基于自動門控電源的微光像增強器局部強光防護

延 波，倪小兵，智 強，劉佳音，宋海浩，李夢依

〈微光技術〉

基于自動門控電源的微光像增強器局部強光防護

延 波1,2，倪小兵1,2，智 強1,2，劉佳音1,2，宋海浩1,2，李夢依1,2

（1. 微光夜視技術重點實驗室，陜西 西安 710065；2. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

自動門控電源作為微光像增強器的能量來源，其局部強光防護方法研究對完善自動門控電源控制策略、提升微光像增強器強光使用性能具有重要意義。分析了匹配傳統直流高壓電源與自動門控電源的微光像增強器大動態照度范圍應用的優劣勢，提出了一種能夠使微光像增強器兼具高照度應用和低照度局部強光防護能力的自動門控電源設計思路，并給出了自動門控電源電路的控制策略實現方法。

自動門控電源；像增強器；自動亮度控制；陰極脈沖占空比；局部強光防護

0 引言

復雜照明環境下，強光防護技術是防止微光像增強器飽和、失效和損壞的有效手段。微光像增強器領域的強光防護概念，主要針對的是低照度下的亮光源防護，即在光陰極1mm2上，施加0.05lm的光通量（約5×104lx照度），持續60s。之后，在室溫放置24h，微光像增強器不應損壞，無陰影現象。

目前根據適用環境不同，強光防護技術主要涉及兩個概念：微光像增強器在高照度下的應用和低照度下的亮光源防護或局部強光防護。

基于傳統直流高壓電源的微光像增強器只能應用于低照度環境，該照度環境下具有強光防護功能或亮光源防護（Bright source protection，BSP）功能，但不具有在高照度條件應用能力；目前基于自動門控電源的微光像增強器能夠應用于大動態范圍照度環境，尤其是高照度環境，但其在低照度環境下的局部強光防護能力相對較弱[1]。

目前自動門控電源技術已經得到突破，使得微光像增強器能夠在高照度環境下使用，但其在低照度下的局部強光防護技術還需進一步深入開展研究。

本課題開展陰極脈沖工作方式強光防護方法研究，就是為了探索一種能夠使微光像增強器兼具高照度應用和低照度局部強光防護的方法，降低基于自動門控電源的微光像增強器在高照度應用和低照度局部強光環境下的損傷，實現微光像增強器在復雜照度環境中的可靠應用。

1 直流高壓電源與自動門控電源的工作原理

基于直流高壓電源的微光像增強器工作原理：將微光像增強器熒光屏微電流作為反饋信號，自動調控微通道板（Microchannel plate，MCP）電壓控制微光像增強器MCP的電子倍增效率，從而實現微光像增強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器工作原理

傳統的直流高壓電源的強光防護，主要是通過電阻分壓的方式，利用光陰極電流隨光照強度增加的特性，當環境照度增加時，光陰極電流增大，串聯于直流高壓電源與光陰極之間的防護電阻的分壓增大，使得施加于光陰極的實際電壓減小，從而實現光陰極的強光防護。當光陰極電流繼續增加時，施加于光陰極端的電壓幾乎為零，微光像增強器則無法正常工作[2-3]。

基于自動門控電源的微光像增強器工作原理：將微光像增強器熒光屏微電流作為反饋信號，一方面自動調控MCP電壓控制微光像增強器MCP的電子倍增效率；另一方面自動調整陰極高壓脈沖寬度，控制微光像增強器在單位時間內從光陰極發射并到達MCP輸入面的電子數量，從而實現微光像增強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，下半部分為自動門控電源的主要組成。

自動門控電源設計之初，主要是在高照度環境下應用的，其通過高壓脈沖占空比調節代替陰極直流電壓，使得微光像增強器的應用范圍由幾勒克斯的最大照度，延伸到現在的近105lx的照度，同時由于微光像增強器的陰極工作在脈沖狀態，基本保證了微光像增強器的高照度分辨力，即高照度環境下微光像增強器能夠正常工作，這是使用自動門控電源的優勢之處[5]。

圖2 基于自動門控電源的微光像增強器工作原理

自動門控電源技術作為一項新的微光像增強器供電控制技術，目前技術電路實現方式已經突破，但與微光像增強器的匹配性方面還存在一定不足，尤其在低照度環境下遇到局部強光時的控制策略，還需要進一步統籌優化，即開展脈沖工作模式時的強光防護方法研究。

