高帧频CMOS图像传感器具有集成度高、帧频高、功耗低、抗干扰抗辐照能力强等特性，在科学实验中应用广泛。为提高外同步触发瞬态成像模式下的成像性能，首先介绍了基于高帧频CIS(5T像素，超大快门)的瞬态成像系统构成及其工作模式；从像素结构出发，对该款CIS在不同工作模式下的成像性能进行了理论分析；搭建了基于EMVA1288的标准化测试平台，对瞬态工作模式下的多项关键性能指标进行了测试，并与稳态工作模式下的性能进行了对比。分析结果表明：与稳态工作模式相比，瞬态成像模式下图像传感器具有更大的暗本底和固定模式噪声，但传感器的时序噪声、光响应非均匀性优于稳态工作模式，具有更高的信噪比和动态范围，与理论分析基本吻合。测试分析结果可用于指导科学成像系统设计与性能优化。

采用MI-MV13和LUPA-1300-2两种不同厂家型号的高速CMOS图像传感器，设计了分辨率为1 280×1 024的300~500 frame/s高速数字工业相机，并在实验室条件下对设计相机进行了关键性能指标对比测试，得到了光谱响应及量子效率、增益、动态范围、暗电流、读出噪声、光电响应非均匀性等测试结果。测试分析显示，LUPA-1300-2的峰值量子效率为50%，比MI-MV13的峰值量子效率高12%，与厂家的参考指标基本一致。测试结果证明：该测试方法正确，对两种高速CMOS图像传感器的关键性能指标的测试客观可信，所设计的高速CMOS摄像机的性能基本满足高帧频摄像的要求。

分析了量子通信中精跟踪系统的构成要素，由于量子通信中信标光的脉冲特性，提出以高帧频CMOS作为精跟踪探测器，其经一体化设计帧频达到2.5 kHz，并以压电陶瓷快速反射镜作为精跟踪执行机构。采用离散化设计及根轨迹方法分析了控制参数取值及系统传递函数。对实验系统进行了实验室及外场32 km车载平台测试，在实验室静态条件下系统跟踪精度优于±1 μrad，外场动态情况下跟踪精度优于±8 μrad，采用频谱分析方法验证了精跟踪系统干扰抑制带宽大于100 Hz。