盧 杰，常 樂，陳益新，姜云龍，蘇天寧，劉倍宏，趙 航，錢蕓生，劉 健

（1. 南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094；2. 北方夜視技術(shù)股份有限公司，云南 昆明 650217；3. 南京美樂威電子科技有限公司，江蘇 南京 210094）

引言

微光夜視技術(shù)[1-3]是當(dāng)代拓寬人類裸眼有效視力的主要技術(shù)之一，其主要核心器件為微光像增強(qiáng)器。微光像增強(qiáng)器的主要功能是完成入射電子的倍增，使原來觀察不清晰的輻射圖像轉(zhuǎn)化為人眼可以清晰分辨的輻射圖像。自第一代像增強(qiáng)器問世以來，像增強(qiáng)器便得到快速發(fā)展，發(fā)展方向主要包括提高光電陰極的靈敏度[4]、增強(qiáng)微通道板的增益[5]及研究熒光屏的時間特性[6]等。熒光屏作為夜視技術(shù)中顯示部分的重要一環(huán)，其時間特性是評判像增強(qiáng)器質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。日前英國PHOTEK 公司[7]設(shè)計(jì)出一款全新像增強(qiáng)器，該像增強(qiáng)器最大優(yōu)勢在于具有超快光學(xué)現(xiàn)象的特點(diǎn)，熒光屏余輝時間達(dá)80 ns，屬于超快光學(xué)時間范疇。在國內(nèi)，微光夜視技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室也在積極研究基于P47 熒光粉的具有超快光學(xué)特征的像增強(qiáng)器。目前，我國頒布實(shí)施的國軍標(biāo)通用規(guī)范熒光屏余輝試驗(yàn)方法主要有2 種方式[8-11]：第1 種是控制光源的發(fā)射，通過控制光源的通斷來控制熒光屏的亮度情況；第2 種是控制像增強(qiáng)器中光電陰極的門控脈沖電壓，通過控制門控脈沖電壓實(shí)現(xiàn)光源的通斷。然而，以上2 種方案均存在器件響應(yīng)速度過慢的問題，在測量超快光學(xué)器件時均具有一定局限性，無法準(zhǔn)確測量納秒量級的熒光屏余輝時間。

針對目前現(xiàn)有的熒光屏余輝時間測試技術(shù)還不足以測試此類像增強(qiáng)器的現(xiàn)象，本文基于傳統(tǒng)的熒光屏余輝時間測試方案，利用響應(yīng)速度極快的信號發(fā)生器產(chǎn)生光源信號，結(jié)合FPGA[12-13]優(yōu)異的高速數(shù)據(jù)處理性能，利用Visual Studio 軟件開發(fā)平臺對采集到的數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)處理，以及對各儀器實(shí)現(xiàn)程序控制，設(shè)計(jì)一套可以測量超快光學(xué)特征的像增強(qiáng)器熒光屏余輝時間測試系統(tǒng)，并對該測試系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該測試系統(tǒng)的可行性。

1 測試系統(tǒng)組成及工作流程

熒光屏快速余輝時間測試系統(tǒng)主要由激光二極管脈沖光源、高速信號發(fā)生器、面均勻光源系統(tǒng)、測試暗箱、亮度測試模塊、工控計(jì)算機(jī)組成。圖1 為熒光屏快速余輝時間測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，圖2 為熒光屏快速余輝時間測試系統(tǒng)實(shí)物圖，圖3為暗箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)物圖。

圖1 熒光屏快速余輝時間測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig. 1 Structure block diagram of rapid afterglow time test system for fluorescent screen

圖2 熒光屏快速余輝時間測試系統(tǒng)實(shí)物圖Fig. 2 Physical drawing of rapid afterglow time test system for fluorescent screen

圖3 暗箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)物圖Fig. 3 Physical drawing of rapid afterglow time inner structure of camera obscura