2 基于自動門控電源的微光像增強器局部強光防護分析

2.1 技術難點及分析

1）受體積限制，不能額外增加電路，盡力在現有電路基礎上進行優化改進；

2）微光像增強器無法進行局部強光判斷，即無法通過電路對局部強光區域相關參數進行調整；

在自動門控電源中，如果直接參考傳統直流高壓電源，采用串聯電阻方式實現低照度的局部強光防護，在低照度環境下效果會相對有效，但高照度時由于串聯電阻分壓，光陰極端電壓會顯著下降，造成光陰極發射電子無法到達MCP，即分辨力下降，使基于自動門控電源的微光像增強器在高照度條件下無法正常工作。

采取調整串聯電阻阻值方法，同樣達不到強光防護要求。因電阻阻值太小，則低照度環境下的強光防護效果會減弱；高照度環境下，照度會相對增加，到一定值時，光陰極端電壓同樣會下降，同樣會造成微光像增強器無法正常工作。如果串聯電阻太大，則低照度環境下的強光防護效果會比較好，但高照度環境下，光陰極端電壓相對會下降更多，相比在更低照度下就會造成微光像增強器無法正常工作。

基于上述分析，通過簡單的電阻調整優化，無法達到強光防護目的，需通過研究微光像增強器強光損傷的機理，對大動態照度范圍內的高低照度下的控制策略，尤其是低照度下的控制策略進行重新計算、優化，進而最大限度降低損傷。

2.2 技術途徑及可行性分析

如果在低照度環境下使用串聯電阻的方法，在高照度環境下使用自動門控的方法，即采用不同的控制方法對應不同的控制策略，因自動門控電源的自動亮度控制（automatic brightness control，ABC）功能是通過控制微光像增強器亮度增益來實現熒光屏亮度穩定控制的，因此控制策略的不同需要通過微光像增強器的增益公式對高低照度下的過程數據進行計算[6]，具體如下。

2.2.1 ABC功能啟動點計算

目前微光像增強器亮度增益一般調節為12000cd×m－2×lx－1，該狀態下的測試照度i為2×10－5lx，對應的微光像增強器熒光屏亮度約0.24cd×m－2；當ABC功能啟動時，微光像增強器的熒光屏亮度一般調節為6cd×m－2，此時對應的陽極電流約60nA，對應的光陰極面照度q＝/，約5×10－4lx，說明ABC功能在光陰極面照度大于約5×10－4lx時，即會啟動。

高照度環境下，自動門控電源的ABC功能必然處于啟動狀態，自動門控電源能夠通過自動調整MCP電壓和陰極脈沖占空比，實現微光像增強器熒光屏亮度的基本穩定。

2.2.2 熒光屏電流計算及影響參數分析

微光像增強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[7]，其關系可表示為：

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量得到，其與陰極電壓ca有關，可表示為ca(ca)，陰極電壓固定時為定值；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有關的函數，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功能啟動后近似不變，則上式中只要光陰極面照度不發生變化，則MCP電流增益p、陰極脈沖占空比都不會變化。

2.2.3 高照度環境強光防護技術途徑

環境照度為200lx，是微光像增強器高照度分辨力的測試條件[8]。

假定上述測試條件下，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%，根據公式(1)可計算得到MCP的電流增益p為：

計算得到的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已經處于飽和狀態，MCP電流增益的計算值越低，說明MCP電子倍增的效果越差。

如果200lx環境照度中，一旦出現強亮光源，則照度必然發生變化，自動門控電源在ABC功能作用下就會自動調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，都會減少微光像增強器在單位時間內的高照度工作時間，尤其占空比降低到最小時，相比光陰極處于直流工作狀態，光陰極單位時間內的工作時間能夠降到0.05%，說明自動門控電源占空比值越小，對高照度或強光的防護效果越明顯。

微光像增強器本身屬于低照度探測器件，雖然采用自動門控電源后，能夠使微光像增強器應用于高照度環境下，主要是為了避免復雜戰場環境中出現局部強光，引起微光像增強器自身防護而形成致盲現象，同時微光像增強器在高照度環境下應用時，即使單位時間內的工作時間很短，但依然還是高照度工作環境，因此應該盡量減少微光像增強器在高照度環境下的長時間使用。

在高照度環境中，即使出現強光，強光與環境照度的對比也相對較弱，且有自動門控防護，而在低照度環境中，一旦出現局部強光，局部強光與環境照度的對比會很明顯，此時自動門控電源的占空比還不可能降低到最小，或可能占空比調節還未啟動，因此相對而言對在低照度下的強光防護效果會較弱，這也是為什么強光防護主要針對低照度環境的原因。

