基于自動門控電源的微光像增強器信噪比研究

倪小兵，延 波，楊 曄，楊書寧，智 強，李軍國，姚 澤，鄧廣緒

?

基于自動門控電源的微光像增強器信噪比研究

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

（1. 微光夜視技術重點實驗室，陜西 西安 710065；2. 北方夜視科技集團有限公司，云南 昆明 6502231）

針對實驗中同一微光像增強器的信噪比在裝配自動門控電源后有偏低現象，從而開展了以下研究：首先通過借鑒微光像增強器的信噪比公式，理論推導分析了陰極高壓脈沖對信噪比的影響；其次分別給微光像增強器光電陰極施加高壓脈沖和直流高壓，通過實際測量兩種狀態下的信噪比，來驗證理論推導分析的正確性；最后提出了一種自動門控電源陰極高壓脈沖控制電路的設計方法，解決了基于自動門控電源的微光像增強器測試時的信噪比偏低問題。

微光像增強器；自動門控電源；陰極高壓脈沖；信噪比

0 引言

微光成像技術作為軍用夜視領域、光電子成像技術領域的重要技術分支，一直以來受到國內外各軍事部門的重視和支持。自微光夜視裝備首次應用于戰爭中以來，該技術先后經歷了第0代、第1代、第2代和第3代發展階段，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代微光夜視像增強器技術的研發[1]。微光像增強器作為一種低照度成像器件，主要用于對夜間周圍環境的觀察，但由于夜間環境非常復雜、變化較快，例如夜戰中，作戰人員需要經常在較亮區域與較暗區域之間移動，周圍環境明暗交替變化；戰場中爆炸強光等極端視場環境條件，都要求微光像增強器具有較寬的動態范圍[2]。自動門控電源的出現有效地提高了微光像增強器動態范圍。與傳統微光像增強器專用直流高壓電源相比較，自動門控電源將連續高壓脈沖作用于微光像增強器光電陰極，并將熒光屏電流轉換成控制信號來調整陰極脈沖寬度，從而控制光電陰極電子發射量，達到調整熒光屏亮度的目的。

在基于自動門控電源的微光像增強器研究過程中發現，微光像增強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比施加直流電壓時測試的信噪比低。而信噪比作為微光像增強器的一項重要參數，對微光像增強器性能有很大影響[3]。針對上述問題本文開展了如下研究：首先通過借鑒微光像增強器的信噪比公式，理論推導分析了陰極高壓脈沖對信噪比的影響；其次分別給微光像增強器光電陰極施加高壓脈沖和直流高壓，通過實際測量兩種狀態下的信噪比，來驗證理論推導分析的正確性；最后提出了一種自動門控電源陰極高壓脈沖控制電路的設計方法，解決了基于自動門控電源的微光像增強器測試時的信噪比偏低問題。

1 基于自動門控電源的微光像增強器工作原理

自動門控電源主要通過MCP電壓調控和陰極脈沖寬度調制來實現其對微光像增強器熒光屏亮度的有效控制，從而實現其在寬照度范圍下的應用需求，是給微光像增強器電子光學系統提供能量的小型DC/DC電能轉換器；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斷自動控制的特點；是微光像增強器的重要組件之一，陰極門控工作狀態下像管電子發射如圖1所示。

圖1 陰極門控工作狀態下像管電子發射

像增強器的熒光屏電流大小反映了熒光屏亮度高低。自動門控電源通過采集熒光屏電流信號，將其轉化成控制信號來控制MCP電壓、陰極脈寬占空比，達到自動亮度控制的功能。

2 基于自動門控電源的微光像增強器信噪比偏低原因的理論分析及測試

2.1 微光像增強器信噪比簡介

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

微光像增強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、MCP固定圖像噪聲[4]。

微光像增強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，亮度輸出信號探測器帶寬20Hz（相當于加有人眼時域帶寬的低通濾波器）[1]：

式中：A為有光照射時輸出信號直流分量（即有效信號）；B為無光照射時輸出信號的直流分量（即有效信號）；A為有光照時輸出信號的交流分量有效值（即噪聲信號）；B為無光照時輸出信號的交流分量有效值（即噪聲信號）；是等效帶寬為10Hz時的熒光屏發光光譜修正系數，該值與空間頻率有關，根據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的信噪比理論分析

給微光像增強器光電陰極施加高壓脈沖主要影響光電陰極的電子發射量，從電子發射量的變化上來說，只要陰極高壓脈沖的占空比發生變化，光電陰極的電子發射量在單位時間內就會有相應變化。以下通過信噪比的影響因素分析和信噪比公式推導相結合的方式分析了高壓脈沖對微光像增強器信噪比的影響：

本文討論光電陰極高壓脈沖對像增強器信噪比影響，而噪聲信號A、B中光電陰極熱發射噪聲、光子噪聲、離子噪聲、宇宙射線輻射噪聲與陰極有關；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、MCP固定圖像噪聲與陰極無關。

A中與光電陰極有關的噪聲信號設為A1，與光電陰極無關的噪聲信號設為A2；B中與光電陰極有關的噪聲信號設為B1,與光電陰極無關的噪聲信號設為B2，公式(1)中A＝A1＋A2，B＝B1＋B2。光電陰極在門控狀態下，A1、B1與陰極電子發射量相關，而陰極電子發射量與占空比相關，所以A1、B1與占空比相關，公式(1)中A＝A1＋A2，B＝B1＋B2（本文中占空比均指負電平在一個周期之內所占的時間比率）。A為有光照時輸出信號的有效信號，與光電陰極電子發射量相關，而光電陰極電子發射量與占空比相關，所以A與占空比相關，同理B也與占空比相關。

