自動門控像增強(qiáng)器溫度補(bǔ)償技術(shù)研究

李亞情，左加寧，李曉露，周盛濤，褚祝軍，杜培德，王光凡

〈微光技術(shù)〉

自動門控像增強(qiáng)器溫度補(bǔ)償技術(shù)研究

李亞情，左加寧，李曉露，周盛濤，褚祝軍，杜培德，王光凡

（北方夜視技術(shù)股份有限公司，云南 昆明 650217）

針對匹配自動門控電源的超二代像增強(qiáng)器高低溫條件下亮度增益和最大輸出亮度產(chǎn)生漂移的問題，分析了溫度補(bǔ)償原理，設(shè)計(jì)了溫度補(bǔ)償方案，通過實(shí)驗(yàn)確定了溫度補(bǔ)償系數(shù)，驗(yàn)證了該溫度補(bǔ)償方案的合理性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低照條件（輸入照度低于5×10－4lx），通過將MCP電壓降低14.7V能夠?qū)⒌蜏兀ǎ?5℃）亮度增益從121%降低到105%以內(nèi)，通過將MCP電壓增加16.5V能夠?qū)⒏邷兀?5℃）亮度增益從77%提高到99%以上；高照條件（輸入照度高于5×10－4lx），通過將陽極電流設(shè)定值降低14%能夠?qū)⒌蜏刈畲筝敵隽炼葟?14%降低到104%以內(nèi)，通過將陽極電流設(shè)定值增加12.6%能夠?qū)⒏邷刈畲筝敵隽炼葟?7%提高到91%以上。因此，采用本文所述溫度補(bǔ)償技術(shù)能夠有效提高自動門控像增強(qiáng)器高低溫條件下亮度增益和最大輸出亮度的一致性。

像增強(qiáng)器；亮度增益；最大輸出亮度；溫度補(bǔ)償；通道板電壓；陽極電流

0 引言

微光像增強(qiáng)器是一種利用外光電效應(yīng)成像的真空光電器件，主要由像增強(qiáng)管和適配的高壓電源組成，能夠?qū)⑽⑷醯墓鈱W(xué)圖像轉(zhuǎn)換為適宜人眼觀察的亮度圖像[1]。像增強(qiáng)器用高壓電源一方面為光電陰極、微通道板（microchannel plate, MCP）和熒光屏提供工作電壓，另一方面根據(jù)設(shè)定的控制邏輯對像增強(qiáng)器進(jìn)行自動亮度控制（automatic brightness control, ABC）和強(qiáng)光源保護(hù)（bright-source protection, BSP），以確保熒光屏輸出亮度在較高照度下保持恒定且適于人眼觀察，此外，還能保護(hù)光電陰極在強(qiáng)光源照射下免受損傷[2]。早期像增強(qiáng)器用高壓電源為普通直流高壓電源，該類電源能夠根據(jù)光電陰極入射光照度的變化對陰極電壓和MCP電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，使熒光屏的輸出亮度保持不變，但使用該電源的像增強(qiáng)器動態(tài)范圍有限，若遇到視場中有強(qiáng)光或強(qiáng)閃光時(shí)，圖像可能模糊不清，嚴(yán)重時(shí)還會造成像增強(qiáng)器損壞[3]，且該類電源采用模擬控制方式對像增強(qiáng)器進(jìn)行控制，由于受電子元器件的高低溫特性及電源的負(fù)載特性影響，電源陰極、MCP和陽極電壓會隨溫度升高不同程度地降低，很大程度上加劇了該類像增強(qiáng)器高低溫亮度增益和最大輸出亮度的差異，從而影響了像增強(qiáng)器的高低溫環(huán)境適應(yīng)性[4-5]。為解決上述問題，自動門控電源應(yīng)運(yùn)而生，自動門控電源陰極采用脈沖電壓代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流電壓，當(dāng)陰極入射光照度變化時(shí)調(diào)整陰極電壓脈沖寬度和MCP電壓，使微光像增強(qiáng)器光電陰極的照度適應(yīng)上限由10lx左右擴(kuò)展到105lx[6]；此外，由于自動門控電源采用數(shù)字式控制方式，在元器件選型上也考慮了溫度特性，因此，自動門控電源的陰極、MCP和陽極輸出電壓基本能夠保持恒定而不隨溫度發(fā)生變化。至今，自動門控電源已經(jīng)逐步取代了普通高壓電源在像增強(qiáng)器上的應(yīng)用。

