小型條紋管數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究?

田麗萍李立立溫文龍王興陳萍盧裕王俊鋒趙衛(wèi)3)田進(jìn)壽3)

1)(中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所超快診斷中心,西安 710119)

2)(中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

3)(山西大學(xué)極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心,太原 030006)

1 引 言

作為非掃描式成像激光雷達(dá)之一的條紋變像管成像激光雷達(dá)(streak tube imaging lidar,STIL),具有寬視場(chǎng)、高幀率、高可靠性和體積小的巨大優(yōu)勢(shì),廣泛應(yīng)用于軍事和航天等領(lǐng)域[1,2].條紋管成像激光雷達(dá)系統(tǒng)的探測(cè)視場(chǎng)由陰極可探測(cè)狹縫長(zhǎng)度和狹縫方向的空間分辨率二者共同決定,狹縫長(zhǎng)度越長(zhǎng),空間分辨率越高,相同精度要求下的探測(cè)視場(chǎng)越大[3?5].傳統(tǒng)條紋變像管在追求較高時(shí)間分辨率時(shí)往往引入了超精細(xì)結(jié)構(gòu)柵網(wǎng)以提高陰極附近的電場(chǎng)強(qiáng)度,但也增加了打火的概率而影響條紋相機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性[6,7].而且,傳統(tǒng)的條紋變像管體積較大,嚴(yán)重制約了STIL系統(tǒng)的小型化,進(jìn)而限制了STIL系統(tǒng)在無(wú)人機(jī)載及星載探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用.

為滿(mǎn)足STIL系統(tǒng)對(duì)條紋管的大探測(cè)面積、高空間分辨率以及小型化等應(yīng)用需求,各單位研制出了一系列條紋變像管.其中,Photonis研制的P920型條紋管長(zhǎng)度為159 mm,但其可探測(cè)狹縫有效長(zhǎng)度也極為有限,僅為10 mm;俄羅斯科學(xué)院研制的PF-M型條紋管長(zhǎng)度僅為110 mm,且空間分辨率高達(dá)30 lp/mm@Φ25 mm,但其放大倍率為1,亮度增益較低,不利于成像激光雷達(dá)的遠(yuǎn)距離高信噪比探測(cè)[8];英國(guó)Photek公司研制的ST-X型條紋管,其探測(cè)面積為18 mm×3 mm且掃描方向的空間分辨率高達(dá)36 lp/mm,但對(duì)狹縫方向的空間分辨性能研究較少[9,10].

本文以提高條紋變像管狹縫方向邊緣空間分辨率為主要研究目標(biāo),同時(shí)兼顧盡可能高的時(shí)間分辨率及亮度增益,通過(guò)分析影響條紋變像管時(shí)空分辨率的物理機(jī)制,研制了一款適用于無(wú)人機(jī)載及星載成像激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的高電耐性和高可靠性的高亮度增益小型化條紋相機(jī).數(shù)值計(jì)算了球面光電陰極和球面熒光屏?xí)r條紋變像管的時(shí)間分辨率和空間分辨率.模擬分析了平面陰極和球面陰極時(shí)的熒光屏動(dòng)態(tài)掃描像畸變情況,結(jié)果顯示,球面光電陰極能夠明顯減小狹縫像邊緣部分的畸變,提高時(shí)間-空間(光譜)探測(cè)精度.相機(jī)測(cè)試結(jié)果顯示:光電陰極有效工作面積區(qū)域16 mm×2 mm內(nèi),狹縫方向靜態(tài)空間分辨率遠(yuǎn)高于15 lp/mm@CTF=11.64%(CTF表示對(duì)比度傳遞函數(shù)),邊緣(距離光軸8—9 mm 處)動(dòng)態(tài)空間分辨率高于9.8 lp/mm@CTF=5.51%.時(shí)間分辨率優(yōu)于54.6 ps@Tscreen=4.3 ns(Tscreen為全屏?xí)r間),且在整個(gè)有效工作面積內(nèi)具有較好的一致性,動(dòng)態(tài)范圍為345:1@54.6 ps.此款小型條紋相機(jī)不僅具有較高的邊緣空間分辨率,更重要的是其亮度增益高達(dá)39.4.

