基于自動(dòng)門控電源的微光像增強(qiáng)器信噪比研究

倪小兵，延 波，楊 曄，楊書寧，智 強(qiáng)，李軍國，姚 澤，鄧廣緒

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基于自動(dòng)門控電源的微光像增強(qiáng)器信噪比研究

倪小兵1,2，延 波1,2，楊 曄1,2，楊書寧1,2，智 強(qiáng)1,2，李軍國1,2，姚 澤1,2，鄧廣緒1,2

（1. 微光夜視技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；2. 北方夜視科技集團(tuán)有限公司，云南 昆明 6502231）

針對(duì)實(shí)驗(yàn)中同一微光像增強(qiáng)器的信噪比在裝配自動(dòng)門控電源后有偏低現(xiàn)象，從而開展了以下研究：首先通過借鑒微光像增強(qiáng)器的信噪比公式，理論推導(dǎo)分析了陰極高壓脈沖對(duì)信噪比的影響；其次分別給微光像增強(qiáng)器光電陰極施加高壓脈沖和直流高壓，通過實(shí)際測量兩種狀態(tài)下的信噪比，來驗(yàn)證理論推導(dǎo)分析的正確性；最后提出了一種自動(dòng)門控電源陰極高壓脈沖控制電路的設(shè)計(jì)方法，解決了基于自動(dòng)門控電源的微光像增強(qiáng)器測試時(shí)的信噪比偏低問題。

微光像增強(qiáng)器；自動(dòng)門控電源；陰極高壓脈沖；信噪比

0 引言

微光成像技術(shù)作為軍用夜視領(lǐng)域、光電子成像技術(shù)領(lǐng)域的重要技術(shù)分支，一直以來受到國內(nèi)外各軍事部門的重視和支持。自微光夜視裝備首次應(yīng)用于戰(zhàn)爭中以來，該技術(shù)先后經(jīng)歷了第0代、第1代、第2代和第3代發(fā)展階段，目前各大軍事大國正致力于性能更加卓越的第4代、甚至第5代微光夜視像增強(qiáng)器技術(shù)的研發(fā)[1]。微光像增強(qiáng)器作為一種低照度成像器件，主要用于對(duì)夜間周圍環(huán)境的觀察，但由于夜間環(huán)境非常復(fù)雜、變化較快，例如夜戰(zhàn)中，作戰(zhàn)人員需要經(jīng)常在較亮區(qū)域與較暗區(qū)域之間移動(dòng)，周圍環(huán)境明暗交替變化；戰(zhàn)場中爆炸強(qiáng)光等極端視場環(huán)境條件，都要求微光像增強(qiáng)器具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍[2]。自動(dòng)門控電源的出現(xiàn)有效地提高了微光像增強(qiáng)器動(dòng)態(tài)范圍。與傳統(tǒng)微光像增強(qiáng)器專用直流高壓電源相比較，自動(dòng)門控電源將連續(xù)高壓脈沖作用于微光像增強(qiáng)器光電陰極，并將熒光屏電流轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)來調(diào)整陰極脈沖寬度，從而控制光電陰極電子發(fā)射量，達(dá)到調(diào)整熒光屏亮度的目的。

在基于自動(dòng)門控電源的微光像增強(qiáng)器研究過程中發(fā)現(xiàn)，微光像增強(qiáng)器光電陰極開啟電壓、MCP電壓、熒光屏電壓相同的條件下，給光電陰極施加高壓脈沖時(shí)比施加直流電壓時(shí)測試的信噪比低。而信噪比作為微光像增強(qiáng)器的一項(xiàng)重要參數(shù)，對(duì)微光像增強(qiáng)器性能有很大影響[3]。針對(duì)上述問題本文開展了如下研究：首先通過借鑒微光像增強(qiáng)器的信噪比公式，理論推導(dǎo)分析了陰極高壓脈沖對(duì)信噪比的影響；其次分別給微光像增強(qiáng)器光電陰極施加高壓脈沖和直流高壓，通過實(shí)際測量兩種狀態(tài)下的信噪比，來驗(yàn)證理論推導(dǎo)分析的正確性；最后提出了一種自動(dòng)門控電源陰極高壓脈沖控制電路的設(shè)計(jì)方法，解決了基于自動(dòng)門控電源的微光像增強(qiáng)器測試時(shí)的信噪比偏低問題。

