基于自動(dòng)門控電源的微光像增強(qiáng)器局部強(qiáng)光防護(hù)

延 波，倪小兵，智 強(qiáng)，劉佳音，宋海浩，李夢(mèng)依

〈微光技術(shù)〉

基于自動(dòng)門控電源的微光像增強(qiáng)器局部強(qiáng)光防護(hù)

延 波1,2，倪小兵1,2，智 強(qiáng)1,2，劉佳音1,2，宋海浩1,2，李夢(mèng)依1,2

（1. 微光夜視技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；2. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

自動(dòng)門控電源作為微光像增強(qiáng)器的能量來源，其局部強(qiáng)光防護(hù)方法研究對(duì)完善自動(dòng)門控電源控制策略、提升微光像增強(qiáng)器強(qiáng)光使用性能具有重要意義。分析了匹配傳統(tǒng)直流高壓電源與自動(dòng)門控電源的微光像增強(qiáng)器大動(dòng)態(tài)照度范圍應(yīng)用的優(yōu)劣勢(shì)，提出了一種能夠使微光像增強(qiáng)器兼具高照度應(yīng)用和低照度局部強(qiáng)光防護(hù)能力的自動(dòng)門控電源設(shè)計(jì)思路，并給出了自動(dòng)門控電源電路的控制策略實(shí)現(xiàn)方法。

自動(dòng)門控電源；像增強(qiáng)器；自動(dòng)亮度控制；陰極脈沖占空比；局部強(qiáng)光防護(hù)

0 引言

復(fù)雜照明環(huán)境下，強(qiáng)光防護(hù)技術(shù)是防止微光像增強(qiáng)器飽和、失效和損壞的有效手段。微光像增強(qiáng)器領(lǐng)域的強(qiáng)光防護(hù)概念，主要針對(duì)的是低照度下的亮光源防護(hù)，即在光陰極1mm2上，施加0.05lm的光通量（約5×104lx照度），持續(xù)60s。之后，在室溫放置24h，微光像增強(qiáng)器不應(yīng)損壞，無陰影現(xiàn)象。

目前根據(jù)適用環(huán)境不同，強(qiáng)光防護(hù)技術(shù)主要涉及兩個(gè)概念：微光像增強(qiáng)器在高照度下的應(yīng)用和低照度下的亮光源防護(hù)或局部強(qiáng)光防護(hù)。

基于傳統(tǒng)直流高壓電源的微光像增強(qiáng)器只能應(yīng)用于低照度環(huán)境，該照度環(huán)境下具有強(qiáng)光防護(hù)功能或亮光源防護(hù)（Bright source protection，BSP）功能，但不具有在高照度條件應(yīng)用能力；目前基于自動(dòng)門控電源的微光像增強(qiáng)器能夠應(yīng)用于大動(dòng)態(tài)范圍照度環(huán)境，尤其是高照度環(huán)境，但其在低照度環(huán)境下的局部強(qiáng)光防護(hù)能力相對(duì)較弱[1]。

目前自動(dòng)門控電源技術(shù)已經(jīng)得到突破，使得微光像增強(qiáng)器能夠在高照度環(huán)境下使用，但其在低照度下的局部強(qiáng)光防護(hù)技術(shù)還需進(jìn)一步深入開展研究。

本課題開展陰極脈沖工作方式強(qiáng)光防護(hù)方法研究，就是為了探索一種能夠使微光像增強(qiáng)器兼具高照度應(yīng)用和低照度局部強(qiáng)光防護(hù)的方法，降低基于自動(dòng)門控電源的微光像增強(qiáng)器在高照度應(yīng)用和低照度局部強(qiáng)光環(huán)境下的損傷，實(shí)現(xiàn)微光像增強(qiáng)器在復(fù)雜照度環(huán)境中的可靠應(yīng)用。

