基于自動(dòng)亮度控制模型的門(mén)控型微光像增強(qiáng)器熒光屏亮度研究

孫默涵，錢蕓生，任瑩楠，智強(qiáng)，孔祥宇，郎怡政

（1 南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，南京210094）

（2 微光夜視技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710065）

0 引言

微光像增強(qiáng)器是夜間戰(zhàn)場(chǎng)的一種重要武器裝備，從一代像增強(qiáng)器出現(xiàn)，經(jīng)過(guò)二代、超二代像增強(qiáng)器的發(fā)展，到目前各軍事國(guó)家三代像增強(qiáng)器裝備的普及，以及美國(guó)四代像增強(qiáng)器產(chǎn)品的出現(xiàn)［1-3］，微光像增強(qiáng)器技術(shù)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。微光像增強(qiáng)器能將微弱的可見(jiàn)光圖像增強(qiáng)為人眼可見(jiàn)的亮度圖像。微光像增強(qiáng)器通常由光電陰極、微通道板（Microchannel Plate，MCP）、熒光屏和適配的專用電源組成，其中光電陰極、MCP 和熒光屏構(gòu)成微光像增強(qiáng)器的光學(xué)組件部分，而與之適配的專用電源除了為微光像增強(qiáng)器提供各電極必要的穩(wěn)定電壓，還必須具有自動(dòng)亮度控制（Automatic Brightness Control，ABC）功能和強(qiáng)光保護(hù)功能，以確保熒光屏亮度保持穩(wěn)定適合人眼觀察，同時(shí)保護(hù)光電陰極在高照度下免受損壞［4-5］。應(yīng)用于光電陰極與MCP 之間的門(mén)控電源是實(shí)現(xiàn)像增強(qiáng)器強(qiáng)光保護(hù)的重要部分，主要特征是以脈沖（Pulse width Modulation，PWM）高壓取代傳統(tǒng)直流高壓，僅在脈沖持續(xù)期間才有光電子通過(guò)，實(shí)現(xiàn)電子流的開(kāi)關(guān)操作［6-7］。國(guó)內(nèi)學(xué)者目前對(duì)自動(dòng)門(mén)控電源性能的測(cè)試研究主要集中在測(cè)試微光像增強(qiáng)器的動(dòng)態(tài)范圍、信噪比等指標(biāo)［8-9］，但缺少與之相關(guān)的自動(dòng)亮度控制模型以及反映其強(qiáng)光保護(hù)效果的測(cè)試指標(biāo)。

基于目前國(guó)內(nèi)微光像增強(qiáng)器用門(mén)控電源缺少理論模型支撐和測(cè)試指標(biāo)的現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一種高照度自動(dòng)亮度控制模型，并提出了響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間兩個(gè)測(cè)試指標(biāo)，來(lái)反映門(mén)控電源微光像管在突發(fā)強(qiáng)光環(huán)境下，強(qiáng)光保護(hù)電路產(chǎn)生效果的速度以及熒光屏亮度穩(wěn)定到適合人眼觀看的時(shí)間，并對(duì)微光夜視技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室制作的自動(dòng)門(mén)控電源像增強(qiáng)器進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了測(cè)試方法的有效性。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及基本原理

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

熒光屏亮度測(cè)試裝置主要由光源組件、電動(dòng)光闌、電動(dòng)衰減片、光快門(mén)、測(cè)試暗箱、光伏電池、信號(hào)采集模塊、工控計(jì)算機(jī)和電源模塊組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示，測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 The system block diagram

圖2 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.2 The picture of the test system

其工作過(guò)程為：實(shí)驗(yàn)時(shí)，光源系統(tǒng)處于常亮狀態(tài)，通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)光闌及電動(dòng)衰減片使光源系統(tǒng)積分球出口處輸出200 lx 的穩(wěn)定光源；通過(guò)上位機(jī)軟件和光快門(mén)控制器控制光快門(mén)的開(kāi)閉，使置于測(cè)試暗箱的待測(cè)像增強(qiáng)器間歇處于200 lx 的強(qiáng)光照射下；信號(hào)采集模塊將熒光屏亮度信號(hào)集到的上位機(jī)，并進(jìn)行顯示，最后計(jì)算出響應(yīng)時(shí)間及穩(wěn)定時(shí)間。