1 基于自動(dòng)門控電源的微光像增強(qiáng)器工作原理

自動(dòng)門控電源主要通過MCP電壓調(diào)控和陰極脈沖寬度調(diào)制來實(shí)現(xiàn)其對(duì)微光像增強(qiáng)器熒光屏亮度的有效控制，從而實(shí)現(xiàn)其在寬照度范圍下的應(yīng)用需求，是給微光像增強(qiáng)器電子光學(xué)系統(tǒng)提供能量的小型DC/DC電能轉(zhuǎn)換器；具有體積小、功耗低、輸出電壓高、屏幕亮度可以通過陰極脈寬的關(guān)斷自動(dòng)控制的特點(diǎn)；是微光像增強(qiáng)器的重要組件之一，陰極門控工作狀態(tài)下像管電子發(fā)射如圖1所示。

圖1 陰極門控工作狀態(tài)下像管電子發(fā)射

像增強(qiáng)器的熒光屏電流大小反映了熒光屏亮度高低。自動(dòng)門控電源通過采集熒光屏電流信號(hào)，將其轉(zhuǎn)化成控制信號(hào)來控制MCP電壓、陰極脈寬占空比，達(dá)到自動(dòng)亮度控制的功能。

2 基于自動(dòng)門控電源的微光像增強(qiáng)器信噪比偏低原因的理論分析及測試

2.1 微光像增強(qiáng)器信噪比簡介

信噪比是指接收端的信號(hào)中有效信號(hào)功率與噪聲信號(hào)功率比值，英文縮寫SNR或S/N即Signal-Noise Ratio，有時(shí)又被稱作信噪比。微光像增強(qiáng)器的有效信號(hào)是指在熒光屏端有效圖像，而噪聲信號(hào)指熒光屏端的噪聲圖像。

微光像增強(qiáng)器的噪聲源共有以下11種：MCP熱噪聲、MCP離子噪聲、光電陰極熱發(fā)射噪聲、光子噪聲、光子反饋噪聲、離子反饋噪聲、離子噪聲、宇宙射線輻射噪聲、放射性源輻射噪聲、固定閃爍點(diǎn)、MCP固定圖像噪聲[4]。

微光像增強(qiáng)器從熒光屏輸出端測得的平均亮度與噪聲的均方根值之比，被定義為該器件的信噪比，即公式(1)。規(guī)定的測試條件為：光源色溫2856K；光電陰極輸入照度3×10－4lx，亮度輸出信號(hào)探測器帶寬20Hz（相當(dāng)于加有人眼時(shí)域帶寬的低通濾波器）[1]：

式中：A為有光照射時(shí)輸出信號(hào)直流分量（即有效信號(hào)）；B為無光照射時(shí)輸出信號(hào)的直流分量（即有效信號(hào)）；A為有光照時(shí)輸出信號(hào)的交流分量有效值（即噪聲信號(hào)）；B為無光照時(shí)輸出信號(hào)的交流分量有效值（即噪聲信號(hào)）；是等效帶寬為10Hz時(shí)的熒光屏發(fā)光光譜修正系數(shù)，該值與空間頻率有關(guān)，根據(jù)熒光粉和熒光屏不同來校正。

2.2 光電陰極施加高壓脈沖時(shí)的信噪比理論分析

給微光像增強(qiáng)器光電陰極施加高壓脈沖主要影響光電陰極的電子發(fā)射量，從電子發(fā)射量的變化上來說，只要陰極高壓脈沖的占空比發(fā)生變化，光電陰極的電子發(fā)射量在單位時(shí)間內(nèi)就會(huì)有相應(yīng)變化。以下通過信噪比的影響因素分析和信噪比公式推導(dǎo)相結(jié)合的方式分析了高壓脈沖對(duì)微光像增強(qiáng)器信噪比的影響：

本文討論光電陰極高壓脈沖對(duì)像增強(qiáng)器信噪比影響，而噪聲信號(hào)A、B中光電陰極熱發(fā)射噪聲、光子噪聲、離子噪聲、宇宙射線輻射噪聲與陰極有關(guān)；MCP熱噪聲、MCP離子噪聲、光子反饋噪聲、離子反饋噪聲、放射性源輻射噪聲、固定閃爍點(diǎn)、MCP固定圖像噪聲與陰極無關(guān)。

