CN104199487A - 一种红外焦平面阵列的自适应温度控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外焦平面阵列的自适应温度控制系统，包括：温度设定电路，控制电路，温度电压测量电路，驱动电路；温度设定电路的输出端连接温度电压测量电路的第一输入端，电压测量电路的第二输入端连接红外焦平面阵列内部的热敏电阻，温度电压测量电路的输出端连接控制电路，使得温控电压测量装置将由温度设定电路输出的目标温度与红外焦平面阵列的实际工作温度进行比较，获得比较结果；驱动电路的输入端连接控制电路的输出端，控制电路根据比较结果生成控制指令，输入驱动电路，驱动电路根据控制指令控制红外焦平面阵列的温度，实现了能够控制红外焦平面阵列的热敏像元的温度，从而提高红外焦平面阵列的整体灵敏度的技术效果。

Description

一种红外焦平面阵列的自适应温度控制系统

技术领域

本发明涉及红外焦平面阵列探测器领域，尤其涉及一种红外焦平面阵列的自适应温度控制系统。

背景技术

非制冷红外焦平面阵列由于各项参数的改善，它的价格的降低和可靠性的提升，功耗的降低，使其由军事应用扩大到工业、农业、医疗、森林消防。但温度稳定电路的研究一直有待提高，已有的热电制冷器(TEC)是利用帕尔贴效应来制冷或加热的半导体P-N结器件。两种P型和N型半导体组成的P-N结中通过直流电会因为电子在跨越P-N结的时候吸热或者放热(这就是帕尔贴效应)。产生制热和制冷的效果，进而可以控制电流方向来实现TEC控制吸热还是放热的过程。这种方式制冷或者制热过程能适应较小温度的变动范围，但是在较大温度变动的情况下，不能准确和迅速的稳定目标温度。基于微侧辐射热计原理的非制冷红外焦平面是通过红外辐射引起热敏像元的温度发生改变，从而热敏阻值发生变化，读出电压改变，进行目标温度的探测。热敏像元的温度稳定与否直接关系到非制冷红外焦平面阵列的整体灵敏度。所以应该尽量让全部的像元温度都稳定在同一恒定温度下，才能抑制工作点的温度漂移，提高灵敏度。

因此，现有技术存在红外焦平面阵列的热敏像元的温度不稳定，使得红外焦平面阵列的整体灵敏度较低的技术问题。

发明内容

本发明实施例通过提供一种红外焦平面阵列的自适应温度控制系统，解决了现有技术中红外焦平面阵列的热敏像元的温度不稳定，使得红外焦平面阵列的整体灵敏度较低的技术问题，实现了能够控制红外焦平面阵列的热敏像元的温度，从而提高红外焦平面阵列的整体灵敏度的技术效果。

本申请实施例提供了一种红外焦平面阵列的自适应温度控制系统，包括：

温度设定电路，控制电路，温度电压测量电路，驱动电路；

温度设定电路的输出端连接温度电压测量电路的第一输入端，电压测量电路的第二输入端连接红外焦平面阵列内部的热敏电阻，温度电压测量电路的输出端连接控制电路，使得温控电压测量装置将由温度设定电路输出的目标温度与红外焦平面阵列的实际工作温度进行比较，获得比较结果；

驱动电路的输入端连接控制电路的输出端，控制电路根据比较结果生成控制指令，输入驱动电路，驱动电路根据控制信号控制红外焦平面阵列的温度。

进一步地，温控设定装置包括：

接口控制电路，连接接口控制电路的寄存器，以及连接寄存器的可变电阻。

进一步地，还包括上位机，连接温控设定装置的接口控制电路。

进一步地，控制电路包括：

模数转换器，连接温度电压测量电路的输出端；

运算模块(PID运算网络模块)，连接模数转换器；

定时器，连接运算模块(PID运算网络模块)。

进一步地，寄存器与PID运算网络模块进行数据通信，运算模块根据存储在寄存器中的目标温度，输出控制信号，将调整后的温度设定在目标温度的预设范围内。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1、由于采用了一种红外焦平面阵列的自适应温度控制系统，该自适应温度控制系统包括温度设定电路，控制电路，温度电压测量电路，驱动电路；温度设定电路的输出端连接温度电压测量电路的第一输入端，电压测量电路的第二输入端连接红外焦平面阵列内部的热敏电阻，温度电压测量电路的输出端连接控制电路，驱动电路的输入端连接控制电路的输出端，使得温控电压测量装置将由温度设定电路输出的目标温度与红外焦平面阵列的实际工作温度进行比较，获得比较结果，控制电路根据比较结果生成控制指令，输入驱动电路，驱动电路根据控制指令控制红外焦平面阵列的温度，解决了现有技术中红外焦平面阵列的热敏像元的温度不稳定，使得红外焦平面阵列的整体灵敏度较低的技术问题，实现了能够控制红外焦平面阵列的热敏像元的温度，从而提高红外焦平面阵列的整体灵敏度的技术效果。