2 條紋變像管電子光學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 相機(jī)組成

圖1所示為小型條紋相機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖.其基本組成部分有:前端輸入狹縫光學(xué)耦合系統(tǒng)、7200型條紋變像管、像增強(qiáng)器、后端輸出耦合透鏡、電荷耦合器(CCD)記錄系統(tǒng)、變像管高低壓供電電源模塊和掃描電控模塊及信息處理系統(tǒng).當(dāng)外界待測(cè)目標(biāo)反射信號(hào)通過(guò)狹縫及輸入光學(xué)系統(tǒng)成一維空間圖像并耦合進(jìn)光電陰極時(shí),光電陰極由于外光電效應(yīng)產(chǎn)生攜帶相同信息的光生電子信號(hào),在外部電場(chǎng)作用下加速、聚焦,光電子到達(dá)偏轉(zhuǎn)板系統(tǒng)入口處時(shí)受偏轉(zhuǎn)板上所加載的線(xiàn)性斜坡電壓作用,在熒光屏上沿掃描方向依次展開(kāi),從而獲得三維信息.在狹縫方向表示一維空間信息,在掃描方向表示不同時(shí)刻的景深信息,掃描圖像的強(qiáng)度表示陰極輸入目標(biāo)光信號(hào)的強(qiáng)度.單次掃描圖像只能給出選通區(qū)域內(nèi)待測(cè)目標(biāo)的一個(gè)剖面輪廓像,利用相應(yīng)的算法對(duì)多次掃描圖像進(jìn)行重建可以給出目標(biāo)物的四維像(三維距離像+一維強(qiáng)度像)[11,12].像增強(qiáng)器將條紋變像管熒光屏上強(qiáng)度微弱的圖像信號(hào)放大增強(qiáng),并由后端耦合CCD圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行記錄,從而實(shí)現(xiàn)超快時(shí)間信號(hào)向低速空間圖像信號(hào)的等價(jià)轉(zhuǎn)換,完成對(duì)輸入光信號(hào)的時(shí)間、空間和光強(qiáng)等信息的記錄.

圖1 小型條紋相機(jī)結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖Fig.1.Schematic and photo of the small-size streak camera.

條紋變像管是決定條紋相機(jī)整體性能指標(biāo)的核心器件.針對(duì)影響條紋變像管時(shí)空分辨率的主要因素[13],本文在理論設(shè)計(jì)中采取了以下措施:1)采用球面光電陰極和球面熒光屏,有助于減小傍軸和遠(yuǎn)軸處電子脈沖的光程差和球差,提高條紋管邊緣空間分辨率以減小時(shí)間畸變;采用使中心電子束欠聚焦、邊緣電子束過(guò)聚焦、最佳成像點(diǎn)位置偏移陰極中心的方法進(jìn)一步提高邊緣空間分辨率;2)采用狹縫柵極代替?zhèn)鹘y(tǒng)的柵網(wǎng)式加速電極,有利于提高條紋管的光子效率及亮度增益;采用狹縫柵極各向異性加速結(jié)構(gòu)能夠增大電子束斑最小直徑,從而減弱空間電荷效應(yīng),增大條紋變像管的動(dòng)態(tài)范圍;更重要的是,相比于柵網(wǎng)式加速結(jié)構(gòu),采用狹縫電極能夠避免電子與柵網(wǎng)碰撞生成二次電子,有利于降低條紋變像管的背景噪聲;3)采用二折偏轉(zhuǎn)板以保證光電子在不被偏轉(zhuǎn)板截獲的情況下獲得較高的偏轉(zhuǎn)靈敏度,從而降低偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)功率,提高時(shí)間分辨率,同時(shí)又能夠降低條紋相機(jī)對(duì)掃描電壓斜率的要求;4)采用具有圓孔闌的球面錐狀陽(yáng)極,不但能截獲大角度發(fā)射電子,更重要的是能夠減小聚焦場(chǎng)和偏轉(zhuǎn)場(chǎng)之間的相互干擾,以降低條紋管的偏轉(zhuǎn)散焦[14,15];5)研制的條紋變像管長(zhǎng)度僅為140 mm且加速電壓高達(dá)?15 kV,減小了由于空間電荷效應(yīng)引起的光電子的軸向時(shí)間彌散和橫向空間彌散,進(jìn)一步提高時(shí)空分辨率.小型條紋變像管的樣管如圖2所示.

圖2 小型條紋變像管實(shí)物圖Fig.2.Prototype of the small-size streak tube.

