CN109855326B - 一种自适应红外控温模块 - Google Patents

Abstract

一种自适应红外控温模块，属于红外隐身技术领域。所述自适应红外控温模块包括：电源、温度采集单元、伪装板单元和控制单元；其中，所述伪装板单元包括用于遮挡红外隐身目标的伪装板，紧贴在伪装板上用于多点均匀调节伪装板温度的多个半导体制冷片以及设置在所述多个半导体制冷片另一侧的散热装置，所述温度采集单元实时探测伪装板和背景温度；通过电源供电的控制单元分别与采温装置及半导体制冷片相连，实现伪装板与背景环境动态融合达到红外隐身。本发明温控过程中伪装板温度变化均匀性良好，并且响应快。同时很好地解决半导体制冷片热端散热问题，进而保证了控温效果。本发明实现复杂多变环境下地面目标热源部位的全天候热红外隐身。

Description

一种自适应红外控温模块

技术领域

本发明属于红外隐身技术领域，具体涉及一种自适应红外控温模块。

背景技术

随着红外探测技术的不断发展，各类探测设备对于军事目标的探测能力越来越强，这就对目标的红外隐身能力提出了更好的要求。红外隐身的根本目标在于降低目标与背景环境之间的红外特征差异。基于上述根本目标发展而来的红外隐身方法主要包括对目标红外辐射特征的抑制、目标红外辐射特征与背景融合以及对目标红外特征的扭曲或示假。通过上述方法能够达到躲避红外探测的目的。

由斯蒂芬一玻尔兹曼定律可知，物体红外辐射能量不仅取决于物体的发射率，还取决于物体的表面温度大小。因此，目标的红外隐身可以采取以下两个基本措施：一是降低目标表明的红外发射率；二是降低目标的表面温度。现阶段国内实现装备应用的红外隐身手段主要有红外隐身涂料和多波段伪装网两类，前者主要调节材料表面发射率，后者兼顾了发射率和热屏蔽。但总体而言，涂料因热容量较小，起到的红外辐射调节作用相对有限，且无法解决热源部位的隐身问题；伪装网调节能力稍强，但也不能实现和背景的同步变化，并且带来装备机动和勤务性能的不便。由于传统的红外隐身手段对环境适应性差、隐身效果较差等缺点，自适应红外隐身技术应运而生。自适应红外隐身技术作为一种新兴的隐身手段，能够实现目标与背景环境红外辐射的同步变化，进而实现目标与背景环境的动态融合，具有良好的环境适应性以及隐身性能，成为了本领域关注的焦点。

本领域公知，物体在发射率相同的情况下，随着温度的变化，其红外辐射分布也会随之变化。红外辐射强度与温度直接相关，因此通过改变物体表面温度，使物体表面温度尽可能的接近背景温度，即温度补偿，便可实现目标物体与背景之间的热辐射对比度的降低，进而避免目标物体被探测到，实现红外隐身。而其中实现温度补偿的核心就在于温度控制。中国专利《自适应伪装装置》(申请号：201420253907.4)公开了一种通过自适应发光器件和半导体制冷片(TEC)实现了红外补偿和温度补偿，进而实现了近红外波段下的伪装及红外波段下的隐身。然而，该装置存在以下几方面的不足：(1)由于所述自适应伪装装置中一个正六边形模块(即文中所述像素片)仅用一片半导体制冷片(即文中所述半导体芯片)进行温度调节，导致其到达设定温度的响应时间比较长；(2)由于传热的先后性，整个模块的降温是从六边形像素片的中心开始向其边缘方向持续实现降温，在此降温过程中，温度均匀性较差；(3)由于半导体制冷片的热端散热对其制冷效率有很重要的影响，但该装置并未考虑半导体制冷片的热端散热。