2、通过将寄存器与PID运算网络模块进行数据通信，使得PID运算网络模块根据存储在寄存器中的目标温度，输出控制信号，将调整后的温度设定在目标温度的预设范围内，使得对温度控制更加准确。

附图说明

图1为本发明实施例中红外焦平面阵列的自适应温度控制系统的模块示意图；

图2为本发发明实施例中PID运算网络模块的运算系统框图。

具体实施方式

本发明实施例通过提供一种红外焦平面阵列的自适应温度控制系统，解决了现有技术中红外焦平面阵列的热敏像元的温度不稳定，使得红外焦平面阵列的整体灵敏度较低的技术问题，实现了能够控制红外焦平面阵列的热敏像元的温度，从而提高红外焦平面阵列的整体灵敏度的技术效果。

为了解决上述红外焦平面阵列的热敏像元的温度不稳定，使得红外焦平面阵列的灵敏度低的技术问题，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

如图1所示，本发明实施例提供的一种红外焦平面阵列的自适应温度控制系统包括：温度设定电路10，控制电路20，温度电压测量电路30，驱动电路40；

温度设定电路10的输出端连接温度电压测量电路30的第一输入端，电压测量电路30的第二输入端连接红外焦平面阵列50内部的热敏电阻，温度电压测量电路30的输出端连接控制电路20，驱动电路40的输入端连接控制电路20的输出端，其中，温控电压测量电路30将由温度设定电路10输出的目标温度与红外焦平面阵列50的实际工作温度进行比较，获得比较结果；控制电路20根据比较结果生成控制指令，输入驱动电路40，驱动电路40根据控制指令控制红外焦平面阵列50的温度。

在具体的实施方式中，温度设定电路10包括可变电阻101，寄存器102，接口控制电路103，寄存器102分别连接接口控制电路103和可变电阻101。寄存器102包括由查找表。寄存器102连接的可变电阻101，并能够设定可变电阻101的阻值。

该自适应温度控制系统还包括上位机，其中101是可以数控可变电阻(如ADN2850)可以通过上位机进行目标温度设定，是用户在上位机上设定，也可以上位机系统自行设定。温度设定电路10连接上位机，从上位机接受目标温度，再与存储了多个目标温度的对应的电阻的查找表中找到与温度对应的电阻值。例如，温度设定电路10从查找表中找到二进制码，该二进制码代表着与目标温度对应的电阻值，然后温度设定电路10将该二进制码发送到可变电阻101，可变电阻101接受该二进制码从而改变其自身的电阻值到期望的值。温度电压测量电路用于测量目标温度和红外焦平面阵列的实际工作温度之间的差。温度电压测量电路30通过比较可变电阻101和红外焦平面阵列50内部的副温度系数热敏电阻(NTC)501的正端电压差实现对目标温度和红外焦平面阵列的实际工作温度的差的测量。这个电压差反应了设定的目标温度和实际工作温度之间的差值。控制电路20用于根据温度电压测量电路30输出的温度电压产生信号控制送到电路40，进而控制红外焦平面的阵列的TEC电流的流向和导通时间进行红外焦平面的阵列温度控制。

为了使得能够为红外焦平面的阵列温度控制的更加精确，下面就寄存器和PID运算网络模块之间的数据通信之后，PID运算网络模块根据存储在寄存器中的目标温度，输出控制信号，将调整后的温度设定在目标温度的预设范围内。PID运算网络模块的运算过程进行详细描述。

具体如图2所示，首先将目标温度区间设置为多个温度段，由寄存器输出的控制信号u与测量值u₂之间的的关系为：

$u=\left\{\begin{array}{c}{T}_{\max },u_2\≤{u_2}^{*}-\frac{\mathrm{\Δ}}{2}\\ T_{\max }-\frac{u_2+\frac{\mathrm{\Δ}}{2}-{u_2}^{*}}{\mathrm{\Δ}}(T_{\max }-T_{\min }),{u_2}^{*}-\frac{\mathrm{\Δ}}{2}\≤{u_2}^{*}+\frac{\mathrm{\Δ}}{2}\\ T_{\max },u_2\≥{u_2}^{*}+\frac{\mathrm{\Δ}}{2}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，u₂*是目标温度T_d所对应的测量值。Δ是设置的比例区间范围。由u₂估计T，将状态空间方程离散化得：

