CN114281132B - 基于温度均匀性的光学系统的热控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于温度均匀性的光学系统的热控方法，包括以下步骤：将光学系统的待控温区域划分为至少两个的独立的控温区；设定控温的目标温度范围和目标温度差；判断每个控温区的温度是否在所述目标温度范围内，若否，则判定控温区归类为第一状态；若是，则判定控温区归类为第二状态；对第一状态下的所有控温区和第二状态下的所有控温区进行控温，其中第一状态使用的控温方法与第二状态使用的控温方法不同。本发明提出的温控方法是在相机光学系统需要加热的部位设置不同的控温区，在每个控温周期内，根据控温区的状态不同进行不同方式的温控，从而达到保持光学系统温度均匀性的目的。

Description

基于温度均匀性的光学系统的热控方法

技术领域

本发明涉及温控领域，尤其涉及基于温度均匀性的光学系统的热控方法。

背景技术

航天相机受地球红外辐射、地球反照等空间环境的影响，其主镜组、次镜组、三镜组、焦面、支架等重要部件会有较大的温度变化，在航天相机热设计过程中，通常会施加被动热控措施和主动热控措施来保证相机重要部件的温度稳定性。

在现有的主动热控措施中，关注点多集中在功率均衡、功率补偿、控温精度等方面，对于温度均匀性的关注度较低。例如CN 112265653A号专利提出的自主热控方法，主要侧重点是使航天器的所有控温回路的加热器的总功率峰值可控，降低热控加热功率对供电峰值功率的要求。

但在主动热控措施实施时，由于控温带分布、控温时间、周围部件热辐射等因素影响，光学系统极易因受热不均匀产生热应力，而热应力引起的镜面面形改变会导致镜面产生局部凸起和凹陷，进而使光学系统引入相差，最终导致相机光学质量下降。因此有必要提出一种方法，一方面提高光学系统的热控精度，另一方面保证光学系统的温度均匀性。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了提高系统的温度均匀性，改善相机空间系统的温度场环境的热控方法。为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

