CN103955243B - 一种智能动态目标红外特征变换装置及方法 - Google Patents

一种智能动态目标红外特征变换装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种智能动态目标红外特征变换装置及方法，包括目标和背景环境辐射温度动态采集模块、数据处理与控制模块、半导体调温模块，所述目标和背景环境辐射温度动态采集模块的信号输出端连接数据处理与控制模块的信号输入端，数据处理与控制模块的信号输出端连接半导体调温模块的控制命令输入端；本发明通过电流调节目标表面温度，实现目标和背景环境红外特征动态融合，通过调节工作电流方向和大小就可调节温度升高和降低，能量调节性较好，耗电量小，且由于半导体热惯性小，温度调节响应时间很短。

Description

一种智能动态目标红外特征变换装置及方法
技术领域
本发明涉及一种红外热控制系统及方法，特别是涉及一种车辆红外伪装隐身装置及方法。
背景技术
车辆装备红外伪装隐身能够削除、减弱车辆与背景环境在红外波段上的特征差异，隐蔽或减弱车辆目标显著性，是降低车辆被红外侦察探测和识别概率，提高车辆战场生存能力的关键。目前车辆红外伪装隐身主要采用伪装遮障、隔热材料、热红外涂层等技术手段，较好解决了静态下车辆局部红外特征暴露，但与恶劣但实际的作战要求相比还存在以下不足：
（1）车辆长时间机动行驶后机组舱、空调舱、发动机、排烟管等部件均成为高温辐射热源，传统伪装隐身效果会急剧下降，这些无法遮蔽高温特征很容易成为红外探测器发现和识别打击的重要判据。
（2）车辆外部结构复杂，各部位的热惯量差异十分悬殊，导致车辆各部位表面温度的变化速率极不一致；且车辆与背景环境热惯性不同，造成日出和日落不同时段很难与背景红外特征相融合。
（3）车辆机动过程中周围环境和背景处于时刻变换状态，常规针对特定环境和背景的静态红外伪装隐身材料和器材，无法需要根据背景环境不断变化而表现出与背景适应的特征变换能力。
为解决上述问题，急需一种车辆红外伪装隐身装置，该装置能够动态控制目标表面温度来实现目标和背景红外特征全时刻和全天候的融合。
发明内容
本发明的目的是提供一种智能动态目标红外特征变换装置用于解决上述技术问题。
本发明的另一个目的是提供一种利用智能动态目标红外特征变换装置的方法，用于解决上述技术问题。
本发明智能动态目标红外特征变换装置，包括目标和背景环境辐射温度动态采集模块、数据处理与控制模块、半导体调温模块，所述目标和背景环境辐射温度动态采集模块的信号输出端连接数据处理与控制模块的信号输入端，数据处理与控制模块的信号输出端连接半导体调温模块的控制命令输入端；
目标和背景环境辐射温度动态采集模块用于动态获取目标表面和背景环境辐射温度，并实时输出，采集时间间隔在0.1s～1s范围内可调；
数据处理与控制模块用于显示和分析目标表面和背景环境辐射温度差值，并按照一定的控制策略驱动半导体制冷片进行加热或制冷；
半导体调温模块用于实现对目标表面温度高低的调节。
目标和背景环境辐射温度动态采集模块包括目标温度传感器、背景温度传感器、第一A/D转换电路、第二A/D转换电路、基准电压源、放大调理电路、单片机；
目标温度传感器的信号输出端连接放大调理电路的信号输入端，放大调理电路的信号输出端连接第一A/D转换电路的信号输入端，第一A/D转换电路的信号输出端连接单片机的信号输入输出端，基准电压源的电压输出端分别连接目标温度传感器的电源接口和第一、第二A/D转换电路的电源接口，背景温度传感器的信号输出端连接第二A/D转换电路的信号输入端，第二A/D转换电路的信号输出端连接单片机的信号输入输出端。
