CMOS图像传感器是目前实现固态成像的主流技术。凭借优异的性能，CMOS图像传感器的应用范围扩展到了空间成像领域，广泛应用于地球勘测、遥感成像、星敏感器等空间任务。然而，空间环境中由高能粒子和电磁波构成的辐射，会导致CMOS图像传感器出现功能错误和性能退化，甚至造成芯片的永久性损毁。因此，在设计面向空间应用的CMOS图像传感器时，必须对其辐射效应和抗辐射加固进行深入的研究。本文研究CMOS图像传感器在空间环境中的单粒子效应和总剂量效应，分析单粒子效应引起的电路功能紊乱，以及单粒子效应向光电二极管注入电子导致的像素输出错误；分析总剂量效应引起的晶体管阈值电压漂移和寄生漏电等损伤，以及总剂量效应在浅沟槽隔离氧化层与硅衬底接触面处引入的界面态诱发的暗电流增加。在上述辐射效应研究的基础上，本文设计了一款抗辐射CMOS图像传感器。该图像传感器使用数字像素作为感光器件，光电二极管使用版图技术进行加固，以抑制总剂量效应引起的暗电流增加。读出和控制逻辑均使用数字电路设计，并基于本文开发的抗辐射标准单元库实现，拥有针对单粒子效应和总剂量效应的加固能力。本文的主要创新点包括：提出了一种基于独热码复制的容忍有限状态机的状态寄存器发生单粒子翻转和多位翻转的加固方法。对于一个拥有16个状态的有限状态机，在单个寄存器平均每100个时钟周期发生一次翻转的情况下，与使用独热码进行状态编码并使用三模冗余的加固方案相比，该方法提供19.1倍的平均无故障时间。在分别采用两种状态重组的策略后，该方法提供的平均无故障时间进一步提升至40.3倍和63.2倍。提出了一种基于三联锁结构的锁存器，该锁存器使用保护门在内部形成抗辐射的微结构，能够在维持阶段对发生于内部任一节点的单粒子瞬态进行自恢复。该锁存器结构能够避免内部节点因单粒子效应而出现长时间的浮空状态，在抗串扰耦合方面具备优势。提出了在相邻像素间插入保护漏结构以抑制单粒子效应产生的电荷在像素阵列中扩散的方法。增加保护漏的数目和结深，以及加大保护漏的反偏电压，能够增强该方法的加固效果。器件级的单粒子效应注入仿真结果论证了该方法的有效性。