2.2 空間分辨率

在光電陰極內(nèi)表面沿狹縫方向每間隔1 mm的位置發(fā)射初始狀態(tài)服從特定分布的光電子束[16],追蹤電子軌跡并統(tǒng)計(jì)其在熒光屏上的分布.定義空間調(diào)制傳遞函數(shù)(SMTF)曲線(xiàn)降至5%時(shí)對(duì)應(yīng)的空間頻率為條紋變像管的空間分辨率.數(shù)值計(jì)算狹縫方向靜態(tài)空間分辨率變化曲線(xiàn)如圖3(a)所示,最佳成像點(diǎn)偏移中心2—3 mm.條紋管邊緣處?kù)o態(tài)空間調(diào)制傳遞函數(shù)(SSMTF)如圖3(b)紅色曲線(xiàn)所示,靜態(tài)空間分辨率為48.5 lp/mm@MTF=5%.動(dòng)態(tài)掃描模式下,數(shù)值計(jì)算了全屏?xí)r間為50 ns(掃描速度為1.667×10?3c)檔位下狹縫方向的空間分辨率.SMTF如圖3(b)藍(lán)色曲線(xiàn)所示,動(dòng)態(tài)空間分辨率為30.26 lp/mm@MTF=5%.條紋變像管的放大倍率為0.76,因此,條紋變像管光陰極處?kù)o態(tài)空間分辨率為36.9 lp/mm@MTF=5%,50 ns掃描檔位下,條紋變像管光陰極的動(dòng)態(tài)空間分辨率為23 lp/mm@MTF=5%.

圖3 (a)狹縫方向條紋管靜態(tài)空間分辨率變化曲線(xiàn);(b)條紋管邊緣處SSMTF和動(dòng)態(tài)空間調(diào)制傳遞函數(shù)(DSMTF)Fig.3.(a)Static spatial resolution of the streak tube along slit direction;(b)SSMTF and DSMTF of the streak tube.

2.3 時(shí)間分辨率

為了適用不同景深及精度的探測(cè)需求,條紋相機(jī)設(shè)置有6個(gè)掃描檔位(分別為4.3 ns,50 ns,90 ns,500 ns,1μs和2μs),掃描速度越快,時(shí)間分辨率越高[17,18].本文僅數(shù)值計(jì)算最快掃描檔位時(shí)條紋變像管的時(shí)間分辨率.從光電陰極中心發(fā)射如圖4(a)所示的半高全寬為8 ps、間隔54.6 ps的三束電子脈沖序列δ1,δ2和δ3,每個(gè)脈沖包含3000個(gè)光電子.為了使掃描后的電子斑盡可能分布于熒光屏中心位置以降低偏轉(zhuǎn)散焦和像差等對(duì)像質(zhì)造成影響,給偏轉(zhuǎn)板施加444 V預(yù)偏電壓,偏轉(zhuǎn)板上加載掃描速度為5.8×106m/s的線(xiàn)性時(shí)變掃描電壓.最終,三個(gè)脈沖序列的掃描圖像在熒光屏上的分布如圖4(b)藍(lán)色電子斑所示.紅色曲線(xiàn)給出了光電子沿掃描方向的強(qiáng)度歸一化曲線(xiàn),光電子在掃描方向的概率分布曲線(xiàn)的鞍峰比為0.132,遠(yuǎn)小于瑞利判據(jù)要求的0.7.因此,該條紋變像管的時(shí)間分辨率優(yōu)于54.6 ps.

圖4 陰極發(fā)射光電子脈沖及掃描結(jié)果 (a)間隔54.6 ps的光電子脈沖;(b)掃描圖像Fig.4.Emitted electron pulses from photocathode and scanning image:(a)Electron pulses with 54.6 ps interval;(b)results of the scanning image.

2.4 球面光電陰極、球面熒光屏條紋管和平面光電陰極、平面熒光屏條紋管空間分辨率比較

為了評(píng)估球面光電陰極、球面熒光屏條紋管(S-條紋管)和平面光電陰極、平面熒光屏條紋管(P-條紋管)的空間分辨特性,模擬分析兩種條紋管離軸不同距離處的空間分辨率,如圖5所示.S-條紋管在離軸8 mm處的空間分辨率為48 lp/mm@MTF=5%;P-條紋管在離軸5 mm處的空間分辨率為49 lp/mm@MTF=5%,且離軸越遠(yuǎn),空間分辨率越低.若取光電陰極空間分辨率高于35 lp/mm@MTF=5%,則S-條紋管的有效探測(cè)面積為16 mm×2 mm,P-條紋管的探測(cè)面積僅為10 mm×2 mm.

圖5 S-條紋管及P-條紋管空間分辨率Fig.5.Spatial resolution for S-streak tube and P-streak tube.

