臭氧是大气中一种重要的微量气体。平流层中的臭氧对太阳紫外和可见光有吸收削弱作用,防止地球生物受到暴晒。对流层中的臭氧是一种重要的温室气体。过去几十年间,平流层臭氧空洞和对流层臭氧污染问题引起了人们的极大关注。与此同时,星载大气探测技术以其全天候,全球覆盖观测的特点得到了深入发展与应用,至今国内外已有十余颗大气臭氧探测装置发射入轨,并获得了臭氧总量、垂直分布在内的臭氧变化信息,为研究全球气候变化、大气污染防治提供了宝贵资料。我国2008年研制发射的FY-3紫外臭氧总量探测仪,通过测量大气对太阳紫外辐射的后向散射,获得了臭氧总量的全球分布,标志着我国星载大气臭氧探测进入新阶段。在此基础上,我国还将发展新一代高光谱臭氧总量探测仪,其以帧转移型面阵探测器CCD55-30为探测器件,研制了成像系统并对其性能参数进行测试验证。为此,本文开展的研究工作和创新点包括以下几个方面:(1)参与调试CCD55-30成像硬件电路,包括时序驱动转换电路、预处理和模拟前端电路、偏置电压电路、FPGA控制电路,为CCD的正常工作提供硬件条件。测试FPGA的CCD驱动时序发生、信号数字相关双采样、灰度值缓存和传输等功能。建立CCD成像地面检测系统,测试CCD成像功能,验证了CCD55-30成像电子学系统工作状态的正确性。(2)建立CCD55-30成像系统的成像模型和噪声模型,并对成像过程参数进行了梳理、总结了CCD成像性能参数的含义。对CCD测试系统进行了研究,包括光电成像器件性能参数1288测试系统和在实验室里搭建的简易CCD测试系统,具体分析了其工作原理、结构组成、验证光源稳定性和均匀性,对比了其优缺点。(3)利用调节曝光时间和光功率密度的方法,分别测试了CCD成像系统的线性,结果表明该成像系统线性良好,调节曝光时间是测试线性的最佳方法。将最小曝光点对应的信号灰度值作为可探测信号的下限,利用不同曝光时间的测试数据计算了CCD的动态范围,更好地反映CCD对弱信号的探测能力。分析了降低读出噪声对提高动态范围的影响、提出降低CCD衬底电压对提高动态范围的作用并予以实验验证。利用标准光功率计获得输入光功率密度,测试和计算CCD在不同波长下的量子效率。对该成像系统的温度特性进行了测试,结果表明降温可以有效降低CCD的暗电流、改善暗场图像均匀性。(4)分析了CCD55-30灰度值图像不均匀性的来源,以及利用暗信号非均匀性DSNU(e~-/pixel)和光响应信号非均匀性PRNU(%)表示像素非均匀性的不足。创新性地提出暗电流非均匀性DCNU(e~-/pixel/s)和光电流非均匀性PCNU(%)的概念,并设计了设置多档曝光时间,每档曝光时间下采集多帧暗场(或亮场)图像,再通过拟合求得暗电流(或“暗电流+光电流”)后以之为基础计算DCNU和PCNU的方法。对利用新老方法求得的像素非均匀性进行了对比与分析,结果表明新方法测试数据更具有普遍适用性和说服力。(5)对CCD成像系统的信噪比进行了理论研究和实验测试。根据成像过程的不同环节,绘出了信噪比的理论曲线,之后对其进行了实验验证。创新性地采用无暗信号的Dummy Output通道输出信号测试了成像系统的读出噪声,克服了传统测试方法难以剔除暗电流噪声的缺点。分析了影响信噪比的因素,并实验验证像素合并、多帧图像叠加、提高AD9814增益都可以有效提高成像系统的信噪比,创新性地设计2行像素合并以及光谱通道增益可编程的驱动时序。