数据处理与控制模块包括温控管理单元、控制箱、手控盒、操作/显示面板，其中控制箱包括外围电路、CPU电路、接口扩展、功放和驱动电路，目标和背景环境辐射温度动态采集模块的信号输出端连接温控管理单元的信号输入端，温控管理单元的信号输出端连接操作/显示面板、控制箱和手控盒，控制箱和手控盒的信号输出端连接半导体调温模块的信号输入端；此外在控制箱内部，外围电路信号输出端接CPU电路信号输入端，CPU电路的信号输出端经扩展接口接功放的信号输入端，功放的信号输出端接驱动电路的信号输入端。
半导体调温模块包括目标外表面、第一导流条、第二导流条、第三导流条、第一半导体、第二半导体、直流电源，直流电源的正极通过第一导流条与第二半导体相连，直流电源的负极通过第二导流条与第一半导体相连接，第一半导体和第二半导体之间有空隙不相邻，第一半导体和第二半导体的顶部通过第三导流条相连接，第三导流条贴附在目标外表面上。
数据处理与控制模块具有自动控制与手动控制两种模式，两种模式相互独立。
半导体调温模块表面喷涂40μm厚涂料，该涂料表面发射率接近背景环境的平均发射率。
目标温度传感器采用Pt100铂电阻，背景温度传感器采用FLIR T355红外热像仪。
利用智能动态目标红外特征变换装置的方法包括以下步骤：
S1、装置上电启动后，进行初始化；
S2、开始温度数据的采集，目标和背景环境辐射温度动态采集模块开始工作，实时采集目标表面辐射温度和背景环境辐射温度；
S3、将采集到的目标温度和背景环境辐射温度两组温度值实时传输到数据处理与控制模块中进行温度比较和显示；
S4、当目标表面温度大于背景环境温度时，进一步判断两者的差值是否大于2：如果两者的差值大于2则控制半导体模块进行全功率工作制冷；如果两者的差值小于或者等于2则调用PID算法子程序制冷；
S5、当目标表面温度小于背景环境温度时，进一步判断两者的差值是否大于2：如果两者的差值大于2则控制半导体模块进行全功率工作加热；如果两者的差值小于或者等于2则调用PID算法子程序加热。
PID算法子程序工作过程为：比较处理器Y实时接收背景环境温度和目标温度并分析处理得到背景环境温度与目标温度差值e、背景环境温度与目标温度差值变化率ec并将其输送给模糊控制器，由模糊控制器处理后得到PID控制参数Kp、Ki、Ko，然后PID控制器根据三个参数进行在线调整，使被控对象有良好的响应性能，之后PID控制器输出相应的控制信号给半导体调温模块，半导体调温模块执行相应的升温或者降温动作。
本发明智能动态目标红外特征变换装置的有益效果如下：
（1）本发明将传统行业成熟的半导体电热转换技术运用于目标红外特征变换中，通过电流调节目标表面温度，实现目标和背景环境红外特征动态融合；
（2）本发明只需要调节工作电流方向和大小就可调节温度升高和降低，能量调节性较好，耗电量小；
（3）本发明具有连续工作时无污染、无振动、无噪音、可靠性高等优点，且由于半导体热惯性小，温度调节响应时间很短；
（4）本发明能够通过调整结构尺寸可满足不同军事车辆装备、不同部位、不同表面的红外伪装隐身需要。
下面结合附图对本发明的智能动态目标红外特征变换装置及方法作进一步说明。
附图说明
图1为数据处理与控制模块组成原理图；
图2为目标和背景环境辐射温度动态采集模块组成原理图；
图3为PID控制工作原理图；
图4为半导体调温模块结构图；
图5为智能动态目标红外特征变换方法流程图。
具体实施方式
本发明智能动态目标红外特征变换装置包括目标和背景环境辐射温度动态采集模块、数据处理与控制模块、半导体调温模块，其中目标和背景环境辐射温度动态采集模块的信号输出端连接数据处理与控制模块的信号输入端，数据处理与控制模块的信号输出端连接半导体调温模块的控制命令输入端。
目标和背景环境辐射温度动态采集模块用于动态获取目标表面和背景环境辐射温度，并实时输出，采集时间间隔在0.1s～1s范围内可调；
