微光像增强器噪声因子的理论分析

像增强器的信噪比被定义:利用一等效带宽光电探测器从荧光屏上测得的输出亮度平均信号值与偏离平均值的均方根噪声值之比,即

式中:为像增强器输出信噪比;S为有光输入时信号直流电压平均值(V);S0为无光输入时信号直流电压平均值(V);N为有光输入时噪声交流电压值(V);N0为无光输入时噪声交流电压值(V)。

任何一种微光像增强器都会不同程度地引入附加噪声,使得信噪比下降。信噪比是微光像增强器的重要指标之一,而噪声因子是其输入信噪比与输出信噪比的比值,即

式中:N f是噪声因子;(S/N)in为输入信噪比;(S/N)out为输出信噪比。

由像增强器的各个组成部件可知:各个部件的真空区域噪声因子为1,即(S/N)阴极输出信噪比=(S/N)MCP输入信噪比,(S/N)MCP输出信噪比=(S/N)荧光屏输入信噪比,所以可以由式(3.1)推出式(3.2),即

式中:N f是像增强器噪声因子;(S/N)阴极输入信噪比为光电阴极输入信噪比;(S/N)阴极输出信噪比为光电阴极输出信噪比;(S/N)MCP输入信噪比为MCP输入信噪比;(S/N)MCP输出信噪比为MCP输出信噪比;(S/N)荧光屏输入信噪比为荧光屏输入信噪比;(S/N)荧光屏输出为荧光屏输出信噪比。

由上述可知,器件的总噪声因子等于多个串联元器件噪声因子的乘积。下面将分别推导出各个部件的噪声因子。

1.输入信噪比

微光下的视觉探测理论最初是由弗里斯(Fries)和罗斯(Rose)在40年代初提出后逐步发展起来的。它的概念和模型比较简单,假设眼睛在累积时间内,平均从场景上吸收N个光子,则围绕这个平均值的涨落为。这时,眼睛探测到N值的最小变化量ΔN的能力受的限制,则有

式中:ΔN为眼睛所能探测的光子变化量,即探测信号;为光子噪声;K为信噪比。

按照测试标准规定,光源采用卤钨灯,色温为2 856 K,通过若干滤光片衰减,使其到达像增强器阴极输入面的照度为1.08×10-4 lx。在面积为A,时间间隔为Δt,照度为E0,其平均光子通量为

式中:为平均光子通量;A为面积;Δt为时间间隔;E0为照度;为光通量为1 lm,色温为2 856 K的标准光源的平均光子通量。

其均方差涨落噪声值为

由式(3.5)和式(3.6)可以推出输入到像增强器阴极面的光的信噪比,即像增强器输入信噪比为

按照我国国军标的测试要求:E0=1.08×10-4 lx,A=3.14×10-8m2;Δt=0.1s;=1.3×1016 lm。

由公式(3.7)可以计算得到像增强器的理论输入信噪比:(S/N)in=66.4。

2.阴极噪声因子

光电阴极的作用是把输入的光子转化为电子输出,则其输出信号为

式中:S o为光电阴极的输出信号值;A为面积;Δt为时间间隔;ηc为量子效率;E0为照度;为光通量为1 lm,色温为2 856 K的标准光源的平均光子通量。(www.xing528.com)

其均方差涨落噪声值为

由式(3.8)和(3.9)可以推出阴极输出信噪比为

根据噪声因子的定义,由式(3.7)和(3.10)可以得到阴极噪声因子为

3.MCP噪声因子

光电阴极与MCP之间为真空区域,其噪声因子应为1。因此,MCP的输入量等效来自阴极发射的光电子流,即MCP的输入信噪比可用光阴极的输出信噪比表示

MCP的输出是经过通道内连续二次倍增后的电子流,其输出信号为

式中:S o为MCP的输出信号值;P0为首次电子碰撞概率;η为探测效率;G为电子增益。

在这个输出信号上的输出噪声表达式为

由式(3.13)和式(3.14)可以推出MCP输出信噪比为

根据噪声因子的定义,由式(3.12)和(3.15)可以得到MCP噪声因子为

4.荧光屏噪声因子

荧光屏与MCP之间为真空区域,其噪声因子应为1。因此,荧光屏的输入量等效于来自MCP输出的电子流,即荧光屏的输入信噪比可用MCP的输出信噪比表示为

从荧光屏看到的光是由MCP输出的电子束轰击荧光屏而产生的,因此荧光屏的输出信号表达式为

式中:S o为MCP的输出信号值;ηs为荧光屏的发光效率。

在这个输出信号上的输出噪声表达式为

由式(3.18)和(3.19),可以推出荧光屏的输出信噪比为

根据噪声因子的定义,由式(3.17)和(3.20)可以得到荧光屏噪声因子为