0.   引言

微光像增强器是一种利用外光电效应成像的真空光电器件，主要由像增强管和适配的高压电源组成，能够将微弱的光学图像转换为适宜人眼观察的亮度图像^[1]。像增强器用高压电源一方面为光电阴极、微通道板（microchannel plate, MCP）和荧光屏提供工作电压，另一方面根据设定的控制逻辑对像增强器进行自动亮度控制（automatic brightness control, ABC）和强光源保护（bright-source protection, BSP），以确保荧光屏输出亮度在较高照度下保持恒定且适于人眼观察，此外，还能保护光电阴极在强光源照射下免受损伤^[2]。早期像增强器用高压电源为普通直流高压电源，该类电源能够根据光电阴极入射光照度的变化对阴极电压和MCP电压进行调节，使荧光屏的输出亮度保持不变，但使用该电源的像增强器动态范围有限，若遇到视场中有强光或强闪光时，图像可能模糊不清，严重时还会造成像增强器损坏^[3]，且该类电源采用模拟控制方式对像增强器进行控制，由于受电子元器件的高低温特性及电源的负载特性影响，电源阴极、MCP和阳极电压会随温度升高不同程度地降低，很大程度上加剧了该类像增强器高低温亮度增益和最大输出亮度的差异，从而影响了像增强器的高低温环境适应性^[4-5]。为解决上述问题，自动门控电源应运而生，自动门控电源阴极采用脉冲电压代替传统直流电压，当阴极入射光照度变化时调整阴极电压脉冲宽度和MCP电压，使微光像增强器光电阴极的照度适应上限由10 lx左右扩展到10⁵ lx^[6]；此外，由于自动门控电源采用数字式控制方式，在元器件选型上也考虑了温度特性，因此，自动门控电源的阴极、MCP和阳极输出电压基本能够保持恒定而不随温度发生变化。至今，自动门控电源已经逐步取代了普通高压电源在像增强器上的应用。

与普通直流高压电源相比，匹配自动门控电源的像增强器（简称“自动门控像增强器”）高低温特性有所改善，但由于在电压恒定条件下，像增强管阴极灵敏度和荧光屏发光效率会随温度升高而降低，仍会导致部分像增强器由于高温亮度增益和最大输出亮度偏低或者低温亮度增益和最大输出亮度偏高而不满足出厂要求。实际使用过程中通常希望像增强器在不同照度、不同温度环境下都能稳定工作，然而像增强管的阴极灵敏度和荧光屏发光效率的温度特性是由其材料特性决定的，短期内对其进行改善比较困难^[7]，因此，如何配置自动门控电源并控制像增强器以适应不同的工作环境至关重要。本文基于自动门控电源研究像增强器的温度补偿技术，旨在提高像增强器在不同温度条件下亮度增益和最大输出亮度的一致性。

1.   温度补偿原理分析

像增强器亮度增益和最大输出亮度较高能够有效提高其低照探测能力及目标观察距离，但如果亮度增益过高则可能会导致像增强器出现击穿、尖棱放电等疵病的风险，而过低则可能会导致像增强器分辨力降低，影响其成像质量。

自动门控像增强器工作过程通常可分为两个阶段，具体如图 1所示。

图  1  自动门控像增强器高低温输出亮度对比图

Figure  1.  High and low temperature brightness characteristics comparison diagram of image intensifier based on auto-gated power supply

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① 当荧光屏输出亮度小于所设置的最大输出亮度（maximum output brightness，MOB）时，像增强器工作于增益状态，此时MCP电压和亮度增益保持最大值（如图 2所示），荧光屏输出亮度随照度增加而线性增大，该状态下像增强器的观察效果主要取决于设定的亮度增益，荧光屏输出亮度、亮度增益和输入照度三者之间满足关系：

图  2  自动门控像增强器高低温增益对比示意图

Figure  2.  High and low temperature gain characteristics comparison diagram of image intensifier based on auto-gated power supply

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式中：B表示荧光屏输出亮度；G_max为所设定的像增强器亮度增益；E_v为像增强器阴极面输入照度。

② 随着照度升高，荧光屏输出亮度达到MOB，像增强器进入亮度状态（又称“饱和状态”），此时像增强器的荧光屏输出亮度维持MOB不变，亮度增益随阴极面输入照度升高而降低，亮度增益与照度满足关系：

超二代像增强器通常将亮度增益设定为15000 cd/m²/lx左右，最大输出亮度设定为6~8 cd/m²，因此，根据式(2)，像增强器从增益状态切换到亮度状态时对应的阴极面输入照度一般为5×10^－4 lx左右。高低温条件下，虽然自动门控电源设定的亮度增益最大值（由MCP电压决定）和最大输出亮度值（由阳极电流设定值决定）并未发生改变，但由于像增强器阴极灵敏度和荧光屏发光效率发生变化，导致像增强器的亮度增益和最大输出亮度发生了变化。未采取温度补偿技术的自动门控像增强器高低温输出亮度和增益特性总体如图 1和图 2所示，从图中可以看出，在低温（－45℃）下亮度增益和荧光屏输出亮度明显高于常温（25℃）和高温（55℃）。

