基于自动亮度控制模型的门控型微光像增强器荧光屏亮度研究

孙默涵，钱芸生，任莹楠，智强，孔祥宇，郎怡政

（1 南京理工大学电子工程与光电技术学院，南京210094）

（2 微光夜视技术重点实验室，西安710065）

0 引言

微光像增强器是夜间战场的一种重要武器装备，从一代像增强器出现，经过二代、超二代像增强器的发展，到目前各军事国家三代像增强器装备的普及，以及美国四代像增强器产品的出现［1-3］，微光像增强器技术产生了质的飞跃。微光像增强器能将微弱的可见光图像增强为人眼可见的亮度图像。微光像增强器通常由光电阴极、微通道板（Microchannel Plate，MCP）、荧光屏和适配的专用电源组成，其中光电阴极、MCP 和荧光屏构成微光像增强器的光学组件部分，而与之适配的专用电源除了为微光像增强器提供各电极必要的稳定电压，还必须具有自动亮度控制（Automatic Brightness Control，ABC）功能和强光保护功能，以确保荧光屏亮度保持稳定适合人眼观察，同时保护光电阴极在高照度下免受损坏［4-5］。应用于光电阴极与MCP 之间的门控电源是实现像增强器强光保护的重要部分，主要特征是以脉冲（Pulse width Modulation，PWM）高压取代传统直流高压，仅在脉冲持续期间才有光电子通过，实现电子流的开关操作［6-7］。国内学者目前对自动门控电源性能的测试研究主要集中在测试微光像增强器的动态范围、信噪比等指标［8-9］，但缺少与之相关的自动亮度控制模型以及反映其强光保护效果的测试指标。

基于目前国内微光像增强器用门控电源缺少理论模型支撑和测试指标的现状，本文设计了一种高照度自动亮度控制模型，并提出了响应时间和稳定时间两个测试指标，来反映门控电源微光像管在突发强光环境下，强光保护电路产生效果的速度以及荧光屏亮度稳定到适合人眼观看的时间，并对微光夜视技术重点实验室制作的自动门控电源像增强器进行测试实验，验证了测试方法的有效性。

1 实验装置及基本原理

1.1 实验装置

荧光屏亮度测试装置主要由光源组件、电动光阑、电动衰减片、光快门、测试暗箱、光伏电池、信号采集模块、工控计算机和电源模块组成，系统框图如图1所示，测试系统实物图如图2所示。

图1 系统框图Fig.1 The system block diagram

图2 测试系统实物图Fig.2 The picture of the test system

其工作过程为：实验时，光源系统处于常亮状态，通过调节电动光阑及电动衰减片使光源系统积分球出口处输出200 lx 的稳定光源；通过上位机软件和光快门控制器控制光快门的开闭，使置于测试暗箱的待测像增强器间歇处于200 lx 的强光照射下；信号采集模块将荧光屏亮度信号集到的上位机，并进行显示，最后计算出响应时间及稳定时间。

1.2 门控电源

门控电源，是微光像增强器发展与应用的一个重要方向［10-11］，主要是通过MCP 电压调节与光电阴极电压脉宽调节［12］相结合的方式来增加光电阴极的照度适应范围。在阴极和MCP 之间加负电压时，其工作原理如图3（a）所示，光电子由光电阴极发射到达MCP 输入端并进入通道倍增，最后在荧光屏和MCP 输出端之间正电场的作用下到达荧光屏；当电压方向反转，即在阴极和MCP 之间加正电压时，情况如图3（b）所示，阴极发射的电子在逆电场的作用下未能到达MCP 输入端，因此没有二次电子轰击荧光屏。可见，通过控制光电阴极电压的正负极性，就能控制光电阴极到MCP 输入端电子的流动，起到电子快门［13］的作用。基于以上原理，四代像增强器使用的门控电源［14］在管体的电极上施加受控的门控脉冲电压，而不是固定的电压。按选通脉冲施加位置的不同，可以分为阳极（即荧光屏）门控、MCP 门控和光阴极门控。门控驱动后，管体电极间的加速电场不再是固定的，而是受控于门控信号，这样像增强器就只在门控信号出现时工作，而没有门控信号的时候像增强器不工作［5］。