因此，高照度環境局部強光防護實現途徑，主要是降低光陰極單位時間內的工作時間，在自動門控電源的設計方面，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節范圍，如：占空比范圍從100%～1%調整為100%～0.5%。

2.2.4 低照度環境局部強光防護技術途徑

低照度環境中，實現局部強光防護主要有兩個途徑：

途徑①：使陰極脈沖占空比調節功能前移，通過降低微光像增強器在單位時間內的工作時間來實現光陰極防護。

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現光陰極防護，但不是簡單的采用串聯電阻方式，需要與陰極高壓脈沖結合。低照度時，陰極高壓脈沖的負壓通過電阻供給光陰極；高照度時，陰極高壓脈沖與現有自動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器在單位時間內的工作時間，但是陰極脈沖占空比調節的弊端，會造成微光像增強器在低照度環境中信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)指標下降[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節功能前移的方法，在低照度條件下對光陰極有一定防護作用，但會使微光像增強器的信噪比有適當下降，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端實線波形為P-MOS管3個周期的驅動信號，P-MOS管的導通電平為低電平，占空比分別為25%、50%、75%；V-N端實線波形為N-MOS管3個周期的驅動信號，N-MOS管的導通電平為高電平，占空比分別為75%、50%、25%；V-P和V-N在兩端驅動信號共同作用下實現陰極高壓脈沖輸出，－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電阻1，V-P端的驅動信號不變，將V-N端的驅動信號調整為圖4中V-N端虛線所示波形，N-MOS管的導通電平依舊為高電平，占空比由75%、50%、25%分別變為0%、0%、25%，即第1個、第2個周期內N-MOS管為一直關閉狀態，除P-MOS管導通時，光陰極都是通過電阻1給其供電；第3個周期內占空比為正常狀態25%。

上述電路分析說明，通過MOS管的驅動信號調整，可實現對微光像增強器光陰極直接施加高壓脈沖，還是通過電阻進行供電。說明采用途徑②，從電路實現方面是可行的。

綜上分析，通過驅動信號調整，能夠控制電阻給光陰極供電的時間，而通過串聯電阻方式對低照度局部強光防護又是可行的（參考直流高壓電源亮光源防護），因此采用上述途徑能夠實現微光像增強器高低照度下的強光防護，即高照度環境應用和低照度局部強光防護。

圖4 陰極高壓脈沖控制原理

3 局部強光防護試驗驗證及分析

因基于自動門控電源的微光像增強器在高照度環境下應用為已突破技術，因此本章主要對低照度局部強光防護的參數分析及計算。

3.1 低照度局部強光分析計算

以典型的亮光源防護測試條件（在光陰極1mm2上，施加0.05lm的光通量）為例進行計算分析，具體如下：

3.1.1 亮光源照度計算

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)

計算得，1mm2光陰極上，施加0.05lm光通量，對應的光照強度為：

3.1.2 光陰極電流計算

由公式(1)可知：光陰極電流計算公式可表示為：

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，但光陰極上實際照射面積為1mm2時，可知此時的光陰極電流理論值為：

ca￠＝ca×ca×＝1800×1×10－6×5×104＝90mA

3.1.3 熒光屏電流計算

在微光像增強器的MCP輸出與熒光屏之間電場不變的前提下，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)，計算得到MCP的飽和電流mcp為5.5mA，當MCP電壓下降時，MCP的飽和電流mcp也會隨之線性下降，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）遠大于MCP的飽和電流mcp（5.5mA），而實際MCP的最大輸出電流只有5.5mA，在計算時需要注意。

因光陰極與MCP為近貼結構，在高壓電場作用下，依然具有很高的分辨力，因此可以忽略光陰極發射電子的偏轉量，即當光陰極1mm2的局部電子發射到MCP輸入面時也占約1mm2的面積。

因此實際熒光屏電流值為：

3.1.4 亮光源照射時的ABC工作狀態

由于述3.1.3節可知，給光陰極施加1mm2、0.05lm的光照時，盡管光陰極電流比較大，但因MCP飽和特性的存在，實際熒光屏電流約21.6nA，達不到ABC功能啟動時對應的陽極電流值60nA。

3.1.5 分析

1）對于測試條件的亮光源狀態，自動門控電源的陰極脈沖占空比調節還未啟動，無法通過調整陰極占空比的方式來減弱微光像增強器光陰極損傷。

2）即使光陰極施加的局部強光比測試條件的亮光源照度再高或面積再大，能夠實現ABC功能啟動，但由于局部強光的局限性，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光陰極。

