EMI-NL星载成像光谱仪应用于监测大气痕量气体的全球分布， 搭载电荷耦合器件探测器CCD275， 该电荷耦合器件探测器为国内首次应用， 由于整体体积和功耗相较一般探测器更大， 采用辐射制冷配合加热器的温控方案。 星载成像光谱仪工作在太阳同步轨道， 白天拍摄原始光谱图像， 黑夜拍摄暗背景图像， 原始光谱图像和暗背景图像需要在相同的温度和曝光时间条件下进行拍摄， 数据处理过程中， 用原始光谱图像减去暗背景图像， 获得有效光谱图像， 用于后续的气体反演。 辐射制冷器在轨运行过程中， 有制冷效率降低或完全失效的风险， 这会导致CCD275的温度无法控制， 采集相同温度的原始光谱图像和暗背景图像成为问题。 为了解决温控失效后的特定温度暗背景采集问题， 提出了一种通过计算暗背景代替采集暗背景的方式： 通过采集两组温度已知并且曝光时间不同的暗背景图像， 计算特定温度和曝光时间下的暗背景。 讨论了EMI-NL光谱仪的工作原理、 温控方案和暗背景采集方式， 通过对探测器暗电流特性的研究， 以及对探测器连续帧转移成像方式的分析， 推导出了探测器不同位置像元的像元值与探测器成像温度和曝光时间的关系公式， 并基于该公式提出了暗背景的计算方法。 为验证该方法， 搭建了包括真空系统、 制冷系统和成像电路在内的实验平台， 平台能够控制探测器工作在指定的温度和曝光时间， 并获得该条件下的暗背景。 测试结果表明， 对单点来说， 计算图像与实测图像的相关性达到99.96%， 像元值偏差范围为0.06%~6.9%。 对278 K温度下的图像来说， 计算暗背景与实测暗背景均值相差0.23%， 方差相差-3.20%， 相关系数为99.94%， 像元值偏差范围为-0.70%~2.37%， 暗背景特征点匹配率达到97.9%。 在温控失效的情况下， 计算暗背景能够代替实测暗背景用于光谱图像的处理。

星载激光光斑质心的精准定位可以提高光学系统的性能和测量精度，为了提高其定位精度，提出视觉传达技术下星载激光光斑质心精准定位方法。首先，采用视觉传达技术中基于漫反射的CCD摄像机实时采集星载激光光斑图像；其次，利用光斑互相关系数计算方法，对采集到的光斑图像展开相似度评估，以初步确定光斑的位置和形状；最后，选择改进高斯拟合亚像素定位算法，对初步定位结果作精细化处理，进而提高定位精度，获得更精准的光斑质心位置。实验结果表明，所提方法在x轴和y轴方向上的质心定位偏差参数均在0.4像素以内，多帧光斑图像质心定位坐标较为集中，说明该方法具有较高的精度和稳定性。

提出了一种针对大像元CCD的电荷累积的方法，包括器件内垂直和水平方向像元结构细分与电荷包求和，以及驱动时序上的多相非等分驱动。其特点在于，通过时序与CCD图传感器结构的配合，实现了大电荷量在图像传感器内累积的功能，大幅提高了模拟信号动态。再将此方法应用到一款210 μm×210 μm的大像元CCD器件上，以此方法为架构搭建硬件电路并进行软件设计，通过采集成像和参数测试对方法效果进行验证。测试结果表明，在不损失转移效率的情况下，实现了CCD内信号累积和模拟输出的CDS采集成像，提高了满阱容量和动态范围。

研究了532 nm连续激光辐照面阵CCD串扰现象的时空分布特性。以CCD垂直传输沟道的最上游、中游、最下游三个部位作为典型辐照部位。研究结果表明，激光辐照CCD垂直沟道方向上不同位置，不会影响主光斑出现的时序，只要连续激光开始辐照时刻或结束辐照时刻在读出转移动作之前，主体信号电荷将形成干扰图像中的主光斑；但辐照部位对串扰线的时空分布具有重要影响。串扰线长度和空间分布位置，在激光结束辐照于读出转移时刻之前时，与携带溢出电荷的垂直传输势在读出转移时刻到达的位置有关；在激光结束辐照于读出转移时刻之后时，与获得溢出电荷的垂直传输势阱对应的绑定像素位置有关。研究结果进一步完善了连续激光对面阵CCD成像器件的干扰效应研究。

视频图像在传播过程中会出现信息畸变,致使图像几何失真,为此提出基于光纤传感器的视频图像几何失真校正方法。分析视频图像像素节点在光敏区域分布情况,提取亚像素视差信息,通过面阵CCD图像传感器获取畸变视频图像;利用畸变曲线近似模型计算出视频图像畸变率,确定畸变图像坐标,并结合双线性灰度插值算法推导校正参数,实现视频图像的几何失真校正。实验结果表明,所提方法能够有效校正不同种类的视频图像几何畸变,校正后的图像与原图像相似度高超过0.97,图像边缘模糊程度降低,提高了图像的视觉观测效果。

为了解决CCD与CMOS工艺兼容性低、互连集成制作难度大,以及芯片间接口匹配和高性能兼备等问题,对CCD器件拓扑结构与像元、CMOS读出电路、三维异质互连集成及高密度引脚封装等技术进行研究,提出了一种1024×256阵列规模的集成式CCD-CMOS图像传感器。该器件实现了CCD信号的高精度数字化处理、高速输出及多芯粒的技术融合,填补了国内CCD-CMOS三维集成技术空白。测试结果表明:集成CCD-CMOS器件的光响应和成像功能正常,双边成像效果良好,图像无黑条和坏列,互连连通率(99.9%)满足三维集成要求,实现了集成式探测器件的大满阱高灵敏度成像(满阱电子数达165.28ke-、峰值量子效率达86.1%)、高精度数字化(12bit)和高速输出(行频率达100.85kHz),满足集成化、数字化、小型化的多光谱探测成像系统要求。

为设计一种低成本、高精度、可遥测的风速测量装置，基于米散射理论和泰勒冻结假设，提出了一种双激光束的非多普勒激光雷达测风系统。设计了以532 nm激光器为光发射单元，电荷耦合器件(charge-coupled device,CCD)为光接收单元，计算机为信息处理单元的非多普勒激光雷达测风实验装置。在风速为3 m/s和2 m/s的条件下，双激光束的前向散射回波信号分别生成了左、右两束激光的光强图；对光强图进行处理，获得了气溶胶从一束激光运动到另一束激光所需的时间。结合两激光束的间距，在风速3 m/s和2 m/s的条件下，获得了风速测量值，平均测量值与实际值的误差分别为7%和7.33%。非多普勒激光雷达测风系统设计简易、成本低廉，具有很强的现实意义。