2.5 球面與平面陰極條紋管動(dòng)態(tài)狹縫像比較

平面光電陰極上離軸不同高度的物點(diǎn),發(fā)射的光電子到達(dá)熒光屏的渡越時(shí)間不同,會(huì)導(dǎo)致平直狹縫在熒光屏上的掃描圖像成彎曲狀,從而影響時(shí)間-空間探測(cè)精度[19].數(shù)值計(jì)算平面及球面光電陰極條紋管離軸8 mm處的時(shí)間畸變分別為110 ps和?10 ps.此外,計(jì)算全屏?xí)r間4.3 ns,間隔為200 ps的兩條狹縫掃描圖像如圖6所示,其中藍(lán)色電子斑為平面光電陰極時(shí)熒光屏上的掃描圖像,紅色電子斑為球面光電陰極時(shí)熒光屏上的掃描圖像.顯然,球面光電陰極掃描圖像較平面光電陰極畸變小且?guī)缀鯚o(wú)彎曲.假設(shè)熒光屏處狹縫方向動(dòng)態(tài)空間分辨率為10 lp/mm,取最小可分辨單元計(jì)算平面與球面陰極時(shí)光電子在熒光屏邊緣處沿掃描方向的狹縫像彌散,結(jié)果如圖7所示.彌散電子斑的半高全寬分別為0.19 mm和0.1 mm.可見(jiàn),球面光電陰極條紋管電子斑的空間彌散比平面光電陰極條紋管小,具有更好的空間分辨性能.

圖6 球面及平面光電陰極狹縫掃描像Fig.6.Scanning image for plane and spherical photocathode.

圖7 狹縫像邊緣處(x=6—6.05 mm)沿掃描方向的電子彌散 (a)平面陰極;(b)球面陰極Fig.7.Electron dispersion along the meridian direction at the edge of the slit image(x=6–6.05 mm):(a)Plane cathode;(b)spherical cathode.

3 條紋變像管靜態(tài)性能測(cè)試

3.1 陰極輻射靈敏度及條紋管輻射功率增益測(cè)試

條紋管光電陰極的響應(yīng)特性直接影響STIL系統(tǒng)的探測(cè)距離,而增益特性直接反映了條紋管對(duì)輸入光信號(hào)的增強(qiáng)過(guò)程.分別采用陰極輻射靈敏度(PRS)和輻射功率增益(REG)表征光電陰極的光譜響應(yīng)特性及條紋管對(duì)輸入光信號(hào)的增強(qiáng)能力.PRS測(cè)試中,采用遮光孔徑為Φ16 mm的光闌,陰柵電極之間加載+200 V(光電陰極幾乎輻射飽和)的恒定直流加速電壓,光陰極輻照光信號(hào)的功率密度為1 mW/m2.測(cè)試光電陰極的光譜靈敏度如圖8藍(lán)色曲線(xiàn)所示.REG測(cè)試中,條紋變像管各電極加載工作電壓,由于變像管是像縮小型管(放大率僅為0.76)且加速電壓高達(dá)?15 kV,因此REG較高,測(cè)試結(jié)果如圖8紅色曲線(xiàn)所示.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:REG和PRS具有較高的一致性,而且最佳響應(yīng)波長(zhǎng)在550 nm,接近STIL系統(tǒng)常用激光中心波長(zhǎng)532 nm,相應(yīng)的PRS為38.11 mA/W,REG為18.82.采用柵網(wǎng)加速電極的5200條紋管,電子的傳輸效率較狹縫柵極的低30%—40%,且放大倍率為2,亮度增益僅為0.25.因此,相比于5200條紋管,該小型條紋管對(duì)STIL進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測(cè)具有極大優(yōu)勢(shì).

圖8 條紋變像管PRS及REG曲線(xiàn)Fig.8.PRS and REG test.

3.2 條紋變像管MTF測(cè)試

采用中心波長(zhǎng)為590 nm、強(qiáng)度為10 lx的連續(xù)光輻照光電陰極,測(cè)試小型條紋管光陰極狹縫方向不同區(qū)域MTF曲線(xiàn),如圖9所示.光電陰極中心空間分辨率為35 lp/mm@MTF=10%,最佳成像點(diǎn)偏移到了離軸4 mm處的光陰極內(nèi)表面,空間分辨率為35 lp/mm@MTF=13%.可以看出,在整個(gè)陰極狹縫有效長(zhǎng)度16 mm內(nèi),空間分辨率高于29.3 lp/mm@MTF=5%.

圖9 小型條紋變像管SMTFFig.9.SMTF of the small-size streak tube.