光電陰極在門控狀態下，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時的熒光屏發光光譜修正系數，該值與空間頻率有關，根據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）的微光像增強器熒光屏輸出信號示意圖如圖2中(a)圖所示，S1波形為熒光屏輸出信號噪聲信號，C線段為熒光屏輸出信號有效信號，當像增強器工作時，光電陰極電平保持不變，光電陰極始終有電子發射到MCP，經過MCP倍增后到達熒光屏，始終有信號從熒光屏輸出，當像增強器各極間電壓一定的情況下該信號有效信號、噪聲信號保持不變。

而光電陰極施加高壓脈沖信號（即0＜＜1）的微光像增強器，該陰極高壓脈沖信號由開啟電壓（即光電陰極與MCP輸入端加負壓）、關閉電壓（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器工作時，像增強器輸出信號示意圖如圖2中(b)圖所示，當陰極脈寬處在開啟電壓工作狀態下時噪聲信號如S2波形，脈寬處在關閉電壓工作狀態下噪聲信號如S3波形。D線段為陰極只在負壓工作狀態下的像增強器輸出信號中有效信號，與C線段相等，F線段為陰極在脈沖開啟、關閉電壓共同作用下的微光像增強器輸出信號中有效信號。

(a)

(b)

圖2 像增強器輸出信號示意圖

Fig.2 The image intensifier output signal

公式(2)化簡后得：

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

2.3 光電陰極施加高壓脈沖時的信噪比測試

選用同一像增強器，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行實驗，實驗中只改變施加給像增強器光電陰極的高壓脈沖占空比，得到的一組測試數據如圖3所示。

圖3 不同占空比狀態下信噪比曲線圖

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，微光像增強器信噪比測試值明顯降低。

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

圖4 陰極脈沖信號處于關閉電壓狀態下像增強器信號輸出

自動門控電源能給像增強器提供更寬的動態范圍，保證各種復雜環境條件下像增強器的正常使用，陰極脈沖信號的使用能對陰極組件進行有效保護[5]；而基于非門控電源的像增強器在高照度環境下具有局限性，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門控電源將是主流方式。同一像增強器光電陰極在門控、非門控工作狀態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，在設計自動門控電源過程中需要充分考慮到低照度時陰極脈沖占空比對信噪比的影響。

3 信噪比偏低問題的解決方案

通過以上分析，基于自動門控電源的微光像增強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該為100%。微光像增強器在低照度環境下且各極施加直流高壓，像增強器有較好的電子光學性能，低照度時取像增強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射量，以達到保護光電陰極的目的，陰極脈寬在高照度時再開啟[6]。現將自動門控電源陰極脈沖啟動方式設計如圖5。陰極脈沖在照度10－3lx以下時，陰極脈沖不啟動，當照度大于10－3lx時陰極脈寬啟動。

圖5 陰極脈沖啟動方式

重新設計后的自動門控電源陰極脈沖信號如圖6，脈沖不啟動時如圖6(a)、脈沖啟動后如圖6(b)。

經過測試：改進后的某型號像增強器在熒光屏電壓、MCP電壓不變的條件下，信噪比在10－3lx及更低照度下達到23，較未改進時信噪比有明顯改善。

4 結論

本文從理論公式推導和實際測量兩方面分析了陰極脈沖占空比對基于自動門控電源的微光像增強器信噪比的影響，并提出了一種解決基于自動門控電源的微光像增強器信噪比偏低現象的解決辦法，對于自動門控電源的陰極高壓脈沖控制電路的設計具有指導意義。

(a)

(b)

圖6 改進后自動門控電源陰極輸出信號

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

[1] 向世明, 倪國強. 光電子成像器件原理[M]. 北京: 國防工業出版社,1999: 6-7.

XIANG Shiming, NI Guoqiang.[M]. Beijing: National defanse industry press, 1999: 6-7.

[2] 黃林濤, 趙寶升, 張小秋. 一種帶新型自動門控電源的像增強器[J]. 激光與光電子學進展, 2005, 42(4): 29-32.

HUANG Lintao, ZHAO Baosheng, ZHANG Xiaoqiu.Auto-gated Pwoer Supply For Generation ⅡImage Intensifiers[J]., 2005, 42(4): 29-32.

[3] 郭暉, 向世明田民強. 微光夜視技術發展動態評述[J]. 紅外技術, 2013, 35(2): 63-68.

GUO Hui, XIANG Shiming, TIAN Min-qiang. A Review of the Development of Low-light Night[J]., 2013, 35(2): 63-68.

[4] 向世明, 高教波, 焦明印. 現代光電子成像技術概論[M]. 北京: 北京理工大學出版社, 2010: 322-323.

XIANG Shiming, GAO Jiaobo, JIAO Mingyin.[M]. Beijing: Beijing Institute of technology press, 2010: 322-323.

[5] 延波, 智強, 李軍國, 等. 基于自動門控電源的微光像增強器動態范圍研究[J]. 紅外技術, 2013, 35(5): 300-302.

YAN Bo, ZHI Qiang, LI Junguo, Study of Image Intensifier Dynamic Range Based on Auto-gating Power Source[J]., 2013, 35(5): 300-302.

[6] 鄧廣緒, 延波, 智強, 等. 微光像增強器自動門控電源技術研究[J]. 紅外技術, 2012, 34(3): 157-158.

DENG Guangxu, YAN Bo, ZHI Qiang, Study of Technology of Auto-gating Power Source in Image Intensifier[J]., 2012, 34(3): 157-158.

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，主要從事電子學在微光夜視技術中的應用研究。