$T_k=[(1+\frac{t_3+t_4}{T_s}+\frac{t_3{t}_4}{{T_s}^2})u_{2,k}-(\frac{{2t}_3{t}_4}{{T_s}^2}+\frac{t_3+t_4}{T_s})u_{2,k}+\left(\frac{t_3{t}_4}{{T_s}^2}\right)u_{2,k-2}]/\left(K_3{K}_4\right),---\left(2\right)$

式中，T_s采样周期；u_2,k为采样所得的第k个值。由估计得的T_k与目标温度T_d比较，确定控制信号，进一步提高控制准确度。

当Δ值较大时，温度可以较快稳定，但是最终温度受加热的最高温度和冷却的最低温度影响较大，最终温度不准。当Δ值较小时，最终温度较准确，但过渡过程较长，且当Δ值过小时，将出现较大幅度的振荡，因此可通过对系统的数学模型进行仿真，依据式(1)计算目标函数u的值，选择使u最小的最佳Δ值。

为了利用Δ较大时系统温度的稳定性又同时使最终温度较准确，引入一个修正参数δ，修正后的控制方案如下：

$u=\left\{\begin{array}{c}{T}_{\max },T_k\&le;(T_d+\mathrm{\&delta;})-\frac{\mathrm{\&Delta;}}{2}\\ T_{\max }\frac{T_k+\frac{\mathrm{\&Delta;}}{2}-(T_d+\mathrm{\&delta;})}{\mathrm{\&Delta;}}(T_{\max }-T_{\min }),(T_d+\mathrm{\&delta;})-\frac{\mathrm{\&Delta;}}{2}<T_k<(T_d+\mathrm{\&delta;})-\frac{\mathrm{\&Delta;}}{2}\\ T_{\min },T_k\&GreaterEqual;(T_d+\mathrm{\&delta;})+\frac{\mathrm{\&Delta;}}{2}\end{array}\right.---\left(3\right)$

通过在安装系统时调整参数δ可使系统的最终温度较准确，但当环境温度变化时，固定的Δ就不合适了，这时可通过测量稳态温度与目标温度之差，缓慢自动调节值实现自适应温度控制，具体如图2所示，对系统的控制过程进行仿真。假设目标温度是27℃，前2s阵列温度为25℃，后2s阵列温度突然升高为28℃，系统参数如下：

①由式(2)估计所得的变量T_k，依据式(3)确定控制信号。其中T_d＝110℃；

②选用Δ＝1.4；

③选择初始δ＝-1.25；

④每1s更新一次控制信号。当系统振幅小于0.02℃时，估计温度误差，自动调整δ值，使输出电压稳定在±0.01℃。

根据上述的描述，可以将红外焦平面阵列的温度精确控制。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种红外焦平面阵列的自适应温度控制系统，其特征在于，包括：

温度设定电路，控制电路，温度电压测量电路，驱动电路；

温度设定电路的输出端连接温度电压测量电路的第一输入端，电压测量电路的第二输入端连接红外焦平面阵列内部的热敏电阻，温度电压测量电路的输出端连接控制电路，使得温控电压测量装置将由温度设定电路输出的目标温度与红外焦平面阵列的实际工作温度进行比较，获得比较结果；

驱动电路的输入端连接控制电路的输出端，控制电路根据比较结果生成控制指令，输入驱动电路，驱动电路根据控制指令控制红外焦平面阵列的温度。

2.根据权利要求1所述的红外焦平面阵列的自适应温度控制系统，其特征在于，温控设定装置包括：

接口控制电路，连接接口控制电路的寄存器，以及连接寄存器的可变电阻。

3.根据权利要求2所述的红外焦平面阵列的自适应温度控制系统，其特征在于，还包括上位机，连接温控设定装置的接口控制电路。

4.根据权利要求2所述的红外焦平面阵列的自适应温度控制系统，其特征在于，控制电路包括：

模数转换器，连接温度电压测量电路的输出端；

PID运算网络模块，连接模数转换器；

定时器，连接PID运算网络模块。

5.根据权利要求4所述的红外焦平面阵列的自适应温度控制系统，其特征在于，寄存器与PID运算网络模块进行数据通信，PID运算网络模块根据存储在寄存器中的目标温度，输出控制信号，将调整后的温度设定在目标温度的预设范围内。