4 條紋相機(jī)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)測(cè)試

4.1 靜態(tài)空間分辨率測(cè)試

圖10所示為小型條紋相機(jī)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)工作模式下的實(shí)驗(yàn)光路.分劃板條紋沿狹縫方向周期排列,每個(gè)單元包含有7組寬度不同、占空比為50%的亮暗條紋,對(duì)應(yīng)的空間分辨率分別為5,10,15,20,25,30和35 lp/mm.激光器發(fā)射1054 nm激光經(jīng)2倍頻后輸出中心波長(zhǎng)為527 nm、脈寬為8 ps的激光脈沖并輻照條紋相機(jī)光電陰極,激光脈沖所形成的光斑中心和邊緣亮度相差較大,因此在光電陰極前適當(dāng)位置處放置毛玻璃板,可以衰減和散亂強(qiáng)光,使激光脈沖信號(hào)較為均勻地輻照在分劃板上.小型條紋相機(jī)采用外增強(qiáng)方式,增強(qiáng)器與熒光屏近貼耦合.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,根據(jù)條紋管靜態(tài)實(shí)驗(yàn)電參數(shù)調(diào)節(jié)條紋相機(jī)各電極電壓,合理調(diào)節(jié)像增強(qiáng)器電壓,使CCD采集的分劃板圖像亮度適中便于觀(guān)察記錄.由于相機(jī)各模塊之間的耦合會(huì)不可避免地降低空間分辨率,導(dǎo)致整機(jī)的空間分辨率較條紋變像管空間分辨率有所下降.

圖10 條紋相機(jī)測(cè)試光路(M為反射鏡;Ap為小孔;At為衰減片;TM為透反射鏡)Fig.10.The experiment setup of testing static and dynamic spatial resolution for streak camera(M,mirror;Ap,aperture;At,attenuator;TM,trans flective mirror).

圖11 靜態(tài)空間分辨率測(cè)試結(jié)果 (a)靜態(tài)圖像;(b)強(qiáng)度分布Fig.11.Results of static spatial resolution test:(a)Static image;(b)intensity distribution.

圖11(a)給出了CCD記錄的分辨率板通過(guò)小型條紋相機(jī)所成的像;圖11(b)為圖11(a)框選部分的強(qiáng)度分布曲線(xiàn),計(jì)算可知小型條紋相機(jī)的靜態(tài)空間分辨率高于 10 lp/mm@CTF=11.64%,15 lp/mm@CTF=2.25%.實(shí)驗(yàn)中前端輸入光學(xué)系統(tǒng)的放大倍率為0.667,因此,小型條紋相機(jī)光陰極處?kù)o態(tài)空間分辨率遠(yuǎn)高于15 lp/mm@CTF=11.64%.

4.2 動(dòng)態(tài)空間分辨率測(cè)試

采用50 ns掃描檔位進(jìn)行動(dòng)態(tài)空間分辨率標(biāo)定,分劃板五組圖案對(duì)應(yīng)的空間分辨率分別為:2.5,4.5,6.5,8和10 lp/mm.測(cè)得動(dòng)態(tài)空間分辨率如圖12(a)所示,框選部分的空間分辨率分別為2.5,4.5和6.5 lp/mm,對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度曲線(xiàn)分布如圖12(b)所示,在4.5 lp/mm分辨率條紋處,計(jì)算得出對(duì)比度CTF=12.7%.在6.5 lp/mm分辨率條紋處,計(jì)算得出對(duì)比度CTF=5.51%.在條紋管光陰極邊緣處(距離光軸8 mm)狹縫方向動(dòng)態(tài)空間分辨率為9.8 lp/mm@CTF=5.51%.

圖12 動(dòng)態(tài)空間分辨率測(cè)試結(jié)果 (a)掃描圖像;(b)強(qiáng)度分布Fig.12.Results of dynamic spatial resolution test:(a)Scanning image;(b)intensity distribution.

4.3 時(shí)間分辨率測(cè)試

圖13 動(dòng)態(tài)時(shí)間分辨率測(cè)試結(jié)果Fig.13.Results of dynamic temporal resolution test.

圖14 離軸不同距離處動(dòng)態(tài)時(shí)間分辨率 (a)強(qiáng)度分布;(b)時(shí)間分辨率Fig.14.Results of dynamic temporal resolution via different o ff-axis distance:(a)Intensity distribution;(b)temporal resolution.

