传统线阵图像传感器采用一维像素阵列结构,通过扫描运动获取二维图像,其成像性能受限于运动速度和光照强度。时间延迟积分(TDI)图像传感器采用二维像素阵列结构,通过扫描的方式实现不同行像素对同一景物的多次曝光,等效延长曝光时间,从而有效提高图像传感器的信噪比和灵敏度。TDI-CMOS图像传感器具有与CMOS工艺兼容、高集成度、低功耗、抗辐射等优点,逐渐成为研究热点。在TDI-CMOS图像传感器的研制过程中,对传感器的功能测试和性能分析是极其重要的一个环节。因此,关于TDI-CMOS图像传感器成像质量及其成像系统的研究具有重要意义。为了消除TDI-CMOS图像传感器输出图像中的固定模式噪声(FPN),本文首先研究了TDI-CMOS图像传感器的工作原理,然后在分析FPN来源、噪声特点及其对成像质量的影响的基础上,提出了TDI-CMOS图像传感器的噪声模型,并根据该模型设计了一种基于灰度值补偿的FPN校正方法。该方法首先在均匀光下采集大量样本图像,然后基于所有样本图像的行均值向量和列均值向量分别估计行FPN和列FPN,最后,通过像素原始灰度值加上对应的行FPN估计值校正行FPN、通过像素原始灰度值减去对应的列FPN估计值校正列FPN。为了验证提出的校正方法的有效性,首先基于128级模拟域累加TDICMOS图像传感器设计了一套成像系统,研究了系统设计中的关键技术,具体完成了图像传感器硬件电路设计、片上可编程系统(SoPC)设计及履带机械运动装置设计。其中,SoPC是成像系统的嵌入式主控系统,基于FPGA开发板设计。然后使用设计的成像系统采集100幅样本图像,并基于MATLAB软件完成对FPN的估计,最后进行FPN校正。实验结果表明,使用提出的方法对均匀光照下拍摄的图像进行FPN校正后,其行均值标准差从5.6798 LSB减小到了0.4214 LSB,其列均值标准差从15.2080 LSB减小到了13.4623 LSB;而实际测试图像中的行FPN和列FPN也都得到了有效校正。本文设计的方法可以有效消除TDI-CMOS图像传感器输出图像中的FPN。