发明内容

针对现有自适应红外隐身系统响应时间较长、温度均匀性较差、未考虑后端散热等问题，本发明提供了一种自适应红外控温模块。

为了解决上述技术问题，本发明提出如下技术方案：

一种自适应红外控温模块，其特征在于，包括：电源、温度采集单元、伪装板单元和控制单元；其中，所述伪装板单元包括用于遮挡红外隐身目标的伪装板，紧贴在伪装板上用于调节伪装板温度的多个半导体制冷片以及设置在所述多个半导体制冷片相对伪装板另一侧的散热装置，多个半导体制冷片的中心设置在以伪装板中心为圆心的圆周，且任意相邻两个半导体制冷片的中心连线均相等以实现多点均匀控温，所述温度采集单元包括分别用来实时探测所述伪装板辐射温度和背景环境辐射温度的两个采温装置；所述控制单元通过电源进行供电并且分别与采温装置及半导体制冷片相连，用以实现伪装板与背景环境动态融合达到红外隐身效果。

本发明中伪装板的形状呈正六边形，正六边形有利于其无缝拼接及面积扩展构建阵列。

本发明中半导体制冷片优选为三个，三个半导体制冷片中心分别设置在伪装板上三个互不相邻顶点到伪装板中心的连线上，并且三个半导体制冷片中心的连线构成正三角形。

本发明中散热装置采用水冷式热管散热器，所述水冷式热管散热器包括水冷板、设置在水冷板上的导热板和内嵌于水冷板和导热板之间的热管，水冷式热管散热器与水冷机相连，水冷机为水冷式热管散热器提供工作介质。

进一步地，所述水冷式热管散热器专门针对半导体制冷片设计，即导热板和半导体制冷片的形状相同，并且导热板通过导热层重叠设置在半导体制冷片上。

自适应红外控温模块在工作情况下，水冷式热管散热器对半导体制冷片的散热分为两路，其中一路是通过导热板直接将半导体制冷片的热端热量导入到水冷板的工作介质中；另一路由导热板将三片半导体制冷片的热端热量经热管导入到水冷板的工作介质中。上述两路散热不仅提高了散热效率，而且实现了热端散热的双保险，当热管发生损坏时，散热器还可正常工作，提高了热端散热的稳定性。

本发明中通过隔热层将半导体制冷片与外界环境隔绝。

本发明中在伪装板与半导体制冷片、半导体制冷片与散热装置接触的部位均设置导热层，以实现良好的热接触。本发明温度采集单元中探测伪装板温度的采温装置具体选择温度传感器，探测背景环境温度的采温装置具体选择热释电红外探测器。

本发明中控制单元为微处理器或者单片机。

本发明的工作原理如下：

本发明自适应红外控温模块可以为一独立模块，也可以单个自适应红外控温模块为基本单元相互拼接进行阵列化设计。在实际应用时，利用伪装板在待装备目标的顶侧进行铺设实现遮挡，可将其应用到不同的背景中。本发明自适应红外控温模块工作时，温度采集单元获取伪装板和背景的辐射温度，并将温度数据通过信号处理电路进行转换后实时传送至有电源供电的控制单元，控制单元对温度信息进行分析处理，然后通过驱动电路控制半导体制冷片对伪装板进行升温或降温，使得伪装板的温度与背景温度一致；伪装板单元实时反馈当前温度与获得背景温度进行比较，进行实时调整。在上述温度控制过程中，散热装置对半导体制冷片进行有效散热，提高半导体制冷片的工作效率。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明通过设计多个半导体制冷片来实现多点控温，由于在温度变化的过程中每一个半导体制冷片单独起作用，这样就能同步调控伪装板不同位置的温度，又因为各个半导体制冷片距离伪装板中心和边缘的距离相同，使得控温过程中伪装板温度变化均匀性良好，并且每个半导体制冷片作用的面积变小，变温速率快，响应时间也随之缩短。另一方面，本发明水冷式热管散热器的散热采用两路设计，在提高了散热效率的同时也为半导体制冷片的热端散热提供了双重保障，即使当热管发生损坏时，水冷式热管散热器还可正常工作，提高了散热的稳定性，从而保证了控温效果。基于上述优势，本发明可实现复杂多变环境下地面目标热源部位的全天候热红外隐身。