数据处理与控制模块用于显示和分析目标表面和背景环境辐射温度差值，并按照一定的控制策略驱动半导体制冷片进行加热或制冷；
半导体调温模块用于实现对目标表面温度高低的调节。
如图1所示，数据处理与控制模块包括温控管理单元、控制箱、手控盒、操作/显示面板，其中控制箱包括外围电路、CPU电路、接口扩展、功放和驱动电路，目标和背景环境辐射温度动态采集模块的信号输出端连接温控管理单元的信号输入端，温控管理单元的信号输出端连接操作/显示面板、控制箱和手控盒，控制箱和手控盒的信号输出端连接半导体调温模块的信号输入端；此外在控制箱内部，外围电路信号输出端接CPU电路信号输入端，CPU电路的信号输出端经扩展接口接功放的信号输入端，功放的信号输出端接驱动电路的信号输入端。
数据处理与控制模块具有自动控制与手动控制两种模式，两种模式相互独立；应用时，通过手控盒手动控制半导体调温模块的启动、停止，工作过程则采用自动控制。温控管理单元接收目标与背景环境温度数据，并进行数据对比分析；相关分析结果通过电缆网与控制箱进行信号传输，同时由操作/显示面板以便人员观察及操作。自动控制过程中，通过比较目标表面温度与背景环境温度差值，驱动半导体调温模块进行加热或制冷。
数据处理与控制模块驱动控制过程如下：当目标表面温度大于背景环境温度时，驱动半导体调温模块进行制冷；当目标表面温度小于背景环境温度时，驱动半导体调温模块进行加热。同时当两者温度的差值大于2℃时，为了加快制冷或加热的速度，使半导体调温模块进行全功率工作；而在温差小于2℃时，调用PID算法子程序进行加热或制冷控制。
如图2所示，目标和背景环境辐射温度动态采集模块包括目标温度传感器G、背景温度传感器G1、第一A/D转换电路、第二A/D转换电路、基准电压源、放大调理电路、单片机M。
标温度传感器G的信号输出端连接放大调理电路的信号输入端，放大调理电路的信号输出端连接第一A/D转换电路的信号输入端，第一A/D转换电路的信号输出端连接单片机M的一个信号输入输出端，基准电压源的电压输出端分别连接目标温度传感器G的电源接口和第一、第二A/D转换电路的电源接口，背景温度传感器G1的信号输出端连接第二A/D转换电路的信号输入端，第二A/D转换电路的信号输出端连接单片机M的另一个信号输入输出端。
目标温度传感器G用于实时采集目标表面辐射温度，背景温度传感器G1用于实时采集背景环境辐射温度，放大调理电路用于将目标温度传感器G传输来的数据放大到适于第一A/D转换电路处理的大小，第一A/D转换电路、第二A/D转换电路用于完成温度数据的数模转换，基准电压源用于向第一A/D转换电路、第二A/D转换电路和目标温度传感器G提供电源。
本发明单片机M为MCS-51系统8031型单片机，目标温度传感器G和背景温度传感器G1可以有多种，只要是可以实现对目标表面和背景环境辐射温度动态采集和输出即可。背景温度传感器G1为长波红外热像仪，可为FLIR T355、FLIR T425、Infra VCr680HS、MAG31等红外热像仪；目标温度传感器G可为Pt100铂电阻，或铜、镍、铑铁及铂钴合金等热电阻感温元件，也可为以上两者或多种组合。本实施例以FLIR T355红外热像仪和Pt100铂电阻举例来说明。
实际应用中，启动FLIR T355红外热像仪电源，按设定时间间隔动态拍摄设定视场下的背景环境热图像，通过第二A/D转换电路在单片机M转换后，生成背景环境辐射温度传输至数据处理与控制模块进行显示和控制。同时启动基准电压源，通过恒流源激励温度传感器Pt100产生电压信号，经过放大调理电路将电压送入第一A/D转换电路进行转换，之后再由第一A/D转换电路将转换后的数据输送给单片机M，在单片机M的处理下，完成对电压-温度值的转换后，输出采集温度至数据处理与控制模块进行显示和控制。
