CN115328230B - 光电吊舱热控系统及其热控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光电吊舱热控系统及其热控方法，包括控制模块、温度测量模块、加热模块和降温模块；温度测量模块用于测量需加热或降温的元件的表面温度数据以及将表面温度数据发送到控制模块；控制模块用于接收表面温度数据、根据表面测温数据计算温度控制阈值以及对加热模块和降温模块进行控制；加热模块用于当表面温度数据低于温度控制阈值时，基于控制模块的控制对元件进行加热；降温模块用于当表面温度数据高于温度控制阈值时，基于控制模块的控制对元件进行降温。本发明能够在有限功耗的前提下，尽可能的保证光学系统各关键组件整体温度均匀下降，保证在外界温度变换的环境下，光学系统梯度不紊乱，从而保障吊舱的成像性能。

Description

光电吊舱热控系统及其热控方法

技术领域

本发明涉及航空光电成像技术领域，特别涉及一种光电吊舱热控系统及其热控方法。

背景技术

航空光电吊舱是航空遥感成像测量的关键设备，在执行侦察任务时，由于飞行高度的攀升和飞行速度的提升将会引起吊舱温度的下降。

所以传统的光电吊舱热控方法采用温度继电器控制加热片进行开环温度控制，或采用温度传感器进行实时测温闭环，设定期望温度标准，通过控制加热片供电来达到控温效果。以上这种热控方式虽然具备一定的控温性能，但是没有整体考虑吊舱光学系统的温度传导不均匀性以及外界环境变化带来的温度变化趋势，易造成吊舱内部各镜片、镜筒整体温度下降不均匀，产生不同的温度梯度，造成探测器成像离焦，影响光学系统的成像性能。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种光电吊舱热控系统及其热控方法，能够在有限功耗的前提下，尽可能的保证光学系统各关键组件整体温度均匀下降，保证在外界温度变换的环境下，光学系统梯度不紊乱，从而保障吊舱的成像性能。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供的光电吊舱热控系统，包括控制模块、温度测量模块、加热模块和降温模块；

温度测量模块用于测量需加热或降温的元件的表面温度数据以及将表面温度数据发送到控制模块；

控制模块用于接收表面温度数据、根据表面温度数据计算温度控制阈值以及对加热模块和降温模块进行控制；

加热模块用于当表面温度数据低于温度控制阈值时，基于控制模块的控制对元件进行加热；

降温模块用于当表面温度数据高于温度控制阈值时，基于控制模块的控制对元件进行降温。

优选地，控制模块包括控制器和继电器；

控制器用于接收表面温度数据、确定温度控制阈值、根据表面温度数据做出加热或降温决策以及向继电器发送控制信号；

继电器用于接收控制信号，进而对加热模块与降温模块进行通断控制。

优选地，降温模块包括制冷单元和散热单元；

制冷单元用于当表面温度数据高于温度控制阈值时，基于控制模块的控制对元件进行制冷；

散热单元用于当表面温度数据高于温度控制阈值时，基于控制模块的控制对元件进行散热；

优选地，制冷单元包括帕尔贴和帕尔贴风扇；

帕尔贴用于对元件进行制冷降温；

帕尔贴风扇用于对帕尔贴进行散热。

优选地，散热单元包括散热风扇；

散热风扇用于对元件进行散热。

本发明提供的光电吊舱热控系统的热控方法，具体步骤包括：

S1、温度测量模块测量需加热或降温的元件的表面温度数据以及将表面温度数据发送到控制模块；

S2、控制模块接收表面温度数据、根据表面温度数据计算温度控制阈值以及对加热模块和降温模块进行控制；

S3、循环步骤S1和S2，直到表面温度数据处在温度控制阈值范围内。

优选地，步骤S2还包括：

S21、控制器接收表面温度数据、确定温度控制阈值、根据表面温度数据做出加热或降温决策以及向继电器发送控制信号；

S22、继电器接收控制信号，进而对加热模块与降温模块进行通断控制。

本发明能够取得如下技术效果：

1、通过与需加热或降温的元件匹配温度传感器，实现多点温度测量，根据不同需求安装不同功能的模块，实现多组件加热控制以及降温控制。

2、使系统在有限功耗的前提下，尽可能的保证光学系统各关键组件整体温度均匀下降，保证在外界温度变换的环境下，光学系统梯度不紊乱，从而保障吊舱的成像性能以及最大限度的保障光学系统成像质量不受温度变化影响。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的光电吊舱热控系统的逻辑结构示意图。