1.2 門(mén)控電源

門(mén)控電源，是微光像增強(qiáng)器發(fā)展與應(yīng)用的一個(gè)重要方向［10-11］，主要是通過(guò)MCP 電壓調(diào)節(jié)與光電陰極電壓脈寬調(diào)節(jié)［12］相結(jié)合的方式來(lái)增加光電陰極的照度適應(yīng)范圍。在陰極和MCP 之間加負(fù)電壓時(shí)，其工作原理如圖3（a）所示，光電子由光電陰極發(fā)射到達(dá)MCP 輸入端并進(jìn)入通道倍增，最后在熒光屏和MCP 輸出端之間正電場(chǎng)的作用下到達(dá)熒光屏；當(dāng)電壓方向反轉(zhuǎn)，即在陰極和MCP 之間加正電壓時(shí)，情況如圖3（b）所示，陰極發(fā)射的電子在逆電場(chǎng)的作用下未能到達(dá)MCP 輸入端，因此沒(méi)有二次電子轟擊熒光屏?？梢?jiàn)，通過(guò)控制光電陰極電壓的正負(fù)極性，就能控制光電陰極到MCP 輸入端電子的流動(dòng)，起到電子快門(mén)［13］的作用?；谝陨显恚拇裨鰪?qiáng)器使用的門(mén)控電源［14］在管體的電極上施加受控的門(mén)控脈沖電壓，而不是固定的電壓。按選通脈沖施加位置的不同，可以分為陽(yáng)極（即熒光屏）門(mén)控、MCP 門(mén)控和光陰極門(mén)控。門(mén)控驅(qū)動(dòng)后，管體電極間的加速電場(chǎng)不再是固定的，而是受控于門(mén)控信號(hào)，這樣像增強(qiáng)器就只在門(mén)控信號(hào)出現(xiàn)時(shí)工作，而沒(méi)有門(mén)控信號(hào)的時(shí)候像增強(qiáng)器不工作［5］。

圖3 光電陰極電子發(fā)射與驅(qū)動(dòng)電壓極性的關(guān)系Fig.3 The relation between electron emitting of photocathode and working voltage polarity

1.3 熒光屏信號(hào)采集裝置

進(jìn)行門(mén)控電源微光像增強(qiáng)器響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試時(shí)，像增強(qiáng)器熒光屏的亮度信號(hào)是由光電池采集并轉(zhuǎn)化為微小光電流信號(hào)，故需將此電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并放大；同時(shí)像增強(qiáng)器的響應(yīng)時(shí)間在ms 級(jí)，采樣模塊的采樣頻率設(shè)置為20 480 Hz，因此放大電路需要足夠大的帶寬，本實(shí)驗(yàn)裝置采用了11 MHz 帶寬的放大器OPA2140，并設(shè)計(jì)了如圖4所示電路。

圖4 電流轉(zhuǎn)電壓放大電路Fig.4 Current to voltage amplifier circuit

2 高照度自動(dòng)亮度控制模型建立

假設(shè)入射光照度為S0，建立像增強(qiáng)器連讀的主要影響因素的關(guān)系示意圖如圖5所示。

圖5 像增強(qiáng)器亮度的主要影響因素關(guān)系示意圖Fig.5 Schematic diagram of the relationship between the main factors affecting the brightness of the image intensifier

假設(shè)各級(jí)單元的準(zhǔn)確函數(shù)為Fk(k=1，2，3，4)，則各級(jí)信號(hào)Sk關(guān)系為

取各增量最大值，若第n個(gè)最大，則將該變量更新，其他不變。至此模型建立完成。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 強(qiáng)光響應(yīng)時(shí)間及穩(wěn)定時(shí)間測(cè)試原理

強(qiáng)光響應(yīng)時(shí)間是反映像增強(qiáng)器強(qiáng)光保護(hù)技術(shù)是否有效及其性能的重要指標(biāo)，它定義為：在規(guī)定的工作電壓下，像增強(qiáng)器陰極前端從微光照度環(huán)境突變到高照度條件環(huán)境（一般為200 lx），門(mén)控電源開(kāi)始工作使熒光屏亮度降低，從高照度環(huán)境的峰值時(shí)刻開(kāi)始，到熒光屏亮度下降到最大亮度峰值的90%所需要的時(shí)間即為強(qiáng)光響應(yīng)時(shí)間，也是強(qiáng)光保護(hù)措施的工作時(shí)間。強(qiáng)光響應(yīng)時(shí)間越短，則表示像增強(qiáng)器強(qiáng)光保護(hù)性能越好。此時(shí)，強(qiáng)光響應(yīng)時(shí)間TR可表示為

