传统的光电自准直仪选用CCD(电荷耦合器件)作为光电转换器件，具有功耗高、电路设计复杂、测量速度慢等缺点。近年来，随着超大规模集成电路的迅速发展，CMOS图像传感器实现了将A/D转换、信号处理、增益调节、精确放大和数据存储等功能集成于同一个芯片内，大大提高了系统的集成度。本文以CMOS图像传感器作为二维自准直仪的光电成像器件，以提高光电自准直仪的测量精度和测量速度为出发点，对系统中的几项关键技术进行分析和研究，并结合自准直角的特点将这些技术应用到实际测量中。论文目前取得的进展主要有以下几个方面：1、对像元的细分算法进行理论分析，提出了一种改进的加权质心法。该算法能根据图像灰度值的变化而自动调节阈值门限，具有一定的自适应能力。通过细分计算，将光电自准直仪的测角分辨率提高到0.23，实现了系统的高精度测量。2、利用CMOS图像传感器具有的随机开窗口(ROI，Region Of Interest)功能，在自准直仪测角过程中，通过改变像元读取窗口的大小和位置，来提高光电自准直仪的测量速度。采用随机开窗口操作后，系统测量速度由原来的27.5帧/秒提高到了110帧/秒。3、设计了自适应曝光控制模块，可以根据准直光源的光能量发生变化而进行相应的积分时间自动调整，以满足测量环境的要求。4、对CMOS图像传感器的多斜率积分模式进行研究，通过多斜率积分操作扩展了传感器的光学动态范围，也相应的提高了系统信噪比。5、对光电自准直仪的工程样机进行了实验验证，实验结果表明，样机的测量精度完全满足技术指标要求。