如图3所示，包括比较处理器Y、背景环境温度输入、目标温度采集、半导体调温模块、PID控制、模糊控制器、背景环境温度与目标温度差值e、背景环境温度与目标温度差值变化率ec、PID控制参数Kp、Ki、Ko，本发明智能动态目标红外特征变换装置的PID控制原理为：比较处理器Y实时接收背景环境温度和目标温度并分析处理得到背景环境温度与目标温度差值e、背景环境温度与目标温度差值变化率ec并将其输送给模糊控制器，由模糊控制器处理后得到PID控制参数Kp、Ki、Ko，然后PID控制器根据三个参数进行在线调整，使被控对象有良好的响应性能，之后PID控制器输出相应的控制信号给半导体调温模块，半导体调温模块执行相应的升温或者降温动作。
如图4所示，半导体调温模块包括目标外表面1、第一导流条2-1、第二导流条2-2、第三导流条2-3、第一半导体P、第二半导体N、直流电源3，直流电源3的正极通过第一导流条2-1与第二半导体N相连，直流电源3的负极通过第二导流条2-2与第一半导体P相连接，第一半导体P和第二半导体N之间有空隙不相邻，第一半导体P和第二半导体N的顶部通过第三导流条2-3相连接，第三导流条2-3贴附在目标外表面1上。
半导体调温模块工作原理是利用帕尔贴效应，所谓帕尔贴效应就是向两种不同导体（第一半导体N和第二半导体P）组成的环路通以直流电流时，在接点处会出现放热（目标表面温度升高）和吸热（目标表面温度降低）现象，放热和吸热工况取决于工作电流方向，而温度变化幅值则取决于通过电流的大小以及第一半导体N、第二半导体P的元件对数，实际应用中，由数据处理与控制模块自动控制电流的极性和大小来将温度维持在特定温度范围内。当目标表面温度高于背景环境温度时，控制直流电流由第二半导体N端流向第一半导体P端，半导体调温模块开始释放热量制冷，目标表面温度下降，直至达到与背景环境温度一致后停止电流输入；相反，当目标表面温度低于背景环境温度，控制直流电流由第一半导体P端流向第二半导体N端，半导体调温模块开始吸收热量加热，目标表明温度升高，直至达到与背景环境温度一致后停止电流输入。
半导体调温模块表面喷涂40μm厚三色迷彩伪装涂料，涂料型号可以有很多种，只要是涂料表面发射率接近背景环境的平均发射率即可（如聚氨酯型、丙烯酸型等），具体根据目标（如车辆）总体要求确定。
半导体调温模块整体结构尺寸可根据不同军用车辆装备的不同部位、不同表面进行相应的调整，应用灵活方便。
如图5所示，本发明智能动态目标红外特征变换方法流程为：装置上电启动后，进行初始化，目标和背景环境辐射温度动态采集模块开始工作，实时采集目标表面辐射温度和背景环境辐射温度，并将两组温度值实时传输到数据处理与控制模块中进行温度比较和显示。当目标表面温度大于背景环境温度时，驱动半导体调温模块进行制冷；当目标表面温度小于背景环境温度时，驱动半导体调温模块进行加热，直至目标表面和背景辐射温度相同。当两者温度的差值大于2℃时，为了加快制冷或加热的速度，使半导体调温模块进行全功率工作；而在温差小于2℃时，调用PID算法子程序，对半导体制冷片进行加热或制冷控制。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种智能动态目标红外特征变换装置的控制方法，
智能动态目标红外特征变换装置包括目标和背景环境辐射温度动态采集模块、数据处理与控制模块、半导体调温模块，所述目标和背景环境辐射温度动态采集模块的信号输出端连接数据处理与控制模块的信号输入端，数据处理与控制模块的信号输出端连接半导体调温模块的控制命令输入端；
目标和背景环境辐射温度动态采集模块用于动态获取目标表面和背景环境辐射温度，并实时输出，采集时间间隔在0.1s～1s范围内可调；
