天文学是近代物理蓬勃发展的一个学科，大口径，高分辨的天文望远镜是天文观测的必备科学仪器。现代天文望远镜可以观测到光学直至电磁波段，不仅可以观测天体还可以观测天体的光谱，已经从地球进入空间，乃至未来在月球建造。天文学家可以利用其对宇宙进行观测，获取数据分析天体的状态和特性。　　光学望远镜作为最重要的望远镜种类，其收集天体的光学波段的光信息，进而通过成像相机完成成像记录。近代以来，随着半导体技术的飞速发展，CCD(Charge Couple Device)已经作为天文成像的关键器件，并发挥越来越重要的作用。CCD是电荷耦合器件，可以进行光电转换，将光学信息收集转换成电信号。CCD探测器的量子效率、读出噪声等特性直接影响望远镜的成像质量。　　光学望远镜的选址对于观测的重要性也不可忽视，足够好的视宁度、观测时长、温度等气候条件对于天文观测而言至关重要。我国目前已经建成了多个观测站点，这些站点的共同点是，视宁度好、远离城市光污染少。而南极大陆作为人类极少活动的区域，其空气优良，具备极夜的特殊性可以进行长期连续观测。　　因此天文望远镜如果能在南极架设，其优势是不言而喻的。但是南极恶劣的气温、人员维护成本高都是巨大的挑战。南极的低温环境对于机械结构的可靠性要求很高，除此之外，低温下电子学器件、电路能否正常工作都是关键的问题。　　我国目前已经在南极开展的望远镜项目有，CSTAR(Chinese Small Telescope Array),AST3(Antarctic Survey Telescope),BSST(Bright Star Survey Telescope)。CSTAR主要科学目标是在变星检测、寻找系外行星、台址测量。BSST是目前我国在南极中山站投入使用的第一台光学望远镜，其主要科学目标是搜寻太阳系外的行星，口径是300mm。　　本文的主题便是设计并实现了适用于南极CSTAR和BSST望远镜的科学级CCD探测器系统，其能够适应于南极的低温环境，并具备一定的自主故障诊断功能，有效的保证望远镜能够可靠的执行观测计划。CCD探测器系统的组成可分为结构、电子学二个主要部分。　　探测器系统正常运行首先需要合理的结构设计，科学级CCD探测器系统的CCD芯片是典型的半导体器件，需要在充分制冷条件下工作以降低暗电流噪声。因此在真空环境下制冷科学级CCD芯片是必要的。用于南极的结构必需考虑小型化、热胀冷缩效应等难题。本文设计的结构，合理布局空间，采用小型化腔体，内置TEC、CCD、真空穿通密封件等器件。材料上充分考虑温度匹配问题以应对热胀冷缩的问题;金属化密封及吸附剂保证了真空的获得与维持。　　科学级CCD探测器系统的低噪声读出系统是本文的重点。其组成部分主要是高质量的电源系统，CCD控制器。本文通过合理选型、可靠性设计、充分考虑低温因素，保证控制器在低温下的可靠性，并通过实际测试验证。软件配合底层固件形成自主诊断功能，能够定位故障位置和报警，保证CCD探测器系统的正常运行。同时针对大靶面CCD的特点，设计并实现对应的复杂驱动和多种读出方式。整套CCD探测器系统经过充分测试。　　本文提出并实现了一种高性能的CCD探测器系统的仿真测试装置来验证CCD控制器。通过对CCD信号的仿真，输入给CCD控制器，可以测试CCD控制器的读出电路;通过对CCD控制器输出的时序驱动进行采样分析，可以判断CCD控制器的驱动是否正常。从而有效的保证了在装配CCD之前CCD控制器的正常工作，测试装置便捷，提高测试效率，易于及时发现问题。　　本论文的创新点可归纳为以下几个主要部分:　　1.面向南极-80℃极端环境下的的CCD探测器的低温真空杜瓦的研究，完成了用于CSTAR望远镜的小型CCD探测器的低温真空设计与实现，实测真空制冷效果良好，真空维持时间较长。并在此基础上完成了用于BSST望远镜的大焦面CCD探测器的低温真空杜瓦设计与实现。　　2.面向南极-80℃极端环境下的CCD探测器的低噪声高精度读出系统的研究，完成了一套用于CSTAR望远镜的CCD探测器系统的CCD控制器、高性能电源。实测性能良好，读出噪声达到国际先进水平，最低可到4e-RMS@100K。在低温下通过验证测试。同时通过对自主故障诊断系统的研究，实现了系统的故障自定位与报警功能，保证系统的正常运行。进而进行用于BSST望远镜的大焦面CCD探测器读出系统的研究，完成了一套BSST相机的CCD控制器。　　3.高性能的CCD仿真测试系统的研究，完成了一套仿真测试系统，实现对CCD控制器的检验、模拟CCD信号，便于及时有效评估CCD控制器的功能和读出噪声性能。