與普通直流高壓電源相比，匹配自動門控電源的像增強(qiáng)器（簡稱“自動門控像增強(qiáng)器”）高低溫特性有所改善，但由于在電壓恒定條件下，像增強(qiáng)管陰極靈敏度和熒光屏發(fā)光效率會隨溫度升高而降低，仍會導(dǎo)致部分像增強(qiáng)器由于高溫亮度增益和最大輸出亮度偏低或者低溫亮度增益和最大輸出亮度偏高而不滿足出廠要求。實(shí)際使用過程中通常希望像增強(qiáng)器在不同照度、不同溫度環(huán)境下都能穩(wěn)定工作，然而像增強(qiáng)管的陰極靈敏度和熒光屏發(fā)光效率的溫度特性是由其材料特性決定的，短期內(nèi)對其進(jìn)行改善比較困難[7]，因此，如何配置自動門控電源并控制像增強(qiáng)器以適應(yīng)不同的工作環(huán)境至關(guān)重要。本文基于自動門控電源研究像增強(qiáng)器的溫度補(bǔ)償技術(shù)，旨在提高像增強(qiáng)器在不同溫度條件下亮度增益和最大輸出亮度的一致性。

1 溫度補(bǔ)償原理分析

像增強(qiáng)器亮度增益和最大輸出亮度較高能夠有效提高其低照探測能力及目標(biāo)觀察距離，但如果亮度增益過高則可能會導(dǎo)致像增強(qiáng)器出現(xiàn)擊穿、尖棱放電等疵病的風(fēng)險(xiǎn)，而過低則可能會導(dǎo)致像增強(qiáng)器分辨力降低，影響其成像質(zhì)量。

自動門控像增強(qiáng)器工作過程通?？煞譃閮蓚€(gè)階段，具體如圖1所示。

①當(dāng)熒光屏輸出亮度小于所設(shè)置的最大輸出亮度（maximum output brightness，MOB）時(shí)，像增強(qiáng)器工作于增益狀態(tài)，此時(shí)MCP電壓和亮度增益保持最大值（如圖2所示），熒光屏輸出亮度隨照度增加而線性增大，該狀態(tài)下像增強(qiáng)器的觀察效果主要取決于設(shè)定的亮度增益，熒光屏輸出亮度、亮度增益和輸入照度三者之間滿足關(guān)系：

式中：表示熒光屏輸出亮度；max為所設(shè)定的像增強(qiáng)器亮度增益；v為像增強(qiáng)器陰極面輸入照度。

②隨著照度升高，熒光屏輸出亮度達(dá)到MOB，像增強(qiáng)器進(jìn)入亮度狀態(tài)（又稱“飽和狀態(tài)”），此時(shí)像增強(qiáng)器的熒光屏輸出亮度維持MOB不變，亮度增益隨陰極面輸入照度升高而降低，亮度增益與照度滿足關(guān)系：

超二代像增強(qiáng)器通常將亮度增益設(shè)定為15000cd/m2/lx左右，最大輸出亮度設(shè)定為6～8cd/m2，因此，根據(jù)式(2)，像增強(qiáng)器從增益狀態(tài)切換到亮度狀態(tài)時(shí)對應(yīng)的陰極面輸入照度一般為5×10－4lx左右。高低溫條件下，雖然自動門控電源設(shè)定的亮度增益最大值（由MCP電壓決定）和最大輸出亮度值（由陽極電流設(shè)定值決定）并未發(fā)生改變，但由于像增強(qiáng)器陰極靈敏度和熒光屏發(fā)光效率發(fā)生變化，導(dǎo)致像增強(qiáng)器的亮度增益和最大輸出亮度發(fā)生了變化。未采取溫度補(bǔ)償技術(shù)的自動門控像增強(qiáng)器高低溫輸出亮度和增益特性總體如圖1和圖2所示，從圖中可以看出，在低溫（－45℃）下亮度增益和熒光屏輸出亮度明顯高于常溫（25℃）和高溫（55℃）。