1 直流高壓電源與自動(dòng)門控電源的工作原理

基于直流高壓電源的微光像增強(qiáng)器工作原理：將微光像增強(qiáng)器熒光屏微電流作為反饋信號(hào)，自動(dòng)調(diào)控微通道板（Microchannel plate，MCP）電壓控制微光像增強(qiáng)器MCP的電子倍增效率，從而實(shí)現(xiàn)微光像增強(qiáng)器熒光屏亮度的基本恒定，如圖1所示，圖1中上半部分為像管的主要組成，下半部分為直流高壓電源的主要組成。

圖1 基于直流高壓電源的微光像增強(qiáng)器工作原理

傳統(tǒng)的直流高壓電源的強(qiáng)光防護(hù)，主要是通過電阻分壓的方式，利用光陰極電流隨光照強(qiáng)度增加的特性，當(dāng)環(huán)境照度增加時(shí)，光陰極電流增大，串聯(lián)于直流高壓電源與光陰極之間的防護(hù)電阻的分壓增大，使得施加于光陰極的實(shí)際電壓減小，從而實(shí)現(xiàn)光陰極的強(qiáng)光防護(hù)。當(dāng)光陰極電流繼續(xù)增加時(shí)，施加于光陰極端的電壓幾乎為零，微光像增強(qiáng)器則無法正常工作[2-3]。

基于自動(dòng)門控電源的微光像增強(qiáng)器工作原理：將微光像增強(qiáng)器熒光屏微電流作為反饋信號(hào)，一方面自動(dòng)調(diào)控MCP電壓控制微光像增強(qiáng)器MCP的電子倍增效率；另一方面自動(dòng)調(diào)整陰極高壓脈沖寬度，控制微光像增強(qiáng)器在單位時(shí)間內(nèi)從光陰極發(fā)射并到達(dá)MCP輸入面的電子數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)微光像增強(qiáng)器熒光屏亮度的基本恒定[4]，如圖2所示，圖2中上半部分為像管的簡單組成，下半部分為自動(dòng)門控電源的主要組成。

自動(dòng)門控電源設(shè)計(jì)之初，主要是在高照度環(huán)境下應(yīng)用的，其通過高壓脈沖占空比調(diào)節(jié)代替陰極直流電壓，使得微光像增強(qiáng)器的應(yīng)用范圍由幾勒克斯的最大照度，延伸到現(xiàn)在的近105lx的照度，同時(shí)由于微光像增強(qiáng)器的陰極工作在脈沖狀態(tài)，基本保證了微光像增強(qiáng)器的高照度分辨力，即高照度環(huán)境下微光像增強(qiáng)器能夠正常工作，這是使用自動(dòng)門控電源的優(yōu)勢(shì)之處[5]。

圖2 基于自動(dòng)門控電源的微光像增強(qiáng)器工作原理

自動(dòng)門控電源技術(shù)作為一項(xiàng)新的微光像增強(qiáng)器供電控制技術(shù)，目前技術(shù)電路實(shí)現(xiàn)方式已經(jīng)突破，但與微光像增強(qiáng)器的匹配性方面還存在一定不足，尤其在低照度環(huán)境下遇到局部強(qiáng)光時(shí)的控制策略，還需要進(jìn)一步統(tǒng)籌優(yōu)化，即開展脈沖工作模式時(shí)的強(qiáng)光防護(hù)方法研究。

2 基于自動(dòng)門控電源的微光像增強(qiáng)器局部強(qiáng)光防護(hù)分析

2.1 技術(shù)難點(diǎn)及分析

1）受體積限制，不能額外增加電路，盡力在現(xiàn)有電路基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)；

2）微光像增強(qiáng)器無法進(jìn)行局部強(qiáng)光判斷，即無法通過電路對(duì)局部強(qiáng)光區(qū)域相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整；