自动门控像增强器的组成结构如图 3所示，其工作过程总结如下：

图  3  自动门控像增强器组成结构

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

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① 自动门控电源输入为2~4 V的直流电压（通常由3V干电池提供），通过低压变换电路得到稳定的3.3V直流电压。

② 通过高压产生电路对3.3 V直流电压进行处理得到四路交流输出：一路5 V交流电压经过整流之后得到阴极关闭电压，另一路200 V交流输出经过阴极单倍压之后得到阴极开启电压，阴极控制信号通过高速开关电路控制阴极开启和关闭即可得到一路脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）信号，以供给阴极实现脉冲宽度可调；另外一路370 V左右的交流输出经过MCP倍压器得到MCP电压供给MCP输出端，MCP输入端接地；最后一路760 V的交流输出，通过阳极倍压器得到像增强器正常工作所需阳极电压。

③ 自动门控电源对像增强器阳极电流进行采样，并将采样值通过微控制单元（microcontroller unit, MCU）内部的控制逻辑与设定的阳极电流值进行比较，计算MCP电压和阴极脉冲宽度的调节量，通过阴极和MCP控制逻辑对MCP电压和阴极脉冲宽度进行调节以实现对像增强器亮度增益和最大输出亮度的控制。

④MCU内部还有内置温度传感器，可对像增强器工作的实时环境温度进行采样，当像增强器工作于增益状态时，根据当前温度调节MCP电压以弥补该温度下亮度增益的变化；当像增强器工作于亮度状态时则根据当前温度调节设定的阳极电流设定值以弥补荧光屏输出亮度的变化。

2.   温度补偿方案设计

基于上述原理分析，增益状态时，将像增强器亮度增益变化量和温度变化量分别记为ΔG_TR＝G_T－G_R和ΔT＝T－T_R，其中G_T和G_R分别为温度T和室温下（25℃）的亮度增益。据此，温度每变化1℃，亮度增益变化百分比表示为：

亮度增益主要受MCP增益影响，通常情况下，MCP压每增加50 V，其增益就可以增加1倍，即MCP增益与其电压之间遵循^[8]：

式中：G_M为MCP增益；G_M0为800 V电压时的MCP增益；V_mcp为MCP电压。由式(4)可知，MCP电压每变化1 V，MCP增益变化百分比为θ_mcp＝0.014，结合式(4)可得，增益状态下温度每变化1℃所需的MCP电压补偿量可以表示为：

式中：p为考虑了阴极、MCP和阳极等所有受温度影响的因素之后的MCP电压温度补偿系数。因此，当像增强器工作于增益状态时，MCP电压补偿关系式可表示为：

亮度状态时，荧光屏输出亮度变化量和温度变化量分别记为ΔB_TR＝B_T－B_R和ΔT＝T－T_R，其中B_T和B_R分别为温度T和室温下的荧光屏输出亮度。据此，温度每变化1℃，荧光屏输出亮度变化百分比表示为：

由于荧光屏输出亮度与光电流之间存在线性比例关系，且阳极电流设定值与荧光屏光电流之间也存在线性比例关系^[9]，则温度每变化1℃，阳极电流设定值的变化百分比为：

式中：I_T和I_R为温度T和室温（25℃）下的荧光屏光电流；ΔI_TR＝I_T－I_R表示温度为T时与常温相比光电流的变化量；q为考虑了阴极、MCP和阳极等所有受温度影响的因素之后的阳极电流设定值温度补偿系数。因此，当像增强器工作于亮度状态时，阳极电流设定值I_{a_set}补偿关系式可表示为：

3.   实验验证

3.1   温度补偿系数确定

由于超二代像增强器制造验收规范要求其工作温度范围为－45℃~55℃，且像增强器亮度增益和荧光屏输出亮度随温度变化趋势大体一致，为确定温度补偿系数p和q，在－45℃、25℃、55℃下分别测试自动门控像增强器的亮度增益和荧光屏输出亮度。随机选取3031#、1059#和1018#共3具北方夜视自研18 mm NVT-6像增强管分别外挂自研同型号自动门控电源J2202004、J2202009和J2202012进行实验，在3个温度下分别测试自动门控电源阴极电压V_c，MCP电压V_mcp和阳极电压V_a，同时测试像增强器在10^－5 lx（增益状态）时的亮度增益G和10 lx（亮度状态）时的荧光屏光电流I_a。表 1所示为自动门控电源测试结果，从表 1可以看出，阴极和MCP电压基本不受温度影响，阳极电压降低50 V左右，但对像增强器的整体亮度增益和荧光屏输出亮度影响不大，可以忽略不计。

表  1  自动门控电源高低温测试结果

Table  1.  High and low temperature test results of auto-gated power supply

T/℃	J2202004				J2202009				J2202012
	Vc/V	Vmcp/V	Va/kV		Vc/V	Vmcp/V	Va/kV		Vc/V	Vmcp/V	Va/kV
-45	-221	939	6.34		-219	941	6.33		-219	943	6.30
25	-219	939	6.32		-219	941	6.31		-219	943	6.30
55	-217	936	6.29		-215	940	6.28		-215	941	6.27

