在读出电路有限的像元面积内获得尽可能大的电荷存储量是实现甚高灵敏度红外探测器的关键。基于脉冲频率调制的像元级模数转换(ADC)是实现甚高灵敏度红外探测器读出电路的主要方法, 阐述了像元级脉冲频率调制ADC的原理, 介绍了美国麻省理工学院林肯实验室、法国CEA-LETI在像元级数字读出电路的研究进展。作为从立体空间拓展电路密度的新技术, 介绍了三维读出电路的研究进展。最后介绍了昆明物理研究所甚高灵敏度红外探测器读出电路的研究进展。利用像元级ADC技术和数字域时间延迟积分(TDI)技术, 昆明物理研究所研制的长波512×8数字化TDI红外探测器组件, 峰值灵敏度达到1.5 mK。

为解决现有电子式像移补偿在扫描方向上补偿范围有限的问题,提出一种适用于沿扫描方向广域像移大小变化的数字时间延迟积分(TDI)方法。首先基于像移计算结果判断像移大小是否在电子行频可补偿的范围内,当在不可补偿范围时,基于利用图像插值和配准像素对位累加来调整像移失配量的思想,构建任意像移大小的数字TDI算法模型,并对所提算法进行实验验证。实验结果表明:当96级积分的总像移量远小于像元尺寸时,所提算法与逐行累加的传统TDI方法成像结果相当;当96级积分的总像移量大于像元尺寸时,总像移量超出电子式像移可补偿范围,传统TDI方法扫描图像发生严重混叠,成像质量急剧下降,而所提算法获取图像的像移传递函数和互相关性测度均提高0.11,可有效保持成像质量。

为实现高分辨率大动态范围的空间微光(LLL)成像,提出基于全局快门科学级互补金属氧化物半导体(sCMOS)图像传感器的数字域时间延迟积分(TDI)微光成像方法。通过推导数字域TDI成像数据处理方法,建立了系统信噪比(SNR)模型,提出了数字域TDI大动态范围成像方法,并分析了速度失配导致的调制传递函数(MTF)退化现象。实验结果表明,该方法能够明显提高微光成像质量,当数字域TDI积分级数为30时,系统SNR由未积分的5.04 dB提高到19.78 dB,动态范围比传统数字域TDI方法提升了29.54 dB,为实现高分辨率大动态范围空间微光成像提供了保障。

时间延迟积分(Time Delay Integration, TDI)探测器被广泛应用于弱光成像和航天遥感等领域，这种探测器能够在保持空间分辨率和平台运行速度的条件下有效提高探测器的等效积分时间，提高系统成像质量和探测率。近年来，红外数字域TDI探测器因具有动态范围大、积分级数连续可调和高帧频等优点而受到越来越多的关注和研究。通过对红外数字域TDI技术进行原理分析和数字系统设计，结合国产640×8中波红外数字域TDI探测器设计成像系统进行性能的分析及验证，重点研究了红外数字域TDI探测/成像系统的盲元补偿、非均匀校正、像元调整、时间延迟累加和过采样等关键技术，为未来红外数字域TDI探测器在空间遥感中的应用提供了技术支持。

为了实现遥感图像超分辨目的, 提出数字域斜模态时间延迟积分(Digital Domain Tilting Model Time Delayed and Integration, DT-TDI)技术。对技术过程所涉及的数字域TDI技术、倾斜采样成像理论、数字域斜模态TDI技术等分别进行分析与研究。首先, 构建通用的数字域TDI模型。之后, 利用倾斜采样成像思想, 构建适用于不同倾斜角度下的DT-TDI模型。然后, 以45°倾角对模型进行实验验证, 获取该角度一定姿轨条件下的序列低分辨率图像。最后, 通过超分辨算法对具有亚像素位移的低分辨率图像序列进行超分辨重构, 获取高分辨率图像。实验结果表明, DT-TDI技术可在不同倾斜模态下进行稳定成像, 45°倾角时获取的低分辨率图像亚像素位移误差约15%, 基本满足超分辨重构需求。重构后图像分辨率明显提升。

数字域时间延迟积分(TDI)互补金属氧化物半导体(CMOS)成像以其成本低、功耗小、操作灵活等优势，近几年逐渐引起研究关注。然而CMOS传感器的卷帘快门存在运动失真，为了深入研究其对数字域TDI的影响，结合卷帘快门工作原理，建立了卷帘快门效应对数字域TDI引起的像移及调制传递函数(MTF)下降的数学模型。并结合推导模型开展了预估分析和验证实验。结果表明：卷帘快门效应会对数字域TDI算法带来较大的影响；读出时间越长像移量越大、MTF 下降越严重；另外行周期越短影响也越严重，其中行周期从200 us变为100 us时，对应的数字域TDI图像MTF从0.6144下降为0.4807。

为使具有诸多优点的互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器更适合空间高分辨成像，寻求空间高分成像的新型技术，提出了更利于微光成像和推扫成像的卷帘数字域时间延迟积分(TDI)算法。同时研究数字域TDI CMOS相机成像质量，详细分析了其噪声来源和特性，并建立了数字域积分图像信噪比(SNR)与积分级数的关系模型，讨论了积分时间和光照度对SNR的影响。最后利用设计的IBIS5-B-1300卷帘数字域TDI CMOS原理样机开展验证实验。实验结果表明本文算法能明显提高成像质量，数字域10级积分图像SNR由未积分的19.07 dB提高至29.21 dB，而且级数越大，SNR越大。理论分析和实验验证均表明M级卷帘数字域TDI可使图像SNR提高M(σAD+σCMOS)/(MσAD+MσCMOS)倍，其中σAD和σCMOS与选择的CMOS传感器有关，另外σCMOS还受积分时间和光照度的影响。

为使面阵CMOS图像传感器具有TDI成像功能，研究了TDICCD的工作原理,提出了一种基于数字域的TDI算法，并讨论了如何利用FPGA实现该算法。该算法可在不改变CMOS器件构造的前提下，使其具有时间延迟积分功能。通过举例法推导出面阵CMOS图像传感器数字域TDI计算公式，并在此基础上优化了算法结构，优化后可以节省(m-1)(m-2)/2行内存空间。最后以航天相机为背景，讨论了地面像元分辨力、行转移时间与CMOS帧频的关系，通过一个算例计算出不同分辨力和积分级数条件下对CMOS帧频的要求。计算结果表明，帧频大于648 frame/s的1 280×1 024CMOS，可以满足600 km轨道高度下地面像元分辨力为1 m的96级积分成像要求。