图3 光电阴极电子发射与驱动电压极性的关系Fig.3 The relation between electron emitting of photocathode and working voltage polarity

1.3 荧光屏信号采集装置

进行门控电源微光像增强器响应时间的测试时，像增强器荧光屏的亮度信号是由光电池采集并转化为微小光电流信号，故需将此电流信号转换成电压信号并放大；同时像增强器的响应时间在ms 级，采样模块的采样频率设置为20 480 Hz，因此放大电路需要足够大的带宽，本实验装置采用了11 MHz 带宽的放大器OPA2140，并设计了如图4所示电路。

图4 电流转电压放大电路Fig.4 Current to voltage amplifier circuit

2 高照度自动亮度控制模型建立

假设入射光照度为S0，建立像增强器连读的主要影响因素的关系示意图如图5所示。

图5 像增强器亮度的主要影响因素关系示意图Fig.5 Schematic diagram of the relationship between the main factors affecting the brightness of the image intensifier

假设各级单元的准确函数为Fk(k=1，2，3，4)，则各级信号Sk关系为

取各增量最大值，若第n个最大，则将该变量更新，其他不变。至此模型建立完成。

3 实验结果

3.1 强光响应时间及稳定时间测试原理

强光响应时间是反映像增强器强光保护技术是否有效及其性能的重要指标，它定义为：在规定的工作电压下，像增强器阴极前端从微光照度环境突变到高照度条件环境（一般为200 lx），门控电源开始工作使荧光屏亮度降低，从高照度环境的峰值时刻开始，到荧光屏亮度下降到最大亮度峰值的90%所需要的时间即为强光响应时间，也是强光保护措施的工作时间。强光响应时间越短，则表示像增强器强光保护性能越好。此时，强光响应时间TR可表示为

式中，T2为强光目标照度达到峰值的时刻，T1为像增强器在强光保护方法的作用下降低荧光屏亮度到最大亮度峰值的90%的时刻。

荧光屏亮度在下降到最低点后会有一个回冲的过程，荧光屏会由暗变亮，经过一段时间稳定，强光稳定时间定义为荧光屏亮度最高点的时刻T1′到亮度稳定时刻T2′的时间，稳定时间Ts可表示为

稳定时间越短说明荧光屏亮度到达人眼适合观察的稳定亮度的速度越快。

3.2 模型仿真

实际电路中无法直接使用荧光屏亮度进行信号反馈，而荧光屏亮度Lp和荧光屏电流Ip有

在阳极电压Vp、荧光屏发光效率η和荧光屏面积Ap都为固定值时，Ip和Lp有唯一线性对应关系［15］。

根据实验数据，将阴极电压与荧光屏电压设为定值，则根据式荧光屏电流的理论公式［15］有

式中，对于同一样本，Sc·Ac为常数，则计k=Sc·Ac。而微通道板［16］电流增益G有

式中，C为常数，对未经电子清刷的MCP，C＝8.5，对清刷过的MCP，C＝9.5～10；α为MCP 长径比，对于5 μm通道板，α在50～56 之间。取α=50，C=10，则有

表1 为某型号像管荧光屏亮度测试结果，将数据代入式（22）。可估算出kp·k≈2.16，则有

表1 某型号像管荧光屏亮度测试结果Table 1 Experiment results of screen brightness for an image intensifier

将式（23）代入式（14）模型，选取的迭代方式为占空比按比例调节d[k+1]=kd·d[k]；MCP 电压按固定步长调节Vmcp[k+1]=Vmcp[k]±ΔVmcp，并在接近目标值S4′时改为较小的步长ΔVmcp′。在此迭代控制方式下，改变不同的kd和ΔVmcp，ΔVmcp′，可得到如图6 曲线。