数据处理与控制模块用于显示和分析目标表面和背景环境辐射温度差值，并按照一定的控制策略驱动半导体制冷片进行加热或制冷；
半导体调温模块用于实现对目标表面温度高低的调节；
目标和背景环境辐射温度动态采集模块包括目标温度传感器(G)、背景温度传感器(G1)、第一A/D转换电路、第二A/D转换电路、基准电压源、放大调理电路、单片机(M)；
目标温度传感器(G)的信号输出端连接放大调理电路的信号输入端，放大调理电路的信号输出端连接第一A/D转换电路的信号输入端，第一A/D转换电路的信号输出端连接单片机(M)的信号输入输出端，基准电压源的电压输出端分别连接目标温度传感器(G)的电源接口和第一、第二A/D转换电路的电源接口，背景温度传感器(G1)的信号输出端连接第二A/D转换电路的信号输入端，第二A/D转换电路的信号输出端连接单片机(M)的信号输入输出端；
数据处理与控制模块包括温控管理单元、控制箱、手控盒、操作/显示面板，其中控制箱包括外围电路、CPU电路、接口扩展、功放和驱动电路，目标和背景环境辐射温度动态采集模块的信号输出端连接温控管理单元的信号输入端，温控管理单元的信号输出端连接操作/显示面板、控制箱和手控盒，控制箱和手控盒的信号输出端连接半导体调温模块的信号输入端；此外在控制箱内部，外围电路信号输出端接CPU电路信号输入端，CPU电路的信号输出端经扩展接口接功放的信号输入端，功放的信号输出端接驱动电路的信号输入端；
半导体调温模块包括目标外表面(1)、第一导流条(2-1)、第二导流条(2-2)、第三导流条(2-3)、第一半导体(P)、第二半导体(N)、直流电源(3)，直流电源(3)的正极通过第一导流条(2-1)与第二半导体(N)相连，直流电源(3)的负极通过第二导流条(2-2)与第一半导体(P)相连接，第一半导体(P)和第二半导体(N)之间有空隙不相邻，第一半导体(P)和第二半导体(N)的顶部通过第三导流条(2-3)相连接，第三导流条(2-3)贴附在目标外表面(1)上；
数据处理与控制模块具有自动控制与手动控制两种模式，两种模式相互独立；
半导体调温模块表面喷涂40μm厚涂料，该涂料表面发射率接近背景环境的平均发射率；
目标温度传感器(G)采用Pt100铂电阻，背景温度传感器(G1)采用FLIR T355红外热像仪；
其特征在于，包括以下步骤：
S1、装置上电启动后，进行初始化；
S2、开始温度数据的采集，目标和背景环境辐射温度动态采集模块开始工作，实时采集目标表面辐射温度和背景环境辐射温度；
S3、将采集到的目标温度和背景环境辐射温度两组温度值实时传输到数据处理与控制模块中进行温度比较和显示；
S4、当目标表面温度大于背景环境温度时，进一步判断两者的差值是否大于2：如果两者的差值大于2则控制半导体模块进行全功率工作制冷；如果两者的差值小于或者等于2则调用PID算法子程序制冷；
S5、当目标表面温度小于背景环境温度时，进一步判断两者的差值是否大于2：如果两者的差值大于2则控制半导体模块进行全功率工作加热；如果两者的差值小于或者等于2则调用PID算法子程序加热。
2.根据权利要求1所述的利用智能动态目标红外特征变换装置的控制方法其特征在于，PID算法子程序工作过程为：比较处理器(Y)实时接收背景环境温度和目标温度并分析处理得到背景环境温度与目标温度差值(e)、背景环境温度与目标温度差值变化率(ec)并将其输送给模糊控制器，由模糊控制器处理后得到PID控制参数Kp、Ki、Ko，然后PID控制器根据三个参数进行在线调整，使被控对象有良好的响应性能，之后PID控制器输出相应的控制信号给半导体调温模块，半导体调温模块执行相应的升温或者降温动作。
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