自動門控像增強(qiáng)器的組成結(jié)構(gòu)如圖3所示，其工作過程總結(jié)如下：

①自動門控電源輸入為2～4V的直流電壓（通常由3V干電池提供），通過低壓變換電路得到穩(wěn)定的3.3V直流電壓。

圖1 自動門控像增強(qiáng)器高低溫輸出亮度對比圖

圖2 自動門控像增強(qiáng)器高低溫增益對比示意圖

②通過高壓產(chǎn)生電路對3.3V直流電壓進(jìn)行處理得到四路交流輸出：一路5V交流電壓經(jīng)過整流之后得到陰極關(guān)閉電壓，另一路200V交流輸出經(jīng)過陰極單倍壓之后得到陰極開啟電壓，陰極控制信號通過高速開關(guān)電路控制陰極開啟和關(guān)閉即可得到一路脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）信號，以供給陰極實(shí)現(xiàn)脈沖寬度可調(diào)；另外一路370V左右的交流輸出經(jīng)過MCP倍壓器得到MCP電壓供給MCP輸出端，MCP輸入端接地；最后一路760V的交流輸出，通過陽極倍壓器得到像增強(qiáng)器正常工作所需陽極電壓。

③自動門控電源對像增強(qiáng)器陽極電流進(jìn)行采樣，并將采樣值通過微控制單元（microcontroller unit, MCU）內(nèi)部的控制邏輯與設(shè)定的陽極電流值進(jìn)行比較，計(jì)算MCP電壓和陰極脈沖寬度的調(diào)節(jié)量，通過陰極和MCP控制邏輯對MCP電壓和陰極脈沖寬度進(jìn)行調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)對像增強(qiáng)器亮度增益和最大輸出亮度的控制。

④MCU內(nèi)部還有內(nèi)置溫度傳感器，可對像增強(qiáng)器工作的實(shí)時(shí)環(huán)境溫度進(jìn)行采樣，當(dāng)像增強(qiáng)器工作于增益狀態(tài)時(shí)，根據(jù)當(dāng)前溫度調(diào)節(jié)MCP電壓以彌補(bǔ)該溫度下亮度增益的變化；當(dāng)像增強(qiáng)器工作于亮度狀態(tài)時(shí)則根據(jù)當(dāng)前溫度調(diào)節(jié)設(shè)定的陽極電流設(shè)定值以彌補(bǔ)熒光屏輸出亮度的變化。

2 溫度補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)

基于上述原理分析，增益狀態(tài)時(shí)，將像增強(qiáng)器亮度增益變化量和溫度變化量分別記為DTR＝T－R和D＝－R，其中T和R分別為溫度和室溫下（25℃）的亮度增益。據(jù)此，溫度每變化1℃，亮度增益變化百分比表示為：

圖3 自動門控像增強(qiáng)器組成結(jié)構(gòu)

Fig.3 Structure diagram of image intensifier based on auto-gated power supply

亮度增益主要受MCP增益影響，通常情況下，MCP壓每增加50V，其增益就可以增加1倍，即MCP增益與其電壓之間遵循[8]：

式中：M為MCP增益；M0為800V電壓時(shí)的MCP增益；mcp為MCP電壓。由式(4)可知，MCP電壓每變化1V，MCP增益變化百分比為mcp＝0.014，結(jié)合式(4)可得，增益狀態(tài)下溫度每變化1℃所需的MCP電壓補(bǔ)償量可以表示為：

式中：為考慮了陰極、MCP和陽極等所有受溫度影響的因素之后的MCP電壓溫度補(bǔ)償系數(shù)。因此，當(dāng)像增強(qiáng)器工作于增益狀態(tài)時(shí)，MCP電壓補(bǔ)償關(guān)系式可表示為：

亮度狀態(tài)時(shí)，熒光屏輸出亮度變化量和溫度變化量分別記為DTR＝T－R和D＝－R，其中B和R分別為溫度和室溫下的熒光屏輸出亮度。據(jù)此，溫度每變化1℃，熒光屏輸出亮度變化百分比表示為：

由于熒光屏輸出亮度與光電流之間存在線性比例關(guān)系，且陽極電流設(shè)定值與熒光屏光電流之間也存在線性比例關(guān)系[9]，則溫度每變化1℃，陽極電流設(shè)定值的變化百分比為：