基于温度均匀性的光学系统的热控方法，包括以下步骤：

S1、将光学系统的待控温区域划分为至少两个的独立的控温区；

S2、设定控温的目标温度范围和目标温度差；

S3、判断每个控温区的温度是否在目标温度范围内，若否，则判定控温区归类为第一状态；若是，则判定控温区归类为第二状态；

对第一状态下的所有控温区和第二状态下的所有控温区进行控温，其中第一状态使用的控温方法与第二状态使用的控温方法不同。

进一步的，每个控温区设置有加热回路和测温回路；

加热回路对控温区进行加热；

控温回路对控温区进行测量与采集温度。

进一步的，步骤S3中对第一状态下的所有控温区进行控温的步骤如下：

每个控温区的温度与目标温度范围进行比较：

若控温区的温度高于目标温度范围的上限，则断开该控温区的加热回路；

若控温区的温度低于目标温度范围的下限，则闭合该控温区的加热回路。

进一步的，当步骤S3中第二状态下的所有控温区的数量n为偶数时，进行控温的步骤如下：

(1)、将第二状态下的所有控温区的温度进行升序排序，获得温度序列T₁，T₂……T_n；

(2)、判断T_n+1-i-T_i的差值是否大于目标温度差，其中i的取值为1，2……n/2；

若否，则保持T_n+1-i和T_i对应的两个控温区的加热回路的当前设定；

若是，则断开T_n+1-i对应的控温区的加热回路，闭合T_i对应的控温区的加热回路。

进一步的，当步骤S3中第二状态下的所有控温区的数量q为奇数时，进行控温的步骤如下：

(1)、将第二状态下的所有控温区的温度进行升序排序，获得温度序列T₁，T₂……T_q；

(2)、判断T_q-i+1-T_i的差值是否大于目标温度差，其中i的取值为1，2……(q-1)/2；

若否，则保持T_q-i+1和T_i对应的两个控温区的加热回路的当前设定；

若是，则断开T_q-i+1对应的控温区的加热回路，闭合T_i对应的控温区的加热回路；

(3)、保持T_(q+1)/2对应的控温区的加热回路的当前设定。

进一步的，设置时间宽度相等的至少两个的时间周期，每个时间周期内采用步骤S3对待控温区域进行控温；循环至最后一个时间周期结束。

进一步的，初始状态下，所有加热回路为断开状态。

本发明能够取得以下技术效果：

1、采用本发明的热控方法可以减小光学系统的温度波动范围，提高了热控精度，保证了光学系统的温度稳定性。

2、本发明的热控方法可以增加光学系统的温度均匀性，改善了相机空间系统的温度场环境，提高了成像质量。

3、本发明中的控温区可单独控制，能够适应在轨飞行的极端环境条件。

附图说明

图1为本发明公开的热控方法的流程图；

图2为本发明公开的第一状态的温控流程图；

图3为本发明公开的第二状态的温控流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

为解决光学系统受热不均的问题，本发明提出了一种基于温度均匀性的光学系统热控方法，包括以下步骤：

S1、将光学系统的待控温区域划分为至少两个的独立的控温区。根据相机不同工况的需求，在相机光学系统周围设置若干控温区；每个控温区具有独立的控制其温度的功能。

S2、根据相机光学系统成像要求，设定控温的目标温度范围和目标温度差。

其中，目标温度差是光学系统在保持成像质量的前提下，目标温度差从系统中所有零部件能同时存在的最高温度与最低温度的差值选取，这个值可以衡量光学系统的温度均匀性。

其中，目标温度范围是光学系统工作的最佳温度，目标温度是个温度范围。

S3、判断每个控温区的温度是否在所述目标温度范围内，若否，则判定控温区归类为第一状态；若是，则判定控温区归类为第二状态；

对第一状态下的所有控温区和第二状态下的所有控温区进行控温，其中第一状态使用的控温方法与第二状态使用的控温方法不同。第一状态与第二状态的温控流程图分别如图2、图3所示。

其中，第一状态的温控方法的步骤如下：

(1)、分别将每一个控温区采集的温度与目标温度范围比较；

(2)、当控温区采集温度高于目标温度范围的上限，断开该控温区加热回路，当控温区采集温度低于目标温度范围的下限，闭合该控温区加热回路。

其中，第二状态的温控方法根据控温区的总数量是奇数还是偶数，分为以下两者情况。

第二状态下的所有控温区的数量n为偶数时，进行控温的步骤如下：

(1)、将第二状态下的所有控温区的温度进行升序排序，获得温度序列T₁，T₂……T_n；

(2)、判断T_n+1-i-T_i的差值是否大于目标温度差，其中i的取值为1，2……n/2；

若否，则保持T_n+1-i和T_i对应的两个控温区的加热回路的当前设定；

若是，则断开T_n+1-i对应的控温区的加热回路，闭合T_i对应的控温区的加热回路。

具体的，第二状态的温控方法的步骤如下：

(1)、将第二状态的所有控温区采集温度进行升序排序；

(2)、对温度序列中的最高温度与最低温度做差，若这两个温度的差值小于目标温度差，保持这两个控温区加热回路的当前设定；若差值大于目标温度差，断开温度高的控温区的加热回路，闭合温度低的控温区的加热回路；

(3)、再对温度序列的第二高温度与第二低温度做差，并将温度的差值与目标温度差对比；

(4)、按顺序处理温度序列中剩余的控温区的温度，直到某两个控温区的温差小于目标温度差或所有控温区温度都做差且完成对比。

当步骤S3中第二状态下的所有控温区的数量q为奇数时，进行控温的步骤如下：

(1)、将第二状态下的所有控温区的温度进行升序排序，获得温度序列T₁，T₂……T_q；

(2)、判断T_q-i+1-T_i的差值是否大于目标温度差，其中i的取值为1，2……(q-1)/2；

若否，则保持T_q-i+1和T_i对应的两个控温区的加热回路的当前设定；

若是，则断开T_q-i+1对应的控温区的加热回路，闭合T_i对应的控温区的加热回路；

(3)、保持T_(q+1)/2对应的控温区的加热回路的当前设定。

具体的，以q＝7为例，目标温度差为△T，温度序列为T₁，T₂……T₇。该控温过程与第二状态下的所有控温区的数量为偶数时类似，但是需要对温度序列的中间的数T₄保持当前的加热回路的状态。依次计算T₇-T₁、T₆-T₂、T₅-T₃的差值并分别与△T比较。T₇-T₁大于△T时，断开T₇对应的控温区的加热回路，闭合T₁对应的控温区的加热回路；否保持两个控温区的当前设定。同理对T₆-T₂、T₅-T₃进行同样的比较处理，而对T₄保持其当前的加热回路的断开或闭合状态。本发明按照温度高低的规律，将两个温度区进行处理，控温过程更侧重温度的均匀。

在一个控温周期内，根据采集的温度将控温区分为第一状态和第二状态，然后按顺序先后对两个状态下的控温区进行温控；每个控温周期内，每个控温区只进行一次温控调整。

本发明提出的温控方法是在相机光学系统需要加热的部位设置不同的控温区，在每个控温周期内，根据控温区的状态不同进行不同方式的温控，从而达到保持光学系统温度均匀性的目的。提出了对加热区域分状态的处理方法，控温效率高。

优选的，控温区是相互独立的，每个控温区都包括一个对控温区的目标区域加热的加热回路和一个测量目标区域温度的测温回路。

优选初始时间时，所有控温区的加热回路为断开状态。

每个加热回路包括若干个加热子回路，每个加热子回路都包括若干个电加热器，每个加热回路都可以独立断开或闭合。

每个测温回路都包括一个温度采集器，每个测温回路都可以独立测量、采集温度并回传至具有运算功能的控制器，测温回路每个控温周期都会采集一次目标区域的温度。

因相机的工作状态等变化，如轨道温度的变化，相机工作状态的改变，前一个周期对控温区加热回路断开、闭合的调整等原因。在一个时间段内调整一次控温区后温度又有了新变化，可以设置时间宽度相等的至少两个的时间周期，每个时间周期内采用步骤S3对待控温区域进行控温；循环至最后一个时间周期结束。这样可以对相机进行连续的控温。