在自動(dòng)門控電源中，如果直接參考傳統(tǒng)直流高壓電源，采用串聯(lián)電阻方式實(shí)現(xiàn)低照度的局部強(qiáng)光防護(hù)，在低照度環(huán)境下效果會(huì)相對(duì)有效，但高照度時(shí)由于串聯(lián)電阻分壓，光陰極端電壓會(huì)顯著下降，造成光陰極發(fā)射電子無法到達(dá)MCP，即分辨力下降，使基于自動(dòng)門控電源的微光像增強(qiáng)器在高照度條件下無法正常工作。

采取調(diào)整串聯(lián)電阻阻值方法，同樣達(dá)不到強(qiáng)光防護(hù)要求。因電阻阻值太小，則低照度環(huán)境下的強(qiáng)光防護(hù)效果會(huì)減弱；高照度環(huán)境下，照度會(huì)相對(duì)增加，到一定值時(shí)，光陰極端電壓同樣會(huì)下降，同樣會(huì)造成微光像增強(qiáng)器無法正常工作。如果串聯(lián)電阻太大，則低照度環(huán)境下的強(qiáng)光防護(hù)效果會(huì)比較好，但高照度環(huán)境下，光陰極端電壓相對(duì)會(huì)下降更多，相比在更低照度下就會(huì)造成微光像增強(qiáng)器無法正常工作。

基于上述分析，通過簡單的電阻調(diào)整優(yōu)化，無法達(dá)到強(qiáng)光防護(hù)目的，需通過研究微光像增強(qiáng)器強(qiáng)光損傷的機(jī)理，對(duì)大動(dòng)態(tài)照度范圍內(nèi)的高低照度下的控制策略，尤其是低照度下的控制策略進(jìn)行重新計(jì)算、優(yōu)化，進(jìn)而最大限度降低損傷。

2.2 技術(shù)途徑及可行性分析

如果在低照度環(huán)境下使用串聯(lián)電阻的方法，在高照度環(huán)境下使用自動(dòng)門控的方法，即采用不同的控制方法對(duì)應(yīng)不同的控制策略，因自動(dòng)門控電源的自動(dòng)亮度控制（automatic brightness control，ABC）功能是通過控制微光像增強(qiáng)器亮度增益來實(shí)現(xiàn)熒光屏亮度穩(wěn)定控制的，因此控制策略的不同需要通過微光像增強(qiáng)器的增益公式對(duì)高低照度下的過程數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算[6]，具體如下。

2.2.1 ABC功能啟動(dòng)點(diǎn)計(jì)算

目前微光像增強(qiáng)器亮度增益一般調(diào)節(jié)為12000cd×m－2×lx－1，該狀態(tài)下的測(cè)試照度i為2×10－5lx，對(duì)應(yīng)的微光像增強(qiáng)器熒光屏亮度約0.24cd×m－2；當(dāng)ABC功能啟動(dòng)時(shí)，微光像增強(qiáng)器的熒光屏亮度一般調(diào)節(jié)為6cd×m－2，此時(shí)對(duì)應(yīng)的陽極電流約60nA，對(duì)應(yīng)的光陰極面照度q＝/，約5×10－4lx，說明ABC功能在光陰極面照度大于約5×10－4lx時(shí)，即會(huì)啟動(dòng)。

高照度環(huán)境下，自動(dòng)門控電源的ABC功能必然處于啟動(dòng)狀態(tài)，自動(dòng)門控電源能夠通過自動(dòng)調(diào)整MCP電壓和陰極脈沖占空比，實(shí)現(xiàn)微光像增強(qiáng)器熒光屏亮度的基本穩(wěn)定。

2.2.2 熒光屏電流計(jì)算及影響參數(shù)分析

微光像增強(qiáng)器熒光屏電流與光陰極靈敏度、光陰極面積、光陰極面照度、陰極脈沖占空比、微通道板電流增益等因素有關(guān)[7]，其關(guān)系可表示為：

ca＝ca×ca×××p(1)