式中，T2為強(qiáng)光目標(biāo)照度達(dá)到峰值的時(shí)刻，T1為像增強(qiáng)器在強(qiáng)光保護(hù)方法的作用下降低熒光屏亮度到最大亮度峰值的90%的時(shí)刻。

熒光屏亮度在下降到最低點(diǎn)后會(huì)有一個(gè)回沖的過(guò)程，熒光屏?xí)砂底兞?，?jīng)過(guò)一段時(shí)間穩(wěn)定，強(qiáng)光穩(wěn)定時(shí)間定義為熒光屏亮度最高點(diǎn)的時(shí)刻T1′到亮度穩(wěn)定時(shí)刻T2′的時(shí)間，穩(wěn)定時(shí)間Ts可表示為

穩(wěn)定時(shí)間越短說(shuō)明熒光屏亮度到達(dá)人眼適合觀察的穩(wěn)定亮度的速度越快。

3.2 模型仿真

實(shí)際電路中無(wú)法直接使用熒光屏亮度進(jìn)行信號(hào)反饋，而熒光屏亮度Lp和熒光屏電流Ip有

在陽(yáng)極電壓Vp、熒光屏發(fā)光效率η和熒光屏面積Ap都為固定值時(shí)，Ip和Lp有唯一線性對(duì)應(yīng)關(guān)系［15］。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將陰極電壓與熒光屏電壓設(shè)為定值，則根據(jù)式熒光屏電流的理論公式［15］有

式中，對(duì)于同一樣本，Sc·Ac為常數(shù)，則計(jì)k=Sc·Ac。而微通道板［16］電流增益G有

式中，C為常數(shù)，對(duì)未經(jīng)電子清刷的MCP，C＝8.5，對(duì)清刷過(guò)的MCP，C＝9.5～10；α為MCP 長(zhǎng)徑比，對(duì)于5 μm通道板，α在50～56 之間。取α=50，C=10，則有

表1 為某型號(hào)像管熒光屏亮度測(cè)試結(jié)果，將數(shù)據(jù)代入式（22）?？晒浪愠鰇p·k≈2.16，則有

表1 某型號(hào)像管熒光屏亮度測(cè)試結(jié)果Table 1 Experiment results of screen brightness for an image intensifier

將式（23）代入式（14）模型，選取的迭代方式為占空比按比例調(diào)節(jié)d[k+1]=kd·d[k]；MCP 電壓按固定步長(zhǎng)調(diào)節(jié)Vmcp[k+1]=Vmcp[k]±ΔVmcp，并在接近目標(biāo)值S4′時(shí)改為較小的步長(zhǎng)ΔVmcp′。在此迭代控制方式下，改變不同的kd和ΔVmcp，ΔVmcp′，可得到如圖6 曲線。

由圖6 可以發(fā)現(xiàn)，響應(yīng)時(shí)間會(huì)隨著kd，ΔVmcp的增大而減小，但在kd，ΔVmcp過(guò)大時(shí)，會(huì)造成熒光屏亮度快速下降到低于目標(biāo)值的水平，導(dǎo)致后續(xù)需要通過(guò)ΔVmcp′的小步長(zhǎng)對(duì)MCP 電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣就會(huì)增加熒光屏的穩(wěn)定時(shí)間；而穩(wěn)定時(shí)間會(huì)隨ΔVmcp′的增大而減小，但ΔVmcp′過(guò)大時(shí)會(huì)導(dǎo)致熒光屏亮度在一個(gè)范圍內(nèi)不停震蕩。因此要使熒光屏亮度有快速的響應(yīng)和穩(wěn)定，控制步長(zhǎng)的選擇至關(guān)重要。

圖6 各參數(shù)不同步長(zhǎng)變化下的熒光屏亮度仿真曲線Fig.6 Simulation curve of screen brightness under different parameter length change

3.3 熒光屏亮度測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試流程，對(duì)a、b、c三種不同型號(hào)的像管進(jìn)行測(cè)試，各樣品主要有以下不同：a樣品的門(mén)控電源頻率為160 Hz，b、c樣品的門(mén)控電源頻率為500 Hz；a、b樣品的控制方式為陰極脈寬與MCP 電壓同時(shí)下降，c樣品的控制方式為先降MCP 電壓再調(diào)整陰極脈寬。圖7 中的（a）、（b）、（c）分別代表樣品a、樣品b、樣品c的熒光屏亮度實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖7 三種像管熒光屏亮度實(shí)驗(yàn)結(jié)果及回沖過(guò)程放大圖Fig.7 Experiment results of screen brightness for three kinds of image intensifier and enlarged view of rebound process