式中：T和R為溫度和室溫（25℃）下的熒光屏光電流；DTR＝T－R表示溫度為時(shí)與常溫相比光電流的變化量；為考慮了陰極、MCP和陽極等所有受溫度影響的因素之后的陽極電流設(shè)定值溫度補(bǔ)償系數(shù)。因此，當(dāng)像增強(qiáng)器工作于亮度狀態(tài)時(shí)，陽極電流設(shè)定值a_set補(bǔ)償關(guān)系式可表示為：

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 溫度補(bǔ)償系數(shù)確定

由于超二代像增強(qiáng)器制造驗(yàn)收規(guī)范要求其工作溫度范圍為－45℃～55℃，且像增強(qiáng)器亮度增益和熒光屏輸出亮度隨溫度變化趨勢大體一致，為確定溫度補(bǔ)償系數(shù)和，在－45℃、25℃、55℃下分別測試自動門控像增強(qiáng)器的亮度增益和熒光屏輸出亮度。隨機(jī)選取3031#、1059#和1018#共3具北方夜視自研18mm NVT-6像增強(qiáng)管分別外掛自研同型號自動門控電源J2202004、J2202009和J2202012進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在3個(gè)溫度下分別測試自動門控電源陰極電壓c，MCP電壓mcp和陽極電壓a，同時(shí)測試像增強(qiáng)器在10－5lx（增益狀態(tài)）時(shí)的亮度增益和10lx（亮度狀態(tài)）時(shí)的熒光屏光電流a。表1所示為自動門控電源測試結(jié)果，從表1可以看出，陰極和MCP電壓基本不受溫度影響，陽極電壓降低50V左右，但對像增強(qiáng)器的整體亮度增益和熒光屏輸出亮度影響不大，可以忽略不計(jì)。

表2所示為NVT-6像增強(qiáng)管外掛上述自動門控電源的亮度增益和熒光屏光電流測試結(jié)果，根據(jù)式(5)計(jì)算可得低溫下3具像增強(qiáng)器對應(yīng)的MCP電壓溫度補(bǔ)償系數(shù)1分別為－0.23，－0.2和－0.2，計(jì)算平均值可得1＝－0.21；高溫對應(yīng)的MCP電壓溫度補(bǔ)償系數(shù)2分別為－0.57、－0.54和－0.55，計(jì)算平均值可得2為－0.55。因此，增益狀態(tài)下MCP電壓補(bǔ)償關(guān)系式(6)可寫為：

由式(10)可知低溫MCP最大補(bǔ)償電壓為－14.7V，高溫MCP最大補(bǔ)償電壓為16.5V。

表1 自動門控電源高低溫測試結(jié)果

表2 像增強(qiáng)器溫度補(bǔ)償前測試結(jié)果

根據(jù)式(10)計(jì)算可得低溫下3具像增強(qiáng)器對應(yīng)的光電流設(shè)定值溫度補(bǔ)償系數(shù)1值分別為－0.0019，－0.0022和－0.0019，計(jì)算平均值得1=－0.002；高溫對應(yīng)的補(bǔ)償系數(shù)2值分別為－0.0042，－0.0046和－0.0039，計(jì)算平均值可得2=－0.0042。因此，亮度狀態(tài)下陽極光電流設(shè)定值補(bǔ)償關(guān)系式(9)可改寫為：

