高速成像系统可以将高速变化过程用图片的形式记录起来,是研究瞬间变化现象的一种必不可少的工具,广泛应用于工业、科研和军事等领域。传统高速成像系统一般采用传统CMOS图像传感器为感光器件,由于受芯片工艺的制约,此类成像系统无法在速度、分辨率、动态范围、读出噪声等方面均具有很好的效果。而新出现的SCMOS(Scientific CMOS)传感器采用全新的工艺,在这些方面均具有很好的性能,为高速成像系统的发展增添了新的活力。近年来世界各国在高速成像系统领域投入大量精力并取得了良好效果,积极开展高速成像系统的自主研制对国内相关领域的发展具有重大意义。本设计正是基于SCMOS传感器对高速成像系统做的一个研究和尝试,为后期其它相关研究提供一定的基础。本文主要工作包含以下几个方面:①本文对系统总体方案进行了制定,通过对采集、控制、缓存和传输等成像系统关键技术的分析以及具体器件的选型,确立了SCMOS+FPGA+DDR3+PCI Express的系统设计方案;②本文对系统硬件构成进行了分析,确定了基于FMC夹层板技术的载板加子板的硬件系统方案,其中载板则是包括Xilinx Kintex-7 FPGA、DDR3 SDRAM以及PCIE接口的成像控制与传输板,而子板专用于构建SCMOS图像采集电路;③本文对系统软件架构进行了分析,软件设计整体分为FPGA硬件逻辑设计与上位机PC控制软件设计,而FPGA逻辑设计分为三大功能模块,即图像采集模块、数据缓存模块、数据传输模块;④本文对图像预处理方法进行了研究,提出了图像预处理的融合算法,包括平场校正、Gamma校正、中值滤波以及混合对比度增强算法(SFL-CT与CLAHE),旨在为成像系统的输出图像进行降噪与增强处理,以最终生成更适合研究人员或用户观察分析的图像。本文将高性能、超高速SCMOS传感器应用于高速成像系统中,满足了成像系统诸多性能指标的需求。通过引入高性能FPGA芯片、高速大容量DDR3缓存、第三代总线技术PCI Express(PCIE)总线接口,使高速成像系统研制成为可能。实验结果表明,本文所设计的基于SCMOS传感器的高速成像系统方案及其局部模块是可行的,为后期进一步研究打下了良好的基础。