附图说明

图1是本发明实施例自适应红外控温模块的剖面结构示意图。

图2是本发明实施例中水冷式热管散热器的结构示意图和实物图。

图3是本发明实施例中水冷式热管散热器内部流道的结构示意图；

图4是本发明实施例自适应红外控温模块的阵列化伪装板单元的结构示意图；

图5是本发明自适应红外控温模块的工作原理图；

图6是本发明实施例自适应红外控温模块的控温性能图；

图7是本发明实施例的红外辐射调控图。

图中：1为水冷板，2为水冷板入口，3为热管，4为导热板，5为水冷板出口，6为翅片，7为伪装板，8为半导体制冷片，9为隔热层，10为水冷机，11为转接头。

具体实施方式

为了使得所属领域技术人员能够更加清楚本发明方案及原理，下面结合附图和具体实施例进行详细描述。本发明的内容不局限于任何具体实施例，也不代表是最佳实施例，本领域技术人员所熟知的一般替代也涵盖在本发明的保护范围内。

实施例：

本实施例提供一种自适应红外控温模块，如图1所示包括：电源、微处理器、温度传感器、伪装板单元和水冷式热管散热器；其中：

所述伪装板单元包括：用于遮挡红外隐身目标的正六边形伪装板7，紧贴在伪装板7上用于调节伪装板温度的三个半导体制冷片8以及设置在所述三个半导体制冷片8相对伪装板另一侧的水冷式热管散热器；所述三个半导体制冷片8通过隔热层9与外界环境隔离，并且三个半导体制冷片8均与微处理器相连；所述水冷式热管散热器包括水冷板1、设置在水冷板1上的导热板4和内嵌于水冷板1和导热板4之间的热管3；所述水冷式热管散热器外接水冷机10，水冷机10为水冷式热管散热器提供工作介质，如图2所示，工作介质自水冷板1的水冷板入口流入，将半导体制冷片8产生的热量通过水冷板1内流动的液体吸收并经水冷板出口5流出；从图中可看出水冷板1上设置有密集排布的翅片6，翅片6的存在能够增加换热面积，提高换热效率；所述水冷式热管散热器与半导体制冷片8相匹配，即水冷式热管散热器中导热板4与半导体制冷片8的形状相同且导热板4通过导热层重叠设置在半导体制冷片8上；如图3所示，所述三个半导体制冷片8或导热板4的中心点分别设置在伪装板7上三个互不相邻顶点到伪装板7中心的连线上，并且三个半导体制冷片8或导热板4的中心点的连线构成正三角形；为实现良好的热接触，本实施例在伪装板7与半导体制冷片8、半导体制冷片8与水冷式热管散热器接触的部位均设置导热层，以实现良好的热接触；在伪装板7的中心点处的温度传感器以及与伪装板7相距50～150mm的大气环境中分别设置有温度传感器，两个温度传感器分别与微处理器相连，通过温度比较动态调整伪装板7与背景融合，达到红外隐身的效果。

本发明自适应红外控温模块可以为一独立模块，也可以单个自适应红外控温模块为基本单元相互拼接进行阵列化设计，具体地，如图4所示，本实施例可通过设置在水冷板1上的转接头11实现伪装板单元之间的固定连接。

在实际应用时，利用伪装板7在待装备目标的外侧进行铺设实现遮挡，进而可应用到不同的背景中。如图5所示，自适应红外控温模块工作时，温度传感器获取伪装板7和环境的辐射温度，并将温度数据通过信号处理电路进行转换后实时传送至有电源供电的微处理器，微处理器对温度信息进行分析处理，然后微处理器通过驱动电路控制半导体制冷片8对伪装板7的温度进行调节，即当伪装板7的温度大于环境温度时，驱动信号控制半导体制冷片8降温，当伪装板7的温度小于环境温度时，驱动信号控制半导体制冷片8升温。以此循环，伪装板单元实时反馈当前温度与获得背景温度进行比较，进行实时调整，使得伪装板7的温度与环境温度一致；在此过程中，水冷式热管散热器对半导体制冷片8进行散热，提高其工作效率：工况下，水冷式热管散热器的散热分为两路，一路通过导热板4直接将半导体制冷片8的热端热量导入到水冷板1的工作介质中，另一路由导热板4将半导体制冷片8的热端热量经热管3导入到水冷板1的工作介质中。上述两路散热提高了散热效率并且为半导体制冷片8的热端散热提供了双重保障，当热管3发生损坏时，散热器还可正常工作，提高了热端散热的稳定性。