式中：ca為熒光屏電流，也稱陽極電流；ca為光陰極靈敏度，而陰極靈敏度是在固定電壓下測(cè)量得到，其與陰極電壓ca有關(guān)，可表示為ca(ca)，陰極電壓固定時(shí)為定值；ca為光陰極有效面積，為定值2.54cm2；為光陰極光輸入照度；為陰極脈沖占空比；p為MCP電流增益，是與MCP電壓p有關(guān)的函數(shù)，可表示為p(p)。

熒光屏電流ca的主要影響因素就是MCP電流增益p、陰極靈敏度ca、光陰極面照度。

從公式(1)可知，光陰極面積和靈敏度均為定值，而陽極電流在ABC功能啟動(dòng)后近似不變，則上式中只要光陰極面照度不發(fā)生變化，則MCP電流增益p、陰極脈沖占空比都不會(huì)變化。

2.2.3 高照度環(huán)境強(qiáng)光防護(hù)技術(shù)途徑

環(huán)境照度為200lx，是微光像增強(qiáng)器高照度分辨力的測(cè)試條件[8]。

假定上述測(cè)試條件下，陽極電流ca為60nA，陰極靈敏度ca為1800mA×lm－1，陰極脈沖占空比為0.05%，根據(jù)公式(1)可計(jì)算得到MCP的電流增益p為：

計(jì)算得到的MCP電流增益約1.31，即MCP輸出與MCP輸入的電流比為1.31，說明MCP已經(jīng)處于飽和狀態(tài)，MCP電流增益的計(jì)算值越低，說明MCP電子倍增的效果越差。

如果200lx環(huán)境照度中，一旦出現(xiàn)強(qiáng)亮光源，則照度必然發(fā)生變化，自動(dòng)門控電源在ABC功能作用下就會(huì)自動(dòng)調(diào)整陰極脈沖占空比和MCP電壓，占空比的減小和MCP電壓的降低，都會(huì)減少微光像增強(qiáng)器在單位時(shí)間內(nèi)的高照度工作時(shí)間，尤其占空比降低到最小時(shí)，相比光陰極處于直流工作狀態(tài)，光陰極單位時(shí)間內(nèi)的工作時(shí)間能夠降到0.05%，說明自動(dòng)門控電源占空比值越小，對(duì)高照度或強(qiáng)光的防護(hù)效果越明顯。

微光像增強(qiáng)器本身屬于低照度探測(cè)器件，雖然采用自動(dòng)門控電源后，能夠使微光像增強(qiáng)器應(yīng)用于高照度環(huán)境下，主要是為了避免復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中出現(xiàn)局部強(qiáng)光，引起微光像增強(qiáng)器自身防護(hù)而形成致盲現(xiàn)象，同時(shí)微光像增強(qiáng)器在高照度環(huán)境下應(yīng)用時(shí)，即使單位時(shí)間內(nèi)的工作時(shí)間很短，但依然還是高照度工作環(huán)境，因此應(yīng)該盡量減少微光像增強(qiáng)器在高照度環(huán)境下的長時(shí)間使用。

在高照度環(huán)境中，即使出現(xiàn)強(qiáng)光，強(qiáng)光與環(huán)境照度的對(duì)比也相對(duì)較弱，且有自動(dòng)門控防護(hù)，而在低照度環(huán)境中，一旦出現(xiàn)局部強(qiáng)光，局部強(qiáng)光與環(huán)境照度的對(duì)比會(huì)很明顯，此時(shí)自動(dòng)門控電源的占空比還不可能降低到最小，或可能占空比調(diào)節(jié)還未啟動(dòng)，因此相對(duì)而言對(duì)在低照度下的強(qiáng)光防護(hù)效果會(huì)較弱，這也是為什么強(qiáng)光防護(hù)主要針對(duì)低照度環(huán)境的原因。

因此，高照度環(huán)境局部強(qiáng)光防護(hù)實(shí)現(xiàn)途徑，主要是降低光陰極單位時(shí)間內(nèi)的工作時(shí)間，在自動(dòng)門控電源的設(shè)計(jì)方面，就是降低陰極脈沖頻率、減小陰極最小脈沖寬度，即增大陰極脈沖占空比的調(diào)節(jié)范圍，如：占空比范圍從100%～1%調(diào)整為100%～0.5%。