A中與光電陰極有關(guān)的噪聲信號(hào)設(shè)為A1，與光電陰極無關(guān)的噪聲信號(hào)設(shè)為A2；B中與光電陰極有關(guān)的噪聲信號(hào)設(shè)為B1,與光電陰極無關(guān)的噪聲信號(hào)設(shè)為B2，公式(1)中A＝A1＋A2，B＝B1＋B2。光電陰極在門控狀態(tài)下，A1、B1與陰極電子發(fā)射量相關(guān)，而陰極電子發(fā)射量與占空比相關(guān)，所以A1、B1與占空比相關(guān)，公式(1)中A＝A1＋A2，B＝B1＋B2（本文中占空比均指負(fù)電平在一個(gè)周期之內(nèi)所占的時(shí)間比率）。A為有光照時(shí)輸出信號(hào)的有效信號(hào)，與光電陰極電子發(fā)射量相關(guān)，而光電陰極電子發(fā)射量與占空比相關(guān)，所以A與占空比相關(guān)，同理B也與占空比相關(guān)。

光電陰極在門控狀態(tài)下，將占空比引入公式(1)得：

式中：為陰極脈沖占空比，0＜≤1；是等效帶寬為10Hz時(shí)的熒光屏發(fā)光光譜修正系數(shù)，該值與空間頻率有關(guān)，根據(jù)熒光粉和熒光屏不同來校正。

光電陰極施加直流高壓（即＝1時(shí)）的微光像增強(qiáng)器熒光屏輸出信號(hào)示意圖如圖2中(a)圖所示，S1波形為熒光屏輸出信號(hào)噪聲信號(hào)，C線段為熒光屏輸出信號(hào)有效信號(hào)，當(dāng)像增強(qiáng)器工作時(shí)，光電陰極電平保持不變，光電陰極始終有電子發(fā)射到MCP，經(jīng)過MCP倍增后到達(dá)熒光屏，始終有信號(hào)從熒光屏輸出，當(dāng)像增強(qiáng)器各極間電壓一定的情況下該信號(hào)有效信號(hào)、噪聲信號(hào)保持不變。

而光電陰極施加高壓脈沖信號(hào)（即0＜＜1）的微光像增強(qiáng)器，該陰極高壓脈沖信號(hào)由開啟電壓（即光電陰極與MCP輸入端加負(fù)壓）、關(guān)閉電壓（即在光電陰極與MCP輸入加反向電壓）組成，光電陰極施加高壓脈沖的微光像增強(qiáng)器工作時(shí)，像增強(qiáng)器輸出信號(hào)示意圖如圖2中(b)圖所示，當(dāng)陰極脈寬處在開啟電壓工作狀態(tài)下時(shí)噪聲信號(hào)如S2波形，脈寬處在關(guān)閉電壓工作狀態(tài)下噪聲信號(hào)如S3波形。D線段為陰極只在負(fù)壓工作狀態(tài)下的像增強(qiáng)器輸出信號(hào)中有效信號(hào)，與C線段相等，F(xiàn)線段為陰極在脈沖開啟、關(guān)閉電壓共同作用下的微光像增強(qiáng)器輸出信號(hào)中有效信號(hào)。

(a)

(b)

圖2 像增強(qiáng)器輸出信號(hào)示意圖

Fig.2 The image intensifier output signal

公式(2)化簡后得：

式中：0＜≤1，當(dāng)＝1時(shí)，公式(3)與公式(1)相等，光電陰極為非門控狀態(tài)；≠1時(shí)，光電陰極為門控狀態(tài)，且當(dāng)像增強(qiáng)器各極之間電壓不變只改變脈寬占空比時(shí)，相比較于非門控狀態(tài)（公式(1)），上式中分子不變，分母變大，信噪比較非門控狀態(tài)變小。

2.3 光電陰極施加高壓脈沖時(shí)的信噪比測試

選用同一像增強(qiáng)器，在熒光屏電壓、MCP電壓、陰極開啟電壓都相同的條件下，在同一信噪比測量裝置上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中只改變施加給像增強(qiáng)器光電陰極的高壓脈沖占空比，得到的一組測試數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 不同占空比狀態(tài)下信噪比曲線圖

通過圖3可以看出在熒光屏電壓、MCP電壓保持不變的條件下隨著占空比降低，微光像增強(qiáng)器信噪比測試值明顯降低。

當(dāng)脈沖信號(hào)處于關(guān)閉電壓狀態(tài)下時(shí)，像增強(qiáng)器光電陰極在關(guān)閉電壓的作用下，沒有電子溢出，所以此時(shí)光陰極沒有有效信號(hào)和噪聲信號(hào)的產(chǎn)生，但MCP電壓、熒光屏電壓均正常且使MCP和熒光屏能正常工作，此時(shí)熒光屏輸出信號(hào)均為噪聲信號(hào)。隨著占空比的降低，即關(guān)閉電壓所占陰極脈沖信號(hào)的比例越來越大，勢必產(chǎn)生更多噪聲影響信噪比。脈沖信號(hào)處于關(guān)閉電壓狀態(tài)下像增強(qiáng)器信號(hào)輸出圖如圖4所示。