在步骤S3中在当前控温周期为第一状态的控温区，在下个控温周期内可能依然保持在第一状态，也可能会变为第二状态。在当前控温周期为第二状态的控温区，在下个控温周期内可能依然保持在第二状态，也可能会变为第一状态。

在本发明的一个优选实施例中，根据某航天测绘相机的在轨工况，在光学系统需要加热的部位设置8个控温区，每个控温区都包含一个温度采集器和若干主备电加热器。根据光学系统成像要求，确定控温的目标温度范围为T₀±△t，目标温度差为△T，设定控温周期为20s。

每个控温周期内，采集一次控温区的温度，若控温区采集的温度T_i与目标温度范围有如下关系：

T₀-△t<T_i<T₀+△t(1≤i≤8)

则该控温区被归类为第二状态，否则该控温区被归类为第一状态。设第一状态中的控温区共m个，第二状态中的控温区共n个，那么1≤m≤8，1≤n≤8，且m+n＝8。

将第一状态中每个控温区的温度与目标温度范围进行对比，若T_p>T₀+△t(1≤p≤m)，则断开该控温区的加热回路，若T_p<T₀-△t，则闭合该控温区的加热回路。

将第二状态中所有控温区的温度进行升序排列，形成一个温度序列，对温度序列中的最高温度与最低温度做差，若T_n-T₁≤△T，保持这两个控温区加热回路的当前设定；若T_n-T₁>△T，断开T_n对应的控温区的加热回路，闭合T₁对应的控温区的加热回路。再对温度序列的第二高温度与第二低温度做差，并将温度的差值与目标温度差对比，即对比T_n-1-T₂与△T的关系。就这样按顺序处理温度序列中剩余的控温区温度，直到某两个控温区的温差小于目标温度差或所有控温区温度都做差且完成对比。

在下一个控温周期内重复上述流程。每个控温周期按上述方法进行一次控温过程，相邻两个控温区的采集控温区温度的时间间隔相等。

本发明提出的一种基于温度均匀性的光学系统热控方法，主要针对航天相机光学系统的温度均匀性控制，在相机光学系统需要加热的部位设置不同的控温区，在每个控温周期内，根据控温区的状态不同进行不同方式的温控，从而达到保持光学系统温度均匀性的目的。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.基于温度均匀性的光学系统的热控方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将光学系统的待控温区域划分为至少两个的独立的控温区；

S2、设定控温的目标温度范围和目标温度差；

S3、判断每个控温区的温度是否在所述目标温度范围内，若否，则判定控温区归类为第一状态；若是，则判定控温区归类为第二状态；

对第一状态下的所有控温区和第二状态下的所有控温区进行一次控温，其中第一状态使用的控温方法与第二状态使用的控温方法不同；

每个控温区设置有加热回路和测温回路；

所述加热回路对所述控温区进行加热；

所述测温回路对所述控温区进行测量与采集温度；

当所述步骤S3中第二状态下的所有控温区的数量n为偶数时，进行控温的步骤如下：

(1)、将第二状态下的所有控温区的温度进行升序排序，获得温度序列T1，T2……Tn；

(2)、判断Tn+1-i-Ti的差值是否大于所述目标温度差，其中i的取值为1，2……n/2；

若否，则保持Tn+1-i和Ti对应的两个控温区的加热回路的当前设定；

若是，则断开Tn+1-i对应的控温区的加热回路，闭合Ti对应的控温区的加热回路；

当所述步骤S3中第二状态下的所有控温区的数量q为奇数时，进行控温的步骤如下：

(1)、将第二状态下的所有控温区的温度进行升序排序，获得温度序列T₁，T₂……T_q；

(2)、判断T_q-i+1-T_i的差值是否大于所述目标温度差，其中i的取值为1，2……(q-1)/2；

若否，则保持T_q-i+1和T_i对应的两个控温区的加热回路的当前设定；

若是，则断开T_q-i+1对应的控温区的加热回路，闭合T_i对应的控温区的加热回路；

(3)、保持T_(q+1)/2对应的控温区的加热回路的当前设定。

2.根据权利要求1所述的热控方法，其特征在于，所述步骤S3中对第一状态下的所有控温区进行控温的步骤如下：

每个控温区的温度与所述目标温度范围进行比较：

若控温区的温度高于所述目标温度范围的上限，则断开该控温区的加热回路；

若控温区的温度低于所述目标温度范围的下限，则闭合该控温区的加热回路。

3.根据权利要求1-2任一项所述的热控方法，其特征在于，在总时间段内，分若干个时间周期对所述待控温区域进行循环控温，每个时间周期采用所述步骤S3对所述待控温区域进行一次控温。

4.根据权利要求1-2任一项所述的热控方法，其特征在于，初始状态下，所有加热回路为断开状态。

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