2.2.4 低照度環(huán)境局部強(qiáng)光防護(hù)技術(shù)途徑

低照度環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)局部強(qiáng)光防護(hù)主要有兩個(gè)途徑：

途徑①：使陰極脈沖占空比調(diào)節(jié)功能前移，通過降低微光像增強(qiáng)器在單位時(shí)間內(nèi)的工作時(shí)間來實(shí)現(xiàn)光陰極防護(hù)。

途徑②：采用與直流高壓電源類似的方式，通過降低光陰極電壓來實(shí)現(xiàn)光陰極防護(hù)，但不是簡單的采用串聯(lián)電阻方式，需要與陰極高壓脈沖結(jié)合。低照度時(shí)，陰極高壓脈沖的負(fù)壓通過電阻供給光陰極；高照度時(shí)，陰極高壓脈沖與現(xiàn)有自動(dòng)門控電源控制策略相同，同上述2.2.3分析。

1）途徑①可行性分析

途徑①可以減小微光像增強(qiáng)器在單位時(shí)間內(nèi)的工作時(shí)間，但是陰極脈沖占空比調(diào)節(jié)的弊端，會(huì)造成微光像增強(qiáng)器在低照度環(huán)境中信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)指標(biāo)下降[9]，具體見圖3。

圖3 信噪比隨陰極占空比變化曲線

上述分析說明，通過陰極脈沖占空比調(diào)節(jié)功能前移的方法，在低照度條件下對(duì)光陰極有一定防護(hù)作用，但會(huì)使微光像增強(qiáng)器的信噪比有適當(dāng)下降，因此途徑①不是已知辦法中最好的選擇。

2）途徑②可行性分析

目前自動(dòng)門控電源陰極高壓脈沖采用的是圖4所示電路原理[10]（不包括R1），V-P端實(shí)線波形為P-MOS管3個(gè)周期的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，P-MOS管的導(dǎo)通電平為低電平，占空比分別為25%、50%、75%；V-N端實(shí)線波形為N-MOS管3個(gè)周期的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，N-MOS管的導(dǎo)通電平為高電平，占空比分別為75%、50%、25%；V-P和V-N在兩端驅(qū)動(dòng)信號(hào)共同作用下實(shí)現(xiàn)陰極高壓脈沖輸出，－400V為光陰極工作的有效電平，形成陰極高壓脈沖的占空比分別為75%、50%、25%。

在N-MOS管漏極和源極之間并聯(lián)電阻1，V-P端的驅(qū)動(dòng)信號(hào)不變，將V-N端的驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)整為圖4中V-N端虛線所示波形，N-MOS管的導(dǎo)通電平依舊為高電平，占空比由75%、50%、25%分別變?yōu)?%、0%、25%，即第1個(gè)、第2個(gè)周期內(nèi)N-MOS管為一直關(guān)閉狀態(tài)，除P-MOS管導(dǎo)通時(shí)，光陰極都是通過電阻1給其供電；第3個(gè)周期內(nèi)占空比為正常狀態(tài)25%。

上述電路分析說明，通過MOS管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)對(duì)微光像增強(qiáng)器光陰極直接施加高壓脈沖，還是通過電阻進(jìn)行供電。說明采用途徑②，從電路實(shí)現(xiàn)方面是可行的。

綜上分析，通過驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)整，能夠控制電阻給光陰極供電的時(shí)間，而通過串聯(lián)電阻方式對(duì)低照度局部強(qiáng)光防護(hù)又是可行的（參考直流高壓電源亮光源防護(hù)），因此采用上述途徑能夠?qū)崿F(xiàn)微光像增強(qiáng)器高低照度下的強(qiáng)光防護(hù)，即高照度環(huán)境應(yīng)用和低照度局部強(qiáng)光防護(hù)。