图2是根据本发明实施例提供的光电吊舱热控系统的结构示意图。

图3是根据本发明实施例提供的加热模块的控制流程图。

图4是根据本发明实施例提供的制冷单元的控制流程图。

图5是根据本发明实施例提供的散热单元的控制流程图。

图6是根据本发明实施例提供的光电吊舱热控系统热控方法的工作流程示意图。

其中的附图标记包括：控制模块1、控制器101、继电器102、温度测量模块2、温度传感器201、加热模块3、加热片301、降温模块4、制冷单元401、帕尔贴411、帕尔贴风扇412、散热单元402、散热风扇413。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

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。

图1示出了本发明实施例提供的光电吊舱热控系统的逻辑结构。

如图1所示，本发明实施例提供的光电吊舱热控系统包括控制模块1、温度测量模块2、加热模块3和降温模块4，温度测量模块2用于测量需加热或降温的元件的表面温度数据以及将表面温度数据发送到控制模块1；控制模块1用于接收表面温度数据、根据表面测温数据计算温度控制阈值以及对加热模块3和降温模块4进行控制；加热模块3用于当表面温度数据低于温度控制阈值时，基于控制模块1的控制对元件进行加热；降温模块4用于当表面温度数据高于温度控制阈值时，基于控制模块1的控制对元件进行降温。

控制模块1包括控制器101和继电器102，控制器101用于接收表面温度数据、确定温度控制阈值、根据表面温度数据做出加热或降温决策以及向继电器102发送控制信号；继电器102用于接收控制信号，进而对加热模块3与降温模块4进行通断控制。

温度测量模块2由温度传感器201组成，并且一个需加热或降温的元件匹配至少一个温度传感器201，以测量需加热或降温的元件的实时温度。温度传感器201用于测量需进行热控的光学组件的表面温度数据并且根据表面温度数据降低10℃作为接下来1小时内的温度控制阈值。

其中，温度传感器201根据本发明提供的光电吊舱实际工作的环境，可以对温度控制阈值的上限或下限进行干预设定，温度传感器201的控温误差范围设定为±0.5℃，由此可以确定具体控温实施策略，便于后续其他模块进行控温。加热模块3由加热片301组成，加热片301根据继电器102下达的通断信号对需热控的光学元件进行加热。加热片301采用通断电实现其加热或待机控制，在需加热的元件加工完成后利用导热胶粘贴至需加热的元件例如，镜筒、镜片背部或镜片支撑结构上。

图3示出了本发明实施例提供的加热模块的控制流程。

如图3所示，例如，以温度测量模块2获取的表面温度数据为15℃时，假设温度控制阈值参数为：控制模块1计算后温度控制阈值设定为5℃、加热片301控温范围为5±0.5℃，温度测量模块2开始定时进行需加热的元件的实时表面温度数据的测量，当实时表面温度数据处在控温阈值范围(4.5℃～5.5℃)内，达到定时的时间进则进行下一次测量；当实时表面温度数据低于控温下限(4.5℃)时，则控制模块1向继电器102发送开启信号，继电器102对加热片301进行供电，使加热片301为需加热的元件进行加热，在加热片301加热后，表面温度数据高于控温上限(5.5℃)，则关闭加热片301，停止对元件进行加热，使其表面温度自然下降；上述实现了加热片301的一次控制流程，控制模块1不断重复此控制流程来实现对加热片301的加热控制。

降温模块4包括制冷单元401和散热单元402，制冷单元401用于当表面温度数据高于温度控制阈值时，基于控制模块1的控制对元件进行制冷；散热单元402用于当表面温度数据高于温度控制阈值时，基于控制模块1的控制对元件进行散热；制冷单元401由帕尔贴411与帕尔贴风扇412组成，帕尔贴411用于对超过温度控制阈值的需降温的元件进行制冷降温；帕尔贴风扇412用于对帕尔贴411进行散热。以此更好的达到对需降温的元件进行降温。帕尔贴411原理为现有技术，在此不进行赘述。

图4示出了本发明实施例提供的制冷单元的控制流程。

如图4所示，例如，假设元件的理想表面温度数据为低于0℃，控温范围为0±0.5℃，温度测量模块2开始定时进行需降温的元件的实时表面温度数据的测量，当实时表面温度数据高于控温范围上限(0.5℃)时，控制模块1下达制冷指令，开启帕尔贴411以及帕尔贴风扇412，进行制冷促使元件的表面温度下降，在帕尔贴411进行制冷后，表面温度数据低于控温范围下限，则关闭帕尔贴411及其帕尔贴风扇412，停止对元件的制冷，使其温度自然变化；当实时表面温度数据处于温控范围内，则维持当前状态不变，温度测量模块2继续监测表面温度数据，上述实现了制冷单元401的一次制冷控制流程。