上述計算及分析，借鑒驗證了目前技術狀態的自動門控電源是不具有低照度條件下的局部強光防護功能的。

3.2 電路參數確定及驗證

電路參數主要通過亮光源條件下的防護電阻計算、光陰極極限損傷電流分析，再進行防護電阻的折衷選擇，最后通過電路功能驗證。

3.2.1 亮光源條件防護電阻計算

由3.1節可知，即使亮光源測試條件下的光陰極電流達到90mA，依然無法使ABC功能啟動，但該條件下由于光陰極的長時間持續電子發射，極有可能造成MCP防離子反饋膜及光陰極損傷。

當在亮光源測試條件下，采用低照度局部強光防護的技術途徑②，在自動門控電源中NMOS管的漏極與源極之間并聯一只分壓電阻1，通過電路控制使得低照度狀態下自動門控電源通過該分壓電阻1給光陰極供電，在亮光源測試條件下光陰極電流為90mA時，要實現光陰極防護，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，光陰極工作電壓將接近0V，從而減弱光陰極損傷。

3.2.2 光陰極工作電流測試

在陰極電壓為400V時，摸底測試了三代微光像增強器光陰極電流隨光照強度的變化規律。

1）調整光照強度，使光陰極電流約20mA時，在持續照射條件下，光陰極電流會出現緩慢下降現象，說明光陰極應避免強光照射或工作在大電流狀態；

2）調整光照強度，在光陰極電流約1mA時，持續光照10min，光陰極電流未見異常，能夠保證相對穩定。

10min的持續光照，光陰極電流依然能夠穩定，說明在光陰極電流值應不大于1mA的使用環境中，光陰極性能不會發生明顯變化。

以上光陰極電流為隨機選取的1只三代微光像增強器的摸底測試數據，不同三代微光像增強器的光陰極電流數據會有所不同，隨著工藝優化改進，光陰極電流值也會不同。

以下為了方便計算，還是選取光陰極電流值為1mA。

3.2.3 防護電阻選擇

大多數情況局部強光照度都遠小于亮光源測試條件的5×104lx，即光陰極電流值遠小于90mA，再結合光陰極電流應小于1mA的條件，可初步計算得到防護電阻的最小值：

計算可知，防護電阻值需大于400MW，同時在三代微光像增強器性能不下降的前提下，選取的電阻值應至少在計算值的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，需考慮標準電阻檔，還需與三代微光像增強器進行多次性能匹配聯調試驗確定。

3.2.4 電路功能驗證

結合原有自動門控電源控制原理，將目前自動門控電源的MCP電壓與陰極高壓脈沖的控制曲線設計如圖5所示，同時對N-MOS管控制驅動信號進行調整，使自動門控電源的陰極高壓脈沖按照設定技術狀態進行輸出，即在低照度條件下，N-MOS管與P-MOS管均為關閉狀態，光陰極主要通過跨接N-MOS管漏源極之間的防護電阻提供供電，同時提供亮光源防護；當照度達到一定限制時，自動門控電源陰極輸出變為標準方波形態，其驅動信號如圖6所示。

亮光源實驗過程照片如圖7(a)所示；微光像增強器使用改進前自動門控電源進行亮光源實驗后，會出現如圖7(b)所示的約1mm2的陰影斑現象；按照上述控制曲線及驅動方式，再經參數優化試驗，該自動門控電源最后折衷選擇了1GW阻值的防護電阻，使用該電源的微光像增強器再進行亮光源實驗后，未出現陰影斑現象，如圖7(c)所示，試驗結果進一步驗證了自動門控電源采用局部強光防護措施的有效性及電路實現的正確性。

圖5 自動門控電源控制方式

圖6 自動門控電源陰極脈沖驅動方式

圖7 微光像增強器亮光源實驗結果

4 結論

通過脈沖工作方式下的局部強光防護方法研究，分析了基于自動門控電源的微光像增強器在大動態照度范圍內遇到局部強光時的控制差異。針對低照度局部強光防護存在的問題，制定了防護電阻及優化控制策略的方法，在自動門控電源電路中進行了驗證，達到了預期目標，但電路參數選擇，尤其是陰極驅動脈沖控制方式的最優設計，還需要自動門控電源與像管的多輪聯調摸底試驗來進一步確定，以最大程度地提升微光像增強器局部強光防護能力。

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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研究。E-mail:13571900902@126.com。

國防基礎科研項目（JCKY2018208B016）。