采用半高全寬法標(biāo)定條紋相機(jī)的時(shí)間分辨率.在掃描4.3 ns檔位得到時(shí)間掃描圖像如圖13所示.圖14(a)給出了圖13黃色框選部分沿掃描方向的時(shí)間積分曲線(xiàn).CCD的像素為2048×2048,光脈沖經(jīng)過(guò)條紋相機(jī)后展寬,其半高全寬為26個(gè)像素,估算該小型條紋相機(jī)的時(shí)間分辨率為4.3 ns×(26/2048)≈54.6 ps.相鄰兩個(gè)脈沖序列強(qiáng)度的鞍峰比為0.3445,遠(yuǎn)小于瑞利判據(jù)要求的0.7,因此,該條紋相機(jī)時(shí)間分辨率優(yōu)于54.6 ps.采用該方法測(cè)量計(jì)算沿狹縫方向不同位置處的時(shí)間分辨率,結(jié)果如圖14(b)所示,可見(jiàn)在整個(gè)光陰極有效成像區(qū)域內(nèi),時(shí)間分辨率具有較好的一致性,驗(yàn)證了球面陰極、球面熒光屏?xí)r間畸變比平面型小的事實(shí)[20];時(shí)間分辨率測(cè)試結(jié)果較理論數(shù)值模擬結(jié)果低.可能的原因有:偏轉(zhuǎn)散焦、空間電荷效應(yīng)、裝配誤差、像增強(qiáng)器以及CCD耦合造成整機(jī)動(dòng)態(tài)空間分辨能力下降,最終導(dǎo)致動(dòng)態(tài)時(shí)間分辨率實(shí)測(cè)值低于理論計(jì)算值.

4.4 掃描非線(xiàn)性

計(jì)算圖13紅色框選部分的強(qiáng)度分布如圖15所示,掃描速度非線(xiàn)性由(1)式給出Li為第i個(gè)峰值間距值,為脈沖間距的平均值,代入圖15中的數(shù)值計(jì)算得掃描速度非線(xiàn)性σ=2.84%.

4.5 動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試

采用分別計(jì)量最強(qiáng)信號(hào)和最弱信號(hào)強(qiáng)度之比的方法計(jì)算條紋相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍.圖13中紅色框選部分掃描圖像強(qiáng)度分布曲線(xiàn)如圖16所示.其中,條紋相機(jī)可探測(cè)最強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度Imax=516.6,最小信號(hào)強(qiáng)度Imin=104,背景噪聲Ib=102.8,則小型條紋相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍D為

表1 小型條紋相機(jī)性能參數(shù)Table 1.Parameters of the small-size streak camera.

圖15 掃描非線(xiàn)性測(cè)試結(jié)果Fig.15.Results of scanning nonlinearity test.

圖16 動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試結(jié)果Fig.16.Results of dynamic range test.

5 結(jié) 論

本文針對(duì)條紋管激光成像雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用需求,設(shè)計(jì)了一種高邊緣空間分辨率、高亮度增益和高時(shí)間分辨率的小型條紋變像管,在此基礎(chǔ)上研制了一款小型條紋相機(jī),具體性能參數(shù)見(jiàn)表1.采用球面光電陰極和球面熒光屏,陰極中心電子欠聚焦、邊緣電子過(guò)聚焦的方法將條紋變像管的探測(cè)面積由10 mm×2 mm增大到16 mm×2 mm.設(shè)計(jì)加速電壓高達(dá)?15 kV和放大倍率為0.76的像縮小型條紋變像管提高了條紋相機(jī)的亮度增益.采用狹縫柵極代替?zhèn)鹘y(tǒng)條紋管的加速電極,提高了條紋相機(jī)的電耐性和可靠性.針對(duì)不同的探測(cè)視場(chǎng)和景深需求,相機(jī)設(shè)置了6個(gè)不同的掃描檔位.整個(gè)條紋管的尺寸僅為Φ40 mm×140 mm.條紋相機(jī)整機(jī)測(cè)試中,在陰極有效面積16 mm×2 mm內(nèi),條紋相機(jī)光陰極邊緣靜態(tài)和動(dòng)態(tài)空間分辨率分別為15 lp/mm@CTF=11.64%和9.8 lp/mm@CTF=5.51%.時(shí)間分辨率高于54.6 ps@Tscreen=4.3 ns;動(dòng)態(tài)范圍高于345:1@54.6 ps.結(jié)果顯示該條紋相機(jī)在無(wú)人機(jī)載或衛(wèi)星搭載激光成像雷達(dá)探測(cè)中具有很好的應(yīng)用前景.