位于四川省稻城的“高海拔宇宙线观测站”（Large High Altitude Air Shower Observatory,LHAASO）现已实现全阵列运行,LHAASO的大视场和极高的能谱测量精度为寻找100TeV光子源提供了强有力的保证,并已取得突破性的研究进展。如果采用视场较小,但空间分辨更好的成像大气切伦科夫望远镜阵列（Imaging Atmospheric Cherenkov telescopes,IACT）与之互为补充,则可实现对伽马源的内部结构进行精细测量,也有助于对LHAASO观测到的超高能伽马源的认证,因此这是LHAASO建成之后又一项重要的工作。目前,国际上已建成了多个IACT阵列,如大气伽玛切伦科夫成像望远镜（Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov telescope,MAGIC）、高能立体望远镜系统（High Energy Stereoscopic System,H.E.S.S.）、超高能辐射成像望远镜阵列系统（Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System,VERITAS）等,它们基于光电倍增管（Photomultiplier,PMT）探测高能伽马光子在大气中的簇射过程中产生的切伦科夫光,已取得了一系列令人瞩目的观测成果。近年来,随着实验技术的发展,由于硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier,SiPM）探测器具有高光电转换效率、低成本、在强光下工作不易损坏的优势,在IACT中应用SiPM探测器进行探测成为伽马天文观测中的一种新兴趋势。在LHAASO基础上建设的面向伽马天文观测的IACT即计划基于SiPM探测器进行研制。IACT读出电子学需要实现大动态范围下的高精度电荷测量,并具备一定的精度的时间测量能力。而在IACT应用中,SiPM输出信号相对于传统的基于PMT的IACT输出信号特征存在差异。首先,SiPM探测器的输出信号宽度更大,在20 ns～90 ns范围内,相应的在电荷测量时需要更宽的电荷积分窗口;同时,IACT在工作中会观测到夜空本底干扰（对应单光电子信号）,因此,在更大的积分窗口下,此本底干扰会对电荷测量结果造成明显的影响;此外,相对于PMT,SiPM输出信号形状具有更显著的不一致性。上述情况对电子学系统的设计提出了挑战。针对上述要求与挑战,在本论文研究中采用分段多增益测量与基于开关电容阵列（Switched Capacitor Array,SCA）的波形数字化相结合的技术展开研究,以实现大动态范围、较大波形不一致性下的信号读出。工作中设计并对比测试了基于隔离放大和电流扇出的两种模拟前端电路的设计方案;在波形采样技术上,进行了关键参数的取值分析,特别是深入分析了在不同基线测量区间和电荷积分窗口下本底干扰对测量的影响,结合电子学基线噪声特性选取最佳化的积分窗口时间,并相应在现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）中设计了滑动窗口式的基线计算处理及相关逻辑,完成实时的波形信息提取。在方法研究的基础上,进行了电子学原型系统的设计与测试,测试结果表明该原型电子学系统可以在5 P.E.～8000 P.E.动态范围内完成IACT中SiPM信号测量,在5 P.E.处的电荷精度好于25%,在8000 P.E.处的电荷精度好于3%,在全动态范围内的时间测量精度好于800 ps RMS,达到了研究目标。本论文的结构介绍如下:第一章阐述了伽马天文观测的物理背景,介绍了成像大气切伦科夫望远镜的特点,并根据SiPM探测器输出信号的波形特征,给出了前端电子学的设计指标需求。第二章对宇宙线实验电子学中的时间和电荷测量的基本方法进行了调研,包括定时甄别的基本方法、电荷-幅度转换技术、电荷-时间转换技术和波形数字化技术。第三章介绍了望远镜原型电子学系统的设计和实现。首先,通过对SiPM探测器输出信号特征的分析,确立了 SiPM探测器读出技术路线。然后,对SiPM探测器输出信号中的夜空本底干扰展开讨论,通过计算和仿真分析了夜空本底干扰对电荷测量结果的影响,确认了电荷积分区间长度和基线采集区间长度等关键参数的最佳范围。最后根据讨论和分析结果,提出了读出电子学原型系统的设计方案,并介绍了其硬件电路和FPGA逻辑的具体实现。第四章介绍了望远镜读出原型电子学的测试方法和测试结果,包括SCA芯片的标定和修正测试、瞬态波形测试、基线测试、电荷性能测试与时间性能测试。测试结果表明,各项指标可以满足应用需求,达到了研究目标。第五章对论文进行了总结,并对未来的工作做出展望。