范围大于等于2000∶1。

提出了一种可大幅度提升高光谱成像探测动态范围的基于帧转移电荷耦合器件(CCD)的曝光控制技术。该技术采用先积分后读出的工作模式，结合CCD快速电荷倾倒时序控制方法，能够有效清除空闲时段的无效电荷，实现超短积分时间和长积分时间曝光周期的快速切换；针对同一被探测目标，在规定时间范围内通过多档积分周期之间的快速切换，实现多档曝光周期的不间断循环曝光，从而使该技术的光谱探测动态范围相较传统技术提升2个数量级以上。设计了循环曝光档数和曝光时间可动态设置方式，时序仿真与测试结果表明，该方式能够有效提升高光谱成像技术在复杂光环境下的适应性。

帧转移面阵CCD相机对高亮目标成像时产生的帧转移模糊效应是影响偏振测量精度的关键因素,开展帧转移模糊效应的测量和校正方法研究对提高星载偏振相机高精度定量化应用水平具有重要意义。以GF-5卫星多角度偏振成像仪(DPC)为例,介绍了帧转移模糊效应的产生机理及特点,提出了将帧转移模糊效应分为与光照条件无关的响应差异型帧转移模糊效应和与光照条件有关的拖影型帧转移模糊效应。结合DPC在轨成像时帧转移模糊效应的特点,分别提出了基于矩阵与暗行法的拖影型帧转移模糊效应校正模型和基于暗电流通道的响应差异型帧转移模糊效应校正模型。最后利用积分球验证了响应差异型和拖影型两种类型帧转移模糊效应的最优校正顺序及校正方法的可行性,同时采用太阳光对DPC在轨运行时的帧转移模糊效应校正精度进行验证。实验结果表明,所提方法将DPC帧转移模糊效应对高反射云及太阳耀斑等高亮目标的偏振测量精度的影响由7.28%降至0.43%,满足DPC偏振测量精度优于2%的定标要求。

为了获取高信噪比的图像, 采用紫外敏感型科学级光电探测器CCD47-20, 设计了可在特定紫外波段对燃料燃烧火焰进行快速曝光成像的紫外成像系统。CCD47-20具有较深的势阱, 可以保证成像系统的信噪比。然而对于此类CCD, 其曝光时间通常在200 ms以上。为了实现对目标的快速曝光, 在分析CCD47-20的性能及工作原理基础上, 设计了基于两次帧转移、一次水平读出的CCD驱动时序方法, 完成了成像系统的设计, 将CCD的曝光时间缩短至10 ms。在实验室对系统进行了辐照测试, 结果表明, 当曝光时间改变时, CCD响应度为线性, 验证了时序及驱动电路设计的正确性。信噪比测试结果表明系统信噪比达到46.8 dB。在外场, 对固体燃料火焰进行了成像, 获取了火焰在特定紫外波段的图像, 捕捉到了剧烈燃烧的火焰形状, 验证了紫外成像系统快速曝光的性能。

机载紫外DOAS成像光谱仪通过获取大气与地表的折射或散射的紫外光辐射, 监测大气痕量气体的分布与变化, 其电子学部件的重要组成部分为CCD成像电路。采用帧转移型面阵CCD-47-20为图像传感器, 以现场可编辑门阵列(FPGA)为核心控制器的成像电路模块, 设计并实现了一套完整的机载紫外光谱仪成像系统。CCD成像电路完成包括CCD驱动时序电路、CCD数据采集电路, 接收CCD模拟图像信号产生数字图像信号, 将数字图像信号通过差分芯片驱动以低压差分信号(LVDS)传输给机载通讯系统等功能。讨论了机载紫外成像光谱仪的设计过程, 并重点讨论了CCD成像电路的设计过程。设计的机载紫外DOAS成像光谱仪系统成像分辨率为0.286°。实验证明满足大气污染气体的观测需求。

一种基于异步时序驱动和Binning技术的高帧频成像技术在帧转移CCD相机上得到成功应用。为了抑制该CCD相机成像时产生的拖尾效应, 基于该相机的高帧频连续成像原理, 理论上分析了图像获取过程中拖尾产生的原因, 给出了一套完整的消除拖尾的数值解析算法。该算法充分考虑了图像亮度变化对拖尾形成产生的影响, 并对此进行了修正, 已在异步Binning CCD相机上进行了实验验证。利用相机以40 000帧每秒的帧频获取4幅连续图像进行实验, 实验结果表明, 该算法可有效去除每幅图像的拖尾噪声, 而且消除拖尾噪声后的图像区域的灰度方差得到明显降低, 异步Binning CCD相机的成像质量得以提高。上述结果表明算法适用于高帧频相机的连续成像。

为满足水色成像光谱仪通道可编程的需求，针对E2V 公司大像元高灵敏度帧转移CCD55-30设计了成像电路。利用PGP（棱镜/光栅/棱镜）分光组件成像在探测器光敏面，由FPGA 控制成像时序，实现了推扫式成像光谱仪的光谱中心波长和通道带宽可编程，同时在全帧模式下能够分批下传全光谱定标数据。通道可编程技术即将应用于我国新型水色成像光谱仪，可大大降低图像数据传输率，并提高对地光谱观测灵活性。

采用埋沟、三浌多晶硅、两次金属工仦,研制出正照 EMCCD器件。器件的像元尺寸 16 μm×16 μm。器件在-20℃下工作,读出频率 10 MHz,倍增增益可达 1000倍以上,探测灵敏度 5×10-4 lx。

帧转移CCD在先进高光谱遥感技术中具有非常重要的应用价值，而拖尾问题是其在高光谱成像等高帧频应用中存在的最大障碍之一。为了减小拖尾的影响，建立了驱动器、PCB传输线及CCD内部结构一体化的驱动信号传输模型，比传统模型能更准确地预测CCD内部和外部的驱动信号波形；仿真对比了各种典型参数对CCD驱动信号波形的影响，仿真与实测结果具有很好的一致性。根据仿真结果进行了高帧频帧转移CCD驱动电路的优化设计，实现了100 ns的行转移时间，在500 fps的帧频下获得了拖尾系数小于1%的驱动效果，为进一步提高CCD的工作帧频提供了保障。