由式(11)可知低溫陽極光電流最大補(bǔ)償值為－14%，高溫陽極光電流最大補(bǔ)償值為12.6%。

3.2 溫度補(bǔ)償結(jié)果驗(yàn)證

對3031#、1059#和1018#三具像增強(qiáng)管分別外掛電源J2202004、J2202009和J2202012進(jìn)行式(10)和(11)的溫度補(bǔ)償，然后在－45℃、－25℃，0℃、25℃、55℃溫度下進(jìn)行亮度增益和熒光屏輸出亮度的測試，并與溫度補(bǔ)償前的測試結(jié)果進(jìn)行對比，其結(jié)果如表3所示。由表3可知，溫度補(bǔ)償前3031#的高溫（55℃）、低溫（－45℃）亮度增益分別為常溫時(shí)的76%和122%，補(bǔ)償后變?yōu)?00%和110%，溫度補(bǔ)償前3031#的高溫、低溫?zé)晒馄磷畲筝敵隽炼葹槌貢r(shí)的87%和113%，補(bǔ)償后變?yōu)?1%和96%；1059#和1019#樣品補(bǔ)償結(jié)果也與3031#類似?？傮w下來，3具像增強(qiáng)器溫度補(bǔ)償前高溫、低溫時(shí)的亮度增益平均分別為常溫的77%和121%，溫度補(bǔ)償后約為常溫的99%和105%，即采取MCP電壓溫度補(bǔ)償能夠有效提高高低溫亮度增益的一致性；溫度補(bǔ)償前高、低溫最大輸出亮度平均分別為常溫的87%和114%左右，溫度補(bǔ)償后約為常溫的91%和104%，即采取陽極電流設(shè)定值溫度補(bǔ)償能夠一定程度上提高像增強(qiáng)器高溫和低溫最大輸出亮度的一致性。本文所述溫度補(bǔ)償技術(shù)是基于北方夜視生產(chǎn)的像增強(qiáng)管和自動門控電源進(jìn)行研究所得出的結(jié)果，不同廠家像增強(qiáng)管和自動門控電源溫度補(bǔ)償系數(shù)可能會存在差異，但補(bǔ)償技術(shù)是可以通用的。

4 結(jié)論

通常情況下，未采取溫度補(bǔ)償?shù)淖詣娱T控像增強(qiáng)器低溫亮度增益和熒光屏最大輸出亮度普遍高于常溫和高溫，為提高像增強(qiáng)器高低溫性能一致性，需要對其進(jìn)行溫度補(bǔ)償，本文通過補(bǔ)償不同溫度下的MCP電壓和陽極電流設(shè)定值溫度能夠有效提高其高低溫亮度增益和最大輸出亮度一致性。

增益狀態(tài)時(shí)，高溫通過增加MCP電壓能夠?qū)⒘炼仍鲆嫣岣?2%，MCP電壓補(bǔ)償量約為16.5V；低溫時(shí)通過降低MCP電壓能夠?qū)⒘炼仍鲆娼档?6%，MCP電壓補(bǔ)償量約為－14.7V。亮度狀態(tài)（照度高于5×10－4lx）時(shí)，高溫通過增加陽極電流設(shè)定值能夠?qū)⒆畲筝敵隽炼忍岣?%，陽極電流補(bǔ)償量約為12.6%；低溫時(shí)通過降低陽極電流設(shè)定值能夠?qū)⒆畲筝敵隽炼冉档?0%，陽極電流補(bǔ)償量約為－14%。

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Research on Temperature Compensation of Image Intensifier Based on Auto-gated Power Supply

LI Yaqing，ZUO Jianing，LI Xiaolu，ZHOU Shengtao，CHU Zhujun，DU Peide，WANG Guangfan

(North Night Vision Technology Co. Ltd., Kunming 650217, China)

The brightness gain and maximum output brightness of super gen Ⅱ auto-gated image intensifiers vary with temperature. Here, we analyzed the principles of temperature compensation and designed a temperature compensation scheme. The compensation coefficient was determined experimentally, and the rationality of the temperature-compensation scheme was verified using the data. The experimental results showed that the low temperature (-45℃) brightness gain can be reduced from 121% to 105% by reducing the MCP voltage by 14.7V under low illumination conditions (input illumination is less than 5′10-4lx), and the high temperature (55℃) brightness gain can be increased from 77% to 99% by increasing the MCP voltage by 16.5V. Under high illumination conditions (input illumination of more than 5′10-4lx), the maximum output brightness at low temperatures can be reduced from 114% to less than 104% by reducing the anode current setting value by 14%, and the maximum output brightness at high temperature can be increased from 87% to more than 91% by increasing the anode current setting value by 12.6%. Therefore, the temperature compensation technology described herein can effectively improve the consistency of the brightness gain and maximum output brightness of auto-gated image intensifiers under high- and low-temperature conditions.

image intensifier, brightness gain, maximum output brightness, temperature compensation, voltage of MCP, anode current

TN22

A

1001-8891(2023)10-1126-06

2023-01-29；

2023-03-19.

李亞情（1993-），女，云南人，碩士，工程師，主要從事微光夜視技術(shù)研究。E-mail：liyaqing1742@dingtalk.com。

國家自然科學(xué)基金（11535014）。