其具體工作流程為：工控計(jì)算機(jī)通過控制高速信號發(fā)生器驅(qū)動激光二極管光源產(chǎn)生符合測試條件的光脈沖，光脈沖經(jīng)過面均勻光源系統(tǒng)后傳遞至暗箱，暗箱中放置待測像增強(qiáng)器，直流穩(wěn)壓電源用于給像增強(qiáng)器整管及負(fù)責(zé)熒光屏光信號采集的光電倍增管提供3 V 和5 V 的工作電壓，熒光屏上的亮度信號輸入亮度測試模塊中，工控計(jì)算機(jī)通過發(fā)送指令的形式向亮度測試模塊中索要熒光屏亮度信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和分析等過程，最終在上位機(jī)中顯示余輝曲線圖像，計(jì)算出待測像增強(qiáng)器的熒光屏余輝時間。

2 基于FPGA 的亮度信息高速采集硬件設(shè)計(jì)

為提高數(shù)據(jù)的采集速率，增加數(shù)據(jù)采集的工作效率，研制了基于FPGA 的熒光屏亮度信息高速采集模塊，其整體結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示，實(shí)際硬件圖如圖5 所示。模塊的主要硬件電路包括光電倍增管采樣電路、放大及單端轉(zhuǎn)差分電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、高速采集與傳輸控制電路、USB3.0 接口電路。光電倍增管采樣電路基于日本濱松H10720 型號的光電倍增管進(jìn)行設(shè)計(jì)，其下降時間僅為0.57 ns，可在很大程度上降低納秒級余輝過程的測量誤差。放大電路采用LTC6229 芯片，能夠完成對μA量級的微弱光電流信號的20 倍放大，為滿足進(jìn)入AD 的輸入模式，使用ADI4939 芯片完成電信號的單端轉(zhuǎn)差分過程。A/D 轉(zhuǎn)換電路采用AD9684 芯片，其采樣率高達(dá)500 M，可以實(shí)現(xiàn)對熒光屏亮度信號的高速采集。在FPGA 的控制下，熒光屏亮度模擬信號首先被光電倍增管采集完成光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為微弱的電流信號，電流信號經(jīng)過放大及單端轉(zhuǎn)差分電路，進(jìn)入A/D 轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字信號后與FPGA 的BANK 口相連進(jìn)入FPGA內(nèi)部。

圖4 亮度測試模塊具體結(jié)構(gòu)框圖Fig. 4 Structure block diagram of luminance test module

圖5 亮度測試模塊硬件圖Fig. 5 Hardware physical drawing of luminance test module

高速采集與傳輸控制電路的設(shè)計(jì)主要集中在FPGA 上，F(xiàn)PGA 的主要作用是在ADC 芯片和USB3.0 之間形成有效的緩沖和控制，將ADC 接口與USB3.0 接口進(jìn)行連接，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、緩存、傳輸?shù)裙δ?。FPGA 通過外擴(kuò)DDR4 SDRAM存儲器，單片存儲容量大小為512 MB，可以保存采集到的臨時數(shù)據(jù)。之后，通過上位機(jī)發(fā)出的指令需求，數(shù)據(jù)通過USB3.0 高速傳輸接口傳遞至PC中，在PC 上進(jìn)行數(shù)字信號處理，最終獲取熒光屏余輝曲線。

3 熒光屏快速余輝時間測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為方便實(shí)現(xiàn)對各個儀器的程控目的，熒光屏快速余輝時間測試系統(tǒng)選用的軟件平臺是基于Visual Studio 2013 開發(fā)環(huán)境，利用MFC（microsoft foundation classes）編寫而成的。通過MFC 程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在一個操作界面內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集、熒光屏余輝數(shù)據(jù)處理、測試結(jié)果顯示、測試設(shè)置、測試結(jié)果保存等功能，其程序界面如圖6 所示。

圖6 熒光屏快速余輝時間測試系統(tǒng)程序界面Fig. 6 Program interface of rapid afterglow time test system for fluorescent screen

3.1 亮度信號的卡爾曼濾波去噪算法[14]