圖4 陰極高壓脈沖控制原理

3 局部強(qiáng)光防護(hù)試驗(yàn)驗(yàn)證及分析

因基于自動(dòng)門控電源的微光像增強(qiáng)器在高照度環(huán)境下應(yīng)用為已突破技術(shù)，因此本章主要對(duì)低照度局部強(qiáng)光防護(hù)的參數(shù)分析及計(jì)算。

3.1 低照度局部強(qiáng)光分析計(jì)算

以典型的亮光源防護(hù)測(cè)試條件（在光陰極1mm2上，施加0.05lm的光通量）為例進(jìn)行計(jì)算分析，具體如下：

3.1.1 亮光源照度計(jì)算

由光通量等于面積與照度的乘積可知：亮光源照度可表示為：

＝/(2)

計(jì)算得，1mm2光陰極上，施加0.05lm光通量，對(duì)應(yīng)的光照強(qiáng)度為：

3.1.2 光陰極電流計(jì)算

由公式(1)可知：光陰極電流計(jì)算公式可表示為：

ca＝ca×ca×(3)

假定光陰極靈敏度為1800mA/lm；已知光陰極面積為2.54cm2，但光陰極上實(shí)際照射面積為1mm2時(shí)，可知此時(shí)的光陰極電流理論值為：

ca￠＝ca×ca×＝1800×1×10－6×5×104＝90mA

3.1.3 熒光屏電流計(jì)算

在微光像增強(qiáng)器的MCP輸出與熒光屏之間電場(chǎng)不變的前提下，MCP輸出電流mcp與熒光屏電流a近似，而MCP輸出電流又受MCP飽和電流mcp限制，可表示為：

式中：mcp為MCP電壓，最大值不大于1100V，一般選典型工作電壓為825V；mcp為MCP的體電阻，范圍為80～200MW，一般選典型體電阻值為150MW。

由公式(4)，計(jì)算得到MCP的飽和電流mcp為5.5mA，當(dāng)MCP電壓下降時(shí)，MCP的飽和電流mcp也會(huì)隨之線性下降，這也是MCP的顯著特性之一[11-12]。

在1mm2的亮光源條件下，光陰極電流ca￠（90mA）遠(yuǎn)大于MCP的飽和電流mcp（5.5mA），而實(shí)際MCP的最大輸出電流只有5.5mA，在計(jì)算時(shí)需要注意。

因光陰極與MCP為近貼結(jié)構(gòu)，在高壓電場(chǎng)作用下，依然具有很高的分辨力，因此可以忽略光陰極發(fā)射電子的偏轉(zhuǎn)量，即當(dāng)光陰極1mm2的局部電子發(fā)射到MCP輸入面時(shí)也占約1mm2的面積。

因此實(shí)際熒光屏電流值為：

3.1.4 亮光源照射時(shí)的ABC工作狀態(tài)

由于述3.1.3節(jié)可知，給光陰極施加1mm2、0.05lm的光照時(shí)，盡管光陰極電流比較大，但因MCP飽和特性的存在，實(shí)際熒光屏電流約21.6nA，達(dá)不到ABC功能啟動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的陽極電流值60nA。

3.1.5 分析

1）對(duì)于測(cè)試條件的亮光源狀態(tài)，自動(dòng)門控電源的陰極脈沖占空比調(diào)節(jié)還未啟動(dòng)，無法通過調(diào)整陰極占空比的方式來減弱微光像增強(qiáng)器光陰極損傷。

2）即使光陰極施加的局部強(qiáng)光比測(cè)試條件的亮光源照度再高或面積再大，能夠?qū)崿F(xiàn)ABC功能啟動(dòng)，但由于局部強(qiáng)光的局限性，陰極脈沖占空比和MCP電壓都不可能下降到很小，還無法最大限度的防護(hù)光陰極。