可以看出，因陰極脈沖信號(hào)的影響，熒光屏的亮度在以一個(gè)固定頻率閃爍，a管為160 Hz，b，c管為500 Hz，為符合人眼所見(jiàn)亮度，分別對(duì)三個(gè)像管的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行均值濾波，窗口大小為門(mén)控電源信號(hào)的周期，得到圖8，其中圖8（a）、（b）、（c）分別代表樣品a、樣品b、樣品c實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均值濾波后的曲線及其局部放大圖；同時(shí)圖中熒光屏亮度在下降到最低點(diǎn)后會(huì)有一個(gè)回沖的過(guò)程，熒光屏?xí)砂底兞?，?jīng)過(guò)一段時(shí)間變穩(wěn)定，將熒光屏亮度最高點(diǎn)的時(shí)刻到亮度穩(wěn)定時(shí)刻的時(shí)間記為穩(wěn)定時(shí)間（Stabilization time）。

圖8 三種像管熒光屏亮度均值濾波結(jié)果及回沖過(guò)程放大圖Fig.8 Mean filtering results of screen brightness for three kinds of image intensifier and enlarged view of rebound process

根據(jù)均值濾波后的曲線進(jìn)行響應(yīng)時(shí)間與穩(wěn)定時(shí)間的計(jì)算，得到三種像管響應(yīng)時(shí)間及穩(wěn)定時(shí)間的數(shù)據(jù)，如表2所示。

根據(jù)圖7～8 曲線與表2 的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)：

表2 三種像管響應(yīng)時(shí)間及穩(wěn)定時(shí)間結(jié)果Table 2 Response time and stabilization time of three kinds of image intensifier

1）熒光屏在門(mén)控電源的作用下不停閃爍，閃爍頻率與門(mén)控電源信號(hào)頻率有關(guān)，門(mén)控電源信號(hào)頻率較低會(huì)造成強(qiáng)光來(lái)臨時(shí)刻門(mén)控電源信號(hào)的占空比調(diào)節(jié)不及時(shí)，導(dǎo)致Vmcp被持續(xù)拉低；

2）對(duì)于三個(gè)樣本，因?yàn)閷?shí)際使用過(guò)程中，電路的實(shí)際運(yùn)作存在延遲以及過(guò)沖等種種現(xiàn)象，所以仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)存在偏差，但變化趨勢(shì)上兩者是一致的，熒光屏亮度在強(qiáng)光來(lái)臨時(shí)迅速上升，隨后迅速變暗，最后進(jìn)行一段時(shí)間的緩慢回升，達(dá)到穩(wěn)定點(diǎn)；

3）對(duì)于樣本a，響應(yīng)時(shí)間最快，穩(wěn)定時(shí)間最長(zhǎng)，并且亮度穩(wěn)定之后仍然有一定頻率的震蕩，這與ΔVmcp′較大的情況相一致。同時(shí)其門(mén)控電源脈沖頻率最小，小于Vmcp的反饋速度，也會(huì)導(dǎo)致Vmcp不停變化，使熒光屏亮度不斷變化；

4）對(duì)于a，b，c樣品，相同的門(mén)控電源脈沖頻率，不同的控制步長(zhǎng)情況下，響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間呈反比趨勢(shì)。參照仿真曲線圖6，響應(yīng)時(shí)間越小說(shuō)明占空比及MCP 電壓調(diào)節(jié)步長(zhǎng)較大，導(dǎo)致后續(xù)的回升階段需要更多次的迭代達(dá)到穩(wěn)定，所以穩(wěn)定時(shí)間隨響應(yīng)時(shí)間的增大而減小。

4 結(jié)論

基于國(guó)內(nèi)關(guān)于門(mén)控電源微光像增強(qiáng)器缺少自動(dòng)亮度控制模型和評(píng)價(jià)測(cè)試指標(biāo)的現(xiàn)狀，根據(jù)熒光屏亮度理論公式，設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)亮度控制模型，進(jìn)行了仿真研究，制作了熒光屏亮度測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)試微光夜視技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室制作的自動(dòng)門(mén)控電源微光像增強(qiáng)器的響應(yīng)時(shí)間以及穩(wěn)定時(shí)間，驗(yàn)證了模型的可行性，并分析了控制方案的不同對(duì)響應(yīng)時(shí)間以及穩(wěn)定時(shí)間的影響，對(duì)后續(xù)的微光像增強(qiáng)器用門(mén)控電源的研究具有指導(dǎo)意義。