圖4 陰極脈沖信號(hào)處于關(guān)閉電壓狀態(tài)下像增強(qiáng)器信號(hào)輸出

自動(dòng)門控電源能給像增強(qiáng)器提供更寬的動(dòng)態(tài)范圍，保證各種復(fù)雜環(huán)境條件下像增強(qiáng)器的正常使用，陰極脈沖信號(hào)的使用能對(duì)陰極組件進(jìn)行有效保護(hù)[5]；而基于非門控電源的像增強(qiáng)器在高照度環(huán)境下具有局限性，且在高照度下陰極壽命容易受到損傷，故微光夜視裝備大范圍使用自動(dòng)門控電源將是主流方式。同一像增強(qiáng)器光電陰極在門控、非門控工作狀態(tài)下信噪比測試值有明顯變化，陰極脈沖占空比越小信噪比越低，在設(shè)計(jì)自動(dòng)門控電源過程中需要充分考慮到低照度時(shí)陰極脈沖占空比對(duì)信噪比的影響。

3 信噪比偏低問題的解決方案

通過以上分析，基于自動(dòng)門控電源的微光像增強(qiáng)器信噪比在測試條件下，或者低光照條件下陰極高壓脈沖占空比應(yīng)該為100%。微光像增強(qiáng)器在低照度環(huán)境下且各極施加直流高壓，像增強(qiáng)器有較好的電子光學(xué)性能，低照度時(shí)取像增強(qiáng)器光電陰極工作在高壓直流條件下；而在高照度條件下需要減少光電陰極電子發(fā)射量，以達(dá)到保護(hù)光電陰極的目的，陰極脈寬在高照度時(shí)再開啟[6]?，F(xiàn)將自動(dòng)門控電源陰極脈沖啟動(dòng)方式設(shè)計(jì)如圖5。陰極脈沖在照度10－3lx以下時(shí)，陰極脈沖不啟動(dòng)，當(dāng)照度大于10－3lx時(shí)陰極脈寬啟動(dòng)。

圖5 陰極脈沖啟動(dòng)方式

重新設(shè)計(jì)后的自動(dòng)門控電源陰極脈沖信號(hào)如圖6，脈沖不啟動(dòng)時(shí)如圖6(a)、脈沖啟動(dòng)后如圖6(b)。

經(jīng)過測試：改進(jìn)后的某型號(hào)像增強(qiáng)器在熒光屏電壓、MCP電壓不變的條件下，信噪比在10－3lx及更低照度下達(dá)到23，較未改進(jìn)時(shí)信噪比有明顯改善。

4 結(jié)論

本文從理論公式推導(dǎo)和實(shí)際測量兩方面分析了陰極脈沖占空比對(duì)基于自動(dòng)門控電源的微光像增強(qiáng)器信噪比的影響，并提出了一種解決基于自動(dòng)門控電源的微光像增強(qiáng)器信噪比偏低現(xiàn)象的解決辦法，對(duì)于自動(dòng)門控電源的陰極高壓脈沖控制電路的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

(a)

(b)

圖6 改進(jìn)后自動(dòng)門控電源陰極輸出信號(hào)

Fig.6 Improved auto-gating power source supply cathode out signal

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Study of Image Intensifier SNR Based on Auto Gated Power Supply

NI Xiaobing1,2，YAN Bo1,2，YANG Ye1,2，YANG Shuning1,2，ZHI Qiang1,2，LI Junguo1,2，YAO Ze1,2，DENG Guangxu1,2

(1.710065,;2.,650223,)

Aiming at image intensifier SNR degradation after auto gated power supply assembled, the following research work were carried out. First, the image intensifier SNR formula is used to analyze the effect that cathode high voltage affects the intensifier SNR. Two different cases of intensifier SNR are measured: cathode high voltage pulse and cathode DC high voltage. Then two kinds of cases are analyzed and compared. At last, this paper concludes the research and points out a new method of designing the cathode start control circuit with auto-gating power supply.

image intensifier，auto-gating power source，the cathode high voltage pulse，SNR

TN223

A

1001-8891(2017)03-0284-04

2016-08-21；

2016-12-22.

倪小兵（1988-），男，工程師，主要從事電子學(xué)在微光夜視技術(shù)中的應(yīng)用研究。