本实施例采用多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics软件在相同的条件下分别对单片半导体制冷片(TEC)及热端采用水冷头组成的模块以及三片半导体制冷片(TEC)加水冷式热管散热器组成的模块进行瞬态热电分析，得到两种模块在输入电流为I＝1A，环境温度25℃，入口水温20℃，入口水流量2L/min,环境对流换热系数为15W/(m²K)下，伪装板温度(T_m)及伪装板最大温度及最小温度之差(ΔT)随时间的变化如图6。从图6中可以看出，采用三片TEC加水冷式热管散热器的控温模块降温速率更快，降温范围更大，到达稳态的响应时间更快。另外，伪装板最大温度及最小温度之差也表征了伪装板表面温度的均匀性，可见在这个降温过程中，采用三片TEC加水冷式热管散热器的控温模块伪装板温度均匀性明显提高。

图7为本发明具体实施例应用于草地以及公路背景下的可见光及红外图像，可以看出通过调节器表面的红外辐射可以实现其与背景的相融合，也可以实现伪装板板良好的降温及升温，验证了其具有良好的应用价值。

以上结合附图对本发明的实施例进行了详细阐述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护。

Claims (8)

1.一种自适应红外控温模块，其特征在于，包括：电源、温度采集单元、伪装板单元和控制单元；其中，所述伪装板单元包括用于遮挡红外隐身目标的伪装板，紧贴在伪装板上用于调节伪装板温度的多个半导体制冷片以及设置在所述多个半导体制冷片相对伪装板另一侧的散热装置，多个半导体制冷片的中心设置在以伪装板中心为圆心的圆周，且任意相邻两个半导体制冷片的中心连线均相等以实现多点均匀控温，所述温度采集单元包括分别用来实时探测所述伪装板辐射温度和背景环境辐射温度的两个采温装置；所述控制单元通过电源进行供电，并且分别与采温装置及半导体制冷片相连，用以实现伪装板与背景环境动态融合达到红外隐身效果；

所述散热装置采用水冷式热管散热器，所述水冷式热管散热器包括水冷板、设置在水冷板上的导热板和内嵌于水冷板和导热板之间的热管，水冷式热管散热器与水冷机相连，水冷机为水冷式热管散热器提供工作介质。

2.根据权利要求1所述自适应红外控温模块，其特征在于，所述伪装板的形状呈正六边形。

3.根据权利要求1所述自适应红外控温模块，其特征在于，所述半导体制冷片的个数为三个，三个半导体制冷片中心分别设置在伪装板上三个互不相邻顶点到伪装板中心的连线上，并且所述三个半导体制冷片中心的连线构成正三角形。

4.根据权利要求1所述自适应红外控温模块，其特征在于，所述导热板和半导体制冷片的形状相同，并且导热板通过导热层重叠设置在半导体制冷片上。

5.根据权利要求1所述自适应红外控温模块，其特征在于，通过隔热层将所述半导体制冷片与外界环境隔绝。

6.根据权利要求1所述自适应红外控温模块，其特征在于，在所述伪装板与所述半导体制冷片、所述半导体制冷片与所述散热装置接触的部位均设置导热层。

7.根据权利要求1所述自适应红外控温模块，其特征在于，所述温度采集单元中探测伪装板温度的采温装置具体选择温度传感器，探测背景环境温度的采温装置具体选择热释电红外探测器。

8.根据权利要求1所述自适应红外控温模块，其特征在于，所述控制单元采用微处理器或者单片机。

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