熒光屏亮度數(shù)據(jù)通過USB3.0 高速傳輸協(xié)議到達(dá)上位機(jī)中，但由于信號在傳輸過程中伴隨著巨大的電磁噪聲干擾，這些電磁噪聲干擾會對熒光屏的余輝過程造成誤判，因此需要對通過USB3.0傳輸?shù)臒晒馄亮炼葦?shù)據(jù)進(jìn)行濾波操作。通過分析數(shù)據(jù)噪聲的特性可知為隨機(jī)噪聲，且服從高斯分布，同時亮度信息存在一定的變化趨勢，故采用卡爾曼濾波算法對熒光屏亮度數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波操作。該算法的原理是，通過觀測值與理論實(shí)際數(shù)據(jù)融合得到當(dāng)前最佳預(yù)估值。濾波包含2 個階段，預(yù)測階段和更新階段。預(yù)測階段根據(jù)前一時刻的狀態(tài)估計(jì)值推算當(dāng)前時刻的狀態(tài)變量先驗(yàn)估計(jì)值和誤差協(xié)方差先驗(yàn)估計(jì)值；更新階段負(fù)責(zé)將先驗(yàn)估計(jì)值和新的測量變量結(jié)合，構(gòu)造改進(jìn)的后驗(yàn)估計(jì)值作為濾波后的數(shù)據(jù)結(jié)果，其算法迭代圖如圖7 所示。

圖7 卡爾曼濾波算法迭代圖Fig. 7 Iteration diagram of Kalman filtering algorithm

在算法中需要對2 個參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，分別為Q和R，其含義分別為過程噪聲協(xié)方差值和測量噪聲協(xié)方差值。兩值的取值不同，則代表對模型預(yù)測值和實(shí)際測量值的權(quán)重不一致，會對卡爾曼濾波效果產(chǎn)生不同程度的影響。經(jīng)過不同參數(shù)取值的卡爾曼濾波示意圖如圖8 所示。

圖8 不同參數(shù)值的卡爾曼濾波示意圖Fig. 8 Schematic diagram of Kalman filter with different parameter values

3.2 亮度信號收集過程

由于數(shù)據(jù)在一個周期內(nèi)數(shù)量十分巨大，因此在上位機(jī)上不能直接顯示。為清晰描述待測像增強(qiáng)器的熒光屏余輝過程，選取亮度數(shù)據(jù)在一個周期內(nèi)的跳變沿進(jìn)行收集。為提高測試系統(tǒng)的測試時間，提出一種基于降采樣的快速尋找跳變沿算法，具體算法流程圖如圖9 所示。

圖9 基于降采樣的快速尋找跳變沿算法流程圖Fig. 9 Flow chart of fast finding jump edge algorithm based on downsampling

對采集到的數(shù)據(jù)通過降采樣方式每隔20 個數(shù)據(jù)進(jìn)行遍歷，若遍歷的連續(xù)5 個數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)出單調(diào)遞減趨勢，則認(rèn)為此時已經(jīng)進(jìn)入了余輝過程，從而確定余輝過程起點(diǎn)，同理可以獲取到余輝過程終點(diǎn)。將余輝過程的數(shù)據(jù)保存到在堆區(qū)創(chuàng)建好的數(shù)組單元內(nèi)，通過遍歷方式得到當(dāng)前余輝過程的最大值與最小值點(diǎn)。根據(jù)GJB 7351-2011《超二代像增強(qiáng)器通用規(guī)范》[15]中對待測像增強(qiáng)器余輝時間的測量規(guī)定—“脈沖激勵停止后熒光屏的亮度下降到停止激勵的10%所經(jīng)歷的時間”，從而可以將余輝曲線顯示在上位機(jī)中，并計(jì)算出余輝時間。

4 測試結(jié)果與分析

4.1 測試參數(shù)選擇

實(shí)驗(yàn)所選取的光源屬高速激光二極管光源，其發(fā)出的光為綠光，波長為520 nm，正常工作時功率為10 mW，實(shí)驗(yàn)前為滿足GJB 7351-2011《超二代像增強(qiáng)器通用規(guī)范》中對于熒光屏余輝測試的照度條件，對光功率計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，設(shè)定信號發(fā)生器的高電平電壓在1.70 V～1.80 V 可調(diào)。

測試系統(tǒng)中所用的高速信號發(fā)生器選取Tektronix 公司型號AFG31251 的信號發(fā)生器，該發(fā)生器工作頻率為250 MHz，可產(chǎn)生至少周期為4 ns 的脈沖方波。為了滿足測量超快像增強(qiáng)器余輝時間的需求，利用該高速信號發(fā)生器產(chǎn)生一脈沖方波，用于驅(qū)動激光二極管發(fā)光，可盡量減小因光源自身響應(yīng)速度太慢造成的對熒光屏余輝時間測量上的誤差。設(shè)定脈沖方波的上升時間和下降時間均為高速信號發(fā)生器所能設(shè)置的最小值。設(shè)該脈沖方波的參數(shù)為：頻率100 kHz，振幅1.70 V～1.80 V 可調(diào)，占空比50%～90%可調(diào)，上升時間與下降時間均為2 ns。該脈沖方波的具體參數(shù)如表1 所示。