由图6 可以发现，响应时间会随着kd，ΔVmcp的增大而减小，但在kd，ΔVmcp过大时，会造成荧光屏亮度快速下降到低于目标值的水平，导致后续需要通过ΔVmcp′的小步长对MCP 电压进行调节，这样就会增加荧光屏的稳定时间；而稳定时间会随ΔVmcp′的增大而减小，但ΔVmcp′过大时会导致荧光屏亮度在一个范围内不停震荡。因此要使荧光屏亮度有快速的响应和稳定，控制步长的选择至关重要。

图6 各参数不同步长变化下的荧光屏亮度仿真曲线Fig.6 Simulation curve of screen brightness under different parameter length change

3.3 荧光屏亮度测试实验结果

根据响应时间测试流程，对a、b、c三种不同型号的像管进行测试，各样品主要有以下不同：a样品的门控电源频率为160 Hz，b、c样品的门控电源频率为500 Hz；a、b样品的控制方式为阴极脉宽与MCP 电压同时下降，c样品的控制方式为先降MCP 电压再调整阴极脉宽。图7 中的（a）、（b）、（c）分别代表样品a、样品b、样品c的荧光屏亮度实验结果。

图7 三种像管荧光屏亮度实验结果及回冲过程放大图Fig.7 Experiment results of screen brightness for three kinds of image intensifier and enlarged view of rebound process

可以看出，因阴极脉冲信号的影响，荧光屏的亮度在以一个固定频率闪烁，a管为160 Hz，b，c管为500 Hz，为符合人眼所见亮度，分别对三个像管的实验数据进行均值滤波，窗口大小为门控电源信号的周期，得到图8，其中图8（a）、（b）、（c）分别代表样品a、样品b、样品c实验数据均值滤波后的曲线及其局部放大图；同时图中荧光屏亮度在下降到最低点后会有一个回冲的过程，荧光屏会由暗变亮，经过一段时间变稳定，将荧光屏亮度最高点的时刻到亮度稳定时刻的时间记为稳定时间（Stabilization time）。

图8 三种像管荧光屏亮度均值滤波结果及回冲过程放大图Fig.8 Mean filtering results of screen brightness for three kinds of image intensifier and enlarged view of rebound process

根据均值滤波后的曲线进行响应时间与稳定时间的计算，得到三种像管响应时间及稳定时间的数据，如表2所示。

根据图7～8 曲线与表2 的数据，可以发现：

表2 三种像管响应时间及稳定时间结果Table 2 Response time and stabilization time of three kinds of image intensifier

1）荧光屏在门控电源的作用下不停闪烁，闪烁频率与门控电源信号频率有关，门控电源信号频率较低会造成强光来临时刻门控电源信号的占空比调节不及时，导致Vmcp被持续拉低；

2）对于三个样本，因为实际使用过程中，电路的实际运作存在延迟以及过冲等种种现象，所以仿真结果与实验结果会存在偏差，但变化趋势上两者是一致的，荧光屏亮度在强光来临时迅速上升，随后迅速变暗，最后进行一段时间的缓慢回升，达到稳定点；

3）对于样本a，响应时间最快，稳定时间最长，并且亮度稳定之后仍然有一定频率的震荡，这与ΔVmcp′较大的情况相一致。同时其门控电源脉冲频率最小，小于Vmcp的反馈速度，也会导致Vmcp不停变化，使荧光屏亮度不断变化；

4）对于a，b，c样品，相同的门控电源脉冲频率，不同的控制步长情况下，响应时间和稳定时间呈反比趋势。参照仿真曲线图6，响应时间越小说明占空比及MCP 电压调节步长较大，导致后续的回升阶段需要更多次的迭代达到稳定，所以稳定时间随响应时间的增大而减小。

4 结论

基于国内关于门控电源微光像增强器缺少自动亮度控制模型和评价测试指标的现状，根据荧光屏亮度理论公式，设计了一套自动亮度控制模型，进行了仿真研究，制作了荧光屏亮度测试系统，通过测试微光夜视技术重点实验室制作的自动门控电源微光像增强器的响应时间以及稳定时间，验证了模型的可行性，并分析了控制方案的不同对响应时间以及稳定时间的影响，对后续的微光像增强器用门控电源的研究具有指导意义。