上述計(jì)算及分析，借鑒驗(yàn)證了目前技術(shù)狀態(tài)的自動(dòng)門控電源是不具有低照度條件下的局部強(qiáng)光防護(hù)功能的。

3.2 電路參數(shù)確定及驗(yàn)證

電路參數(shù)主要通過亮光源條件下的防護(hù)電阻計(jì)算、光陰極極限損傷電流分析，再進(jìn)行防護(hù)電阻的折衷選擇，最后通過電路功能驗(yàn)證。

3.2.1 亮光源條件防護(hù)電阻計(jì)算

由3.1節(jié)可知，即使亮光源測(cè)試條件下的光陰極電流達(dá)到90mA，依然無法使ABC功能啟動(dòng)，但該條件下由于光陰極的長時(shí)間持續(xù)電子發(fā)射，極有可能造成MCP防離子反饋膜及光陰極損傷。

當(dāng)在亮光源測(cè)試條件下，采用低照度局部強(qiáng)光防護(hù)的技術(shù)途徑②，在自動(dòng)門控電源中NMOS管的漏極與源極之間并聯(lián)一只分壓電阻1，通過電路控制使得低照度狀態(tài)下自動(dòng)門控電源通過該分壓電阻1給光陰極供電，在亮光源測(cè)試條件下光陰極電流為90mA時(shí)，要實(shí)現(xiàn)光陰極防護(hù)，該分壓電阻1的值只需要滿足如下條件：

即分壓電阻1的值大于4.44MW時(shí)，光陰極工作電壓將接近0V，從而減弱光陰極損傷。

3.2.2 光陰極工作電流測(cè)試

在陰極電壓為400V時(shí)，摸底測(cè)試了三代微光像增強(qiáng)器光陰極電流隨光照強(qiáng)度的變化規(guī)律。

1）調(diào)整光照強(qiáng)度，使光陰極電流約20mA時(shí)，在持續(xù)照射條件下，光陰極電流會(huì)出現(xiàn)緩慢下降現(xiàn)象，說明光陰極應(yīng)避免強(qiáng)光照射或工作在大電流狀態(tài)；

2）調(diào)整光照強(qiáng)度，在光陰極電流約1mA時(shí)，持續(xù)光照10min，光陰極電流未見異常，能夠保證相對(duì)穩(wěn)定。

10min的持續(xù)光照，光陰極電流依然能夠穩(wěn)定，說明在光陰極電流值應(yīng)不大于1mA的使用環(huán)境中，光陰極性能不會(huì)發(fā)生明顯變化。

以上光陰極電流為隨機(jī)選取的1只三代微光像增強(qiáng)器的摸底測(cè)試數(shù)據(jù)，不同三代微光像增強(qiáng)器的光陰極電流數(shù)據(jù)會(huì)有所不同，隨著工藝優(yōu)化改進(jìn)，光陰極電流值也會(huì)不同。

以下為了方便計(jì)算，還是選取光陰極電流值為1mA。

3.2.3 防護(hù)電阻選擇

大多數(shù)情況局部強(qiáng)光照度都遠(yuǎn)小于亮光源測(cè)試條件的5×104lx，即光陰極電流值遠(yuǎn)小于90mA，再結(jié)合光陰極電流應(yīng)小于1mA的條件，可初步計(jì)算得到防護(hù)電阻的最小值：

計(jì)算可知，防護(hù)電阻值需大于400MW，同時(shí)在三代微光像增強(qiáng)器性能不下降的前提下，選取的電阻值應(yīng)至少在計(jì)算值的2倍以上，從而更好地減弱光陰極在亮光源條件下的損傷。

最佳電阻選取，需考慮標(biāo)準(zhǔn)電阻檔，還需與三代微光像增強(qiáng)器進(jìn)行多次性能匹配聯(lián)調(diào)試驗(yàn)確定。

