随着国内外航天光学遥感技术的发展,为了能更快速地、高效地、精确地获取地面目标的图像信息,空间光学相机逐步向宽覆盖和高分辨率的方向发展。近几年,离轴三反光学技术与焦平面多CCD拼接技术已经取得了很大的突破,但是也带来了很多问题,比如结构比较复杂,空间尺寸有限,且电路集成度较高,大功率驱动器件比较密集,长时间工作导致焦平面温度上升很快,降低了图像信噪比和成像均匀性,同时长焦平面的准确安装定位也存在着较大困难,此外,在大姿态角推扫成像条件下如何获取高信噪比、高传函和高匹配图像也存在一定的难度,如果这些问题不解决将严重束缚空间光学相机在宽覆盖和高分辨率方向上的发展。论文以大视场长焦平面TDI CCD拼接相机作为研究对象,主要进行以下几个方面的研究:长焦平面多通道电路串扰噪声的建模与抑制;焦平面温度分析与散热设计;长焦平面高精度安装定位技术;长焦平面全视场内TDI CCD成像参数的最优匹配等。具体研究内容如下:1.详细阐述了多谱段TDI CCD的内部结构、TDI CCD相机的推扫成像原理、长焦平面TDI CCD拼接电路的一致性设计,同时对TDI CCD相机成像质量的两大重要评价指标(信噪比和调制传递函数)进行深入地分析,比较全面地涵盖了TDI CCD相机的设计、开发和研制过程中各环节对静态传递函数的影响,以及在推扫成像过程中环境因素对动态传递函数的影响。2.长焦平面串扰噪声分析与抑制。长焦平面是由多片TDI CCD拼接而成,相互之间存在着串扰噪声,串扰噪声的形态不同、噪声强弱不同,如果分析不正确将很难抑制。本文将结合焦平面多通道TDI CCD电路的结构特点,分析串扰噪声引入机理,对实际遇到的串扰噪声进行特性分析和分类,建立串扰噪声模型并定量分析。着重提出串接限流电阻抑制瞬态驱动电流、暗参考像元提取串扰噪声系数两种串扰噪声抑制方法,通过实验验证,串接限流电阻抑制瞬态驱动电流方法对提高信噪比有显著效果,暗参考像元提取串扰噪声系数方法使响应非均匀性降低到1.8%,和抑制前相比降低了3倍左右,极大地提高了图像质量。3.焦平面温度分析与散热设计。由于焦平面空间尺寸有限,元器件集成度较高、大功率驱动器件布局紧凑,电路长时间工作将会导致焦平面温度上升,最终会影响到相机焦平面成像非均匀性与信噪比。本文将对焦平面电路的热源进行计算,深入分析温度变化对焦平面性能的影响,提出了焦平面结构热传导散热设计,包括元器件分类布局、CCD热沉散热结构设计、基于导热孔阵列和导热铝层的叠层热传导散热设计,通过测试结果对比分析,做散热设计后的水平时序驱动区域电路的温度比设计之前同一区域的温度降低了3℃左右,成像15分钟时响应非均匀性达到2.09%,所有像元信噪比的标准偏差降低到平均信噪比的8%,和散热处理前相比约减小了一倍,验证了散热方式的高效性、稳定性和合理性。4.长焦平面精确安装定位。焦平面是由多片TDI CCD拼接而成,长焦平面安装好后,必须要进行空间位置的校准,为了使长焦平面上所有TDI CCD都处于最佳像面位置,必须要有高精度、可靠的相机焦平面安装定位技术。本文提出一种基于高精度对比传函(CTF)检测的焦平面安装定位方法,分析影响CTF检测精度的因素,提取真实CTF测试值,提高焦平面对比传函的检测精度,通过实验数据分析CTF检测误差均小于1%,说明CTF检测方法的检测精度较高,满足大视场相机焦平面安装定位精度的要求。通过相机调焦功能测试各个调焦位置的CTF值,并拟合出相机的CTF-调焦量变化曲线,求出安装测试点的位置,确定焦平面的安装修调量。最后,对安装好焦平面的相机进行整机CTF测试,相机所有通道的CTF检测值均能达到0.28以上。5.长焦平面成像参数的最优匹配。焦平面多通道拼接后的图像分辨率较高,地面覆盖的幅宽较大,成像期间由于卫星姿态角变化,需要不同的成像模式去获取最佳匹配后的图像。经过推导分析了重要成像参数(积分级数、增益、行频等)对相机动态范围、信噪比和传函(MTF)的影响。深入分析了同速匹配模式和异速匹配模式下MTF的分布情况,在同样条件下积分级数为32级和64级时,同速匹配模式下相机只能在正负侧摆角为10°范围内满足MTF不低于0.9的要求,而异速匹配模式下相机在正负侧摆角为40°的范围内均能满足要求。对比了精调和超精调两种行频匹配方法,分析了各自的行频匹配精度及能达到的MTF,两种方法均使MTF优于0.9。根据相机卫星姿态精度、稳定性和不同姿态推扫成像的MTF分布情况求得最优积分级数和最优增益值,配置完成后实现靶标图像条纹清晰,层次分明。论文对长焦平面TDI CCD拼接相机进行了较为全面的研究,其研究成果适用于大视场、宽覆盖和高分辨率遥感相机应用领域,解决了大视场离轴三反技术和TDI CCD拼接技术带来的长焦平面安装定位不准确、焦平面电路工作不稳定、全视场成像不匹配等技术难题,极大提高了大视场长焦平面TDI CCD相机焦平面电路工作的稳定性、可靠性,提高了图像的信噪比和传函,同时在不同卫星平台姿态任务下实现大视场相机最优图像的获取,具有一定的理论意义和极大的实际工程意义。