表1 高速信號發(fā)生器產(chǎn)生信號參數(shù)設(shè)置Table 1 Signal parameter setting of high-speed signal generator

4.2 測試流程

本文對微光夜視技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的超快像增強(qiáng)器進(jìn)行余輝時間測試。像增強(qiáng)器熒光屏上的熒光粉基質(zhì)由P47 熒光粉組成，理論余輝時間達(dá)到100 ns，用一般的余輝測試設(shè)備無法準(zhǔn)確測量其余輝時間。

在實(shí)驗(yàn)開始前打開高速信號發(fā)生器開關(guān)、FPGA 電源開關(guān)和直流電源開關(guān)，其中直流電源需要給像增強(qiáng)器、光電倍增管、光電倍增管增益電路、光闌供電，通過上位機(jī)設(shè)置高速信號發(fā)生器相關(guān)參數(shù)驅(qū)動激光二極管。在上位機(jī)中創(chuàng)建512 MB的數(shù)據(jù)空間，用于對高速數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，經(jīng)上位機(jī)發(fā)出收發(fā)指令后，接收來自DDR4 緩存的數(shù)據(jù)，在Visual Studio 上完成數(shù)據(jù)濾波及尋找下降沿過程，將余輝曲線圖像顯示在上位機(jī)上，獲取待測像增強(qiáng)器的熒光屏余輝時間。

為減少電路上的噪聲對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成干擾，共采集150 個下降沿過程進(jìn)行余輝時間計(jì)算，最終取這150 個下降沿余輝時間的平均值作為當(dāng)前測試條件下待測熒光屏余輝時間。

實(shí)驗(yàn)前為排除光源及硬件電路對測試余輝時間造成的影響，最初在暗箱內(nèi)部不放置像增強(qiáng)器，在上位機(jī)端采集此時的亮度數(shù)據(jù)信號，獲取到基礎(chǔ)的下降沿時間。

4.3 結(jié)果分析

測試首先在占空比為60%，高電平電壓為2.20 V，光電倍增管增益電壓為0.90 V，不加入像增強(qiáng)器的條件下連續(xù)測試10 次，得到的余輝測試結(jié)果如表2所示，余輝下降曲線如圖10 所示。

表2 空管條件下的光源余輝測試結(jié)果Table 2 Test results of light source afterglow under emptytube conditions

從表2 和圖10 中可以看出，激光二極管發(fā)出的光信號在經(jīng)過亮度信息高速采集硬件后，存在平均時間為11.656 ns 的下降沿時間，這個下降沿時間會對加入像增強(qiáng)器后采集到的余輝時間造成一定影響。

圖10 空管條件下光源余輝曲線Fig. 10 Afterglow curve of light source under empty-tube conditions

隨后在占空比為60%，高電平電壓為1.75 V，光電倍增管逐級增益電壓為0.70 V 情況下連續(xù)測試10 次，得到的余輝測試結(jié)果見表3 所示，余輝曲線如圖11 所示。

表3 單一模式下的余輝測試結(jié)果Table 3 Afterglow test results in single mode

圖11 熒光屏余輝曲線示意圖Fig. 11 Schematic diagram of afterglow curve of fluorescent screen

從表3 和圖11 可以看出，待測像增強(qiáng)器的熒光屏余輝測試時間大致在113 ns～123 ns 區(qū)間之內(nèi)，計(jì)算出余輝時間平均值為118. 094 4 ns，重復(fù)度為2.08%，證實(shí)了該測試系統(tǒng)具有較強(qiáng)的測試穩(wěn)定性，可以相對精確地測量出具有超快光學(xué)特征的像增強(qiáng)器特性。