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表 2所示为NVT-6像增强管外挂上述自动门控电源的亮度增益和荧光屏光电流测试结果，根据式(5)计算可得低温下3具像增强器对应的MCP电压温度补偿系数p₁分别为－0.23，－0.2和－0.2，计算平均值可得p₁＝－0.21；高温对应的MCP电压温度补偿系数p₂分别为－0.57、－0.54和－0.55，计算平均值可得p₂为－0.55。因此，增益状态下MCP电压补偿关系式(6)可写为：

表  2  像增强器温度补偿前测试结果

Table  2.  Test results of image intensifier before temperature compensations

T/℃	3031#			1059#			1018#
	G/(cd/m2/lx)	Il/nA		G/(cd/m2/lx)	Il/nA		G/(cd/m2/lx)	Il/nA
-45	15645	4.13		16432	4.02		16553	4.23
25	12800	3.65		13700	3.49		13800	3.74
55	9722	3.19		10600	3.01		10600	3.3

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由式(10)可知低温MCP最大补偿电压为－14.7 V，高温MCP最大补偿电压为16.5 V。

根据式(10)计算可得低温下3具像增强器对应的光电流设定值温度补偿系数q₁值分别为－0.0019，－0.0022和－0.0019，计算平均值得q₁=－0.002；高温对应的补偿系数q₂值分别为－0.0042，－0.0046和－0.0039，计算平均值可得q₂=－0.0042。因此，亮度状态下阳极光电流设定值补偿关系式(9)可改写为：

由式(11)可知低温阳极光电流最大补偿值为－14%，高温阳极光电流最大补偿值为12.6%。

3.2   温度补偿结果验证

对3031#、1059#和1018#三具像增强管分别外挂电源J2202004、J2202009和J2202012进行式(10)和(11)的温度补偿，然后在－45℃、－25℃，0℃、25℃、55℃温度下进行亮度增益和荧光屏输出亮度的测试，并与温度补偿前的测试结果进行对比，其结果如表 3所示。由表 3可知，温度补偿前3031#的高温（55℃）、低温（－45℃）亮度增益分别为常温时的76%和122%，补偿后变为100%和110%，温度补偿前3031#的高温、低温荧光屏最大输出亮度为常温时的87%和113%，补偿后变为91%和96%；1059#和1019#样品补偿结果也与3031#类似。总体下来，3具像增强器温度补偿前高温、低温时的亮度增益平均分别为常温的77%和121%，温度补偿后约为常温的99%和105%，即采取MCP电压温度补偿能够有效提高高低温亮度增益的一致性；温度补偿前高、低温最大输出亮度平均分别为常温的87%和114%左右，温度补偿后约为常温的91%和104%，即采取阳极电流设定值温度补偿能够一定程度上提高像增强器高温和低温最大输出亮度的一致性。本文所述温度补偿技术是基于北方夜视生产的像增强管和自动门控电源进行研究所得出的结果，不同厂家像增强管和自动门控电源温度补偿系数可能会存在差异，但补偿技术是可以通用的。

表  3  像增强器温度补偿前后对比

Table  3.  Contrast of image intensifier before and after temperature compensations

T/℃	3031#					1059#					1018#
	G/(cd/m2/lx)		MOB/(cd/m2)			G/(cd/m2/lx)		MOB/(cd/m2)			G/(cd/m2/lx)		MOB/(cd/m2)
	Before	After	Before	After		Before	After	Before	After		Before	After	Before	After
55	9722	12824	6.9	7.2		10600	13760	7.1	7.4		10600	13346	6.7	6.9
25	12800	12800	7.9	7.9		13700	13700	8.3	8.3		13800	13800	7.8	7.6
0	14298	13692	8.4	8.1		15558	14124	9.0	8.4		15054	14386	8.0	7.8
-25	15835	14223	8.4	8.2		16675	14638	9.5	8.5		16665	14888	8.3	7.8
-45	15645	14085	8.9	7.6		16432	14117	9.5	8.1		16553	14566	8.6	7.5

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4.   结论

通常情况下，未采取温度补偿的自动门控像增强器低温亮度增益和荧光屏最大输出亮度普遍高于常温和高温，为提高像增强器高低温性能一致性，需要对其进行温度补偿，本文通过补偿不同温度下的MCP电压和阳极电流设定值温度能够有效提高其高低温亮度增益和最大输出亮度一致性。

增益状态时，高温通过增加MCP电压能够将亮度增益提高22%，MCP电压补偿量约为16.5 V；低温时通过降低MCP电压能够将亮度增益降低16%，MCP电压补偿量约为－14.7 V。亮度状态（照度高于5×10^－4 lx）时，高温通过增加阳极电流设定值能够将最大输出亮度提高4%，阳极电流补偿量约为12.6%；低温时通过降低阳极电流设定值能够将最大输出亮度降低10%，阳极电流补偿量约为－14%。