3.2.4 電路功能驗(yàn)證

結(jié)合原有自動(dòng)門控電源控制原理，將目前自動(dòng)門控電源的MCP電壓與陰極高壓脈沖的控制曲線設(shè)計(jì)如圖5所示，同時(shí)對(duì)N-MOS管控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，使自動(dòng)門控電源的陰極高壓脈沖按照設(shè)定技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行輸出，即在低照度條件下，N-MOS管與P-MOS管均為關(guān)閉狀態(tài)，光陰極主要通過跨接N-MOS管漏源極之間的防護(hù)電阻提供供電，同時(shí)提供亮光源防護(hù)；當(dāng)照度達(dá)到一定限制時(shí)，自動(dòng)門控電源陰極輸出變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)方波形態(tài)，其驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖6所示。

亮光源實(shí)驗(yàn)過程照片如圖7(a)所示；微光像增強(qiáng)器使用改進(jìn)前自動(dòng)門控電源進(jìn)行亮光源實(shí)驗(yàn)后，會(huì)出現(xiàn)如圖7(b)所示的約1mm2的陰影斑現(xiàn)象；按照上述控制曲線及驅(qū)動(dòng)方式，再經(jīng)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)，該自動(dòng)門控電源最后折衷選擇了1GW阻值的防護(hù)電阻，使用該電源的微光像增強(qiáng)器再進(jìn)行亮光源實(shí)驗(yàn)后，未出現(xiàn)陰影斑現(xiàn)象，如圖7(c)所示，試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了自動(dòng)門控電源采用局部強(qiáng)光防護(hù)措施的有效性及電路實(shí)現(xiàn)的正確性。

圖5 自動(dòng)門控電源控制方式

圖6 自動(dòng)門控電源陰極脈沖驅(qū)動(dòng)方式

圖7 微光像增強(qiáng)器亮光源實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

通過脈沖工作方式下的局部強(qiáng)光防護(hù)方法研究，分析了基于自動(dòng)門控電源的微光像增強(qiáng)器在大動(dòng)態(tài)照度范圍內(nèi)遇到局部強(qiáng)光時(shí)的控制差異。針對(duì)低照度局部強(qiáng)光防護(hù)存在的問題，制定了防護(hù)電阻及優(yōu)化控制策略的方法，在自動(dòng)門控電源電路中進(jìn)行了驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，但電路參數(shù)選擇，尤其是陰極驅(qū)動(dòng)脈沖控制方式的最優(yōu)設(shè)計(jì)，還需要自動(dòng)門控電源與像管的多輪聯(lián)調(diào)摸底試驗(yàn)來進(jìn)一步確定，以最大程度地提升微光像增強(qiáng)器局部強(qiáng)光防護(hù)能力。

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Local Bright-light Protection for Low-Light-Level Image Intensifier Based on Auto-gating Power Supply

YAN Bo1,2，NI Xiaobing1,2，ZHI Qiang1,2，LIU Jiayin1,2，SONG Haihao1,2，LI Mengyi1,2

(1. Science and Technology on Low-Light-Level Night Vision Laboratory, Xi’an 710065, China;2. Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China)

Auto-gating power supply is the energy source of low light level image intensifiers, and research on its local bright-light protection method is of great significance for improving the control strategy of auto-gating power supply and the bright-light performance of low light level image intensifiers. This paper analyzes the advantages and disadvantages of the low light level image intensifier that matches the DC high-voltage power supply and auto-gating power supply in the application of a large dynamic illumination range. A design idea for an auto-gating power supply is presented, which can provide the low light level image intensifier with high illumination application and low illumination local bright-light protection and offers a control strategy for an auto-gating power supply circuit.

auto-gating power supply, image intensifier, automatic brightness control, cathode pulse duty cycle, local bright-light protection

TN215

A

1001-8891(2022)09-0951-07

2021-09-08；

2021-10-18.

延波（1984-），男，陜西綏德人，高工，碩士，主要從事微光電源及控制技術(shù)研究。E-mail:13571900902@126.com。

國防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目（JCKY2018208B016）。