結(jié)合圖11 與圖10 余輝曲線可以看出，由于電路板及光源自身存在下降沿問題，導(dǎo)致即便不添加像增強(qiáng)器情況下，也會造成平均時間11.656 ns 的下降沿時間，這個下降沿時間會反映在將待測像增強(qiáng)器添加至暗箱中的測試結(jié)果上。根據(jù)表3 的測試結(jié)果可以看出，單一模式下測試得到的P47 熒光屏余輝時間，基本滿足P47 熒光屏余輝理論時間與光源及電路本身的固有下降沿時間之和。

關(guān)于單一模式下余輝測試結(jié)果不穩(wěn)定的原因，主要是信號在傳遞過程中，在亮度測試模塊硬件中存在噪聲過大導(dǎo)致的。由于在放大電路端為盡可能減少電容帶來的充放電時間的延時作用，將電路板中絕大部分電容拆去，這雖然減少了亮度測試模塊帶來的下降沿延時時間，但也保留了原來信號的噪聲特性，因此反映在圖10 中，亮度信號在光源關(guān)閉前存在大幅振蕩的情況，這也證實(shí)了表3 中單一模式下余輝測試結(jié)果不穩(wěn)定的原因。

為驗(yàn)證測試系統(tǒng)在不同條件下的穩(wěn)定性，改變信號發(fā)生器輸給光源的高電平值，以改變光電陰極面上的輻照度及改變光電倍增管的增益電壓，然后對P47 熒光屏重新進(jìn)行測試。將光電倍增管的增益電壓調(diào)整至0.68 V 和0.72 V 重新進(jìn)行測試，測試得到的熒光屏亮度曲線如圖12 所示。

圖12 不同增益電壓下熒光屏亮度曲線示意圖Fig. 12 Schematic diagram of luminance curves of fluorescent screen under different gain voltages

從圖12 中可以看出，對光電倍增管的增益采取不同的電壓后，信號的波形在進(jìn)入余輝過程之后呈現(xiàn)出相同的趨勢，通過計(jì)算算出在3 種不同驅(qū)動電壓下熒光屏余輝時間為106 ns、110 ns、106 ns，均較準(zhǔn)確地測量出待測像增強(qiáng)器的熒光屏余輝時間，證實(shí)了本測試系統(tǒng)的測量值不受光電倍增管增益的影響，具有良好的穩(wěn)定性。

固定光電倍增管的逐級電壓為0.70 V，對信號發(fā)生器施加不同的高電平電壓，改變光源的輻射強(qiáng)度，隨之改變陰極面的輻射照度，對像增強(qiáng)器重新進(jìn)行測試，測試得到的熒光屏亮度曲線如圖13所示。

圖13 不同光源強(qiáng)度下熒光屏亮度曲線示意圖Fig. 13 Schematic diagram of luminance curves of fluorescent screen under different light source intensities

從圖13 中可以看出，對信號發(fā)生器施加不同的高電平電壓，改變光源的輻射強(qiáng)度后，熒光屏亮度信號的下降趨勢均相同，通過計(jì)算算出在3 個不同高電平電壓下熒光屏余輝時間為112 ns、120 ns、116 ns，均較準(zhǔn)確地測量出待測像增強(qiáng)器的熒光屏余輝時間，證實(shí)了本測試系統(tǒng)的測量值不受光源輻射強(qiáng)度的影響，具有良好的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

針對當(dāng)前缺乏超快余輝測試技術(shù)問題，本文基于傳統(tǒng)熒光屏余輝時間的測試方法，設(shè)計(jì)了一套可以測試像增強(qiáng)器納秒級余輝時間的測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了熒光屏亮度信息高速采集、存儲、傳輸、余輝時間計(jì)算、保存余輝時間等多項(xiàng)功能。在設(shè)置信號發(fā)生器占空比60%、高電平電壓1.75 V，光電倍增管增益電壓0.70 V 的工作條件下，對微光像增強(qiáng)器納秒級熒光屏余輝時間連續(xù)測試了10 次，可達(dá)到118. 0944 ns，重復(fù)度為2.08%。此外，通過改變光電倍增管增益電壓和光源電壓大小，獲得了相應(yīng)的熒光屏亮度曲線示意圖。測試結(jié)果表明，改變外界條件不會影響待測像增強(qiáng)器的熒光屏余輝時間，證實(shí)了該測試系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，從而為測試具有超快光學(xué)特征的像增強(qiáng)器的熒光屏余輝時間提供了一種有效手段。