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微光像增强器的噪声特性研究

周立  
【摘要】:近年来,微光夜视技术在军事、科学研究、工业等领域应用广泛。微光夜视系统可以帮助人们探测人眼无法识别的微弱光图像,发挥“光能放大器”的作用。微光像增强器是构成微光夜视系统的重要部件,其背景噪声、信噪比、分辨率、光谱响应、增益等关键性能决定着整套微光夜视系统的性能和价格。而对像增强器而言,其噪声特性可以直接制约夜视设备的观察效果和视距,是影响成像过程的重要因素。因此,噪声问题的有效解决可以提高微光成像技术的性能指标,为研制新型光电器件提供依据。 背景噪声和信噪比是反映像增强器噪声特性的重要参数。本文工作围绕如何改善像增强器的噪声性能而展开,对这两个方面做出了相关的探索和研究:(1)背景噪声的研究:根据像增强器的噪声来源和目前研究像增强器噪声性能的主要思路,本文从另一种角度出发,提出通过抑制光阴极场致噪声来降低像增强器的背景噪声。由于场致发射噪声主要与光阴极两端所加载的电压有关,同时受温度因素的影响,我们研究光阴极电压、温度、背景噪声三者的关系,尤其是在不同温度下,光阴极电压对像增强器背景噪声的影响;(2)信噪比的研究:根据线性系统信噪比理论,分析了微光像增强器的噪声因子。由于系统的噪声因子与光阴极电压有关,我们着重研究光阴极电压与系统噪声因子的关系,得到提高像增强器输出信噪比的有效途径。 噪声特性的优化是设计高性能像增强器的基础,通过对像增强器背景噪声及信噪比理论的分析和数值计算得到:(1)在温度一定的情况下,背景噪声随着光阴极电压的增加呈指数趋势增长。温度越高,背景噪声随光阴极电压的增大而增长的趋势越明显。(2)在光阴极电压一定的情况下,背景噪声随光阴极温度的增加呈指数趋势增长。光阴极电压越高,背景噪声随温度的升高而增大的趋势越明显。(3)像增强器的输出信噪比随着光阴极电压的增加而增大,并趋于饱和。 同时,我们分别构建了基于第二代像增强器的两套实验系统对上述理论分析进行验证。实验系统一用于研究光阴极电压、温度对背景噪声的影响,实验系统二用于研究光阴极电压对像增强器输出信噪比的影响。通过实验结果可知:(1)在温度分别为-1.4℃、22.5℃和54.1℃的情况下,光阴极电压从-20V增加到-240V,像增强器的背景噪声增长了15dB,并且呈指数形式增长。当温度为54.1℃时,背景噪声增长最快。(2)当光阴极电压分别为-160V、-200V和-240V时,温度从-12.7℃上升到24.7℃,像增强器的背景噪声增长了18dB,并且也呈指数形式增长。当光阴极电压为-240V时,背景噪声增长最快。(3)光阴极电压从-20V增加到-240V时,像增强器的输出信噪比从4.352开始单调增长,并在光阴极电压在-160V时开始趋于饱和,最终到达饱和点8.34。 通过分析可知,实验结果与理论分析一致,最终确定光阴极最佳工作电压为-160V左右,该研究成果可以为提高像增强器的噪声性能提供依据。


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