散热单元402由散热风扇413组成，散热风扇413用于对超过温度控制阈值的需降温的元件进行散热。

图5示出了本发明实施例提供的散热单元的控制流程。

如图5所示，例如，假设需降温的元件的控温范围为10°±0.5℃，温度测量模块2开始定时进行需降温的元件的实时表面温度数据的测量，当实时表面温度数据高于控温范围上限(10.5℃)时，则控制模块1下达散热指令，开启散热风扇413进行散热，在散热风扇413进行散热后，表面温度数据低于温控范围下限，则关闭散热风扇413，停止散热，使其温度自然变化，温度测量模块2继续监测表面温度数据，上述实现了散热单元402的一次散热控制流程。

可以根据需降温的元件的不同温度需求，选用制冷单元401或是散热单元402，当需要快速进行制冷时，可以选用制冷单元401，反之选用散热单元402，因为相比较来说，散热单元402对于需降温的元件降温效果不如制冷单元401，所以可以根据不同的需求来选用相应的模块。

图2示出了本发明实施例提供的光电吊舱热控系统的结构。

如图2所示，本发明实施例提供的光电吊舱热控系统的硬件结构包括控制器101、继电器102、温度传感器201、加热片301、帕尔贴411、帕尔贴风扇412和散热风扇413；每一个需加热或降温的元件都匹配至少一个温度传感器201以及继电器102，用于实时检测温度以及进行温度控制。根据需要加热或降温的需求，可以将不同功能的模块与其匹配。

控制器101分别与继电器102、温度传感器201、加热片301、帕尔贴411、帕尔贴风扇412和散热风扇413相连，控制器101优选以一片FPGA芯片作为主控制器，主要为温度传感器201提供驱动控制信号并定时读取温度测量数据；主要为继电器102提供通断控制信号，从而实现加热、保温、制冷、散热等温度控制功能。在控制器101中的FPGA芯片也可选用功能类似具备IO控制的ARM、DSP等控制芯片作为控制器101的主控制器。

继电器102优选为AQV252，其最大负载电流达5A，由控制器101中的FPGA芯片提供3.3V通断控制信号，进而实现后端加热片301、帕尔贴411、帕尔贴风扇412、散热风扇413的供电和断电控制。继电器102也可根据后端负载电流选用功能类似的其他型号继电器102，如AQZ202D等。

温度传感器201优选为采用国产GX18B20H单总线传感器，采用3.3V供电，由控制器101中的FPGA芯片提供驱动控制信号，定时进行温度测量，控制器101中的FPGA芯片根据温度测量结果对继电器102的控制。温度传感器201也可选用功能类似的其他温度传感器201，例如：DS18B20、TMP117AIDRVR等。

加热片301根据热控功耗以及光学组件机械结构进行定制设计，通过通电或断电实现其加热或待机控制，在光学系统机械结构加工完成后利用导热胶粘贴至镜筒、镜片背部或镜片支撑结构上。其中，加热片301可以有不同的外形尺寸和功耗。

帕尔贴411应用于红外光学系统中，在地面温度较高、飞机升空时间较短的情况下，光学系统自身的热辐射会影响红外探测器的成像质量，尤其在远距离探测时，光学系统自身的热辐射可能会将被测目标淹没，导致无法及时有效的探测到目标。

在控制器101通过温度传感器201对红外光学组件的温度进行实时监控时，当表面温度数据超过温度控制阈值时，控制器101通过继电器102开启帕尔贴411，加快光学镜组的降温速度，保障红外探测器的成像性能。

图6示出了本发明实施例提供的光电吊舱热控系统热控方法的工作流程。

本发明实施例提供的光电吊舱热控系统，具体步骤为：

S1、温度测量模块2对测量需加热或降温的元件的表面温度数据以及将表面温度数据发送到控制模块1。

S2、控制模块1接收表面温度数据、根据表面测温数据计算温度控制阈值以及对加热模块3和降温模块4进行控制；

S21、控制器101接收表面温度数据、确定温度控制阈值、根据表面温度数据做出加热或降温决策以及向继电器102发送控制信号；

S22、继电器102接收控制器101发送的控制信号，进而对加热模块3与降温模块4实行通电或断电控制。

S3、循环步骤S1和S2，直到表面温度数据处在温度控制阈值范围内。

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作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 (7)

1.一种光电吊舱热控系统，其特征在于，包括控制模块(1)、温度测量模块(2)、加热模块(3)和降温模块(4)；

所述温度测量模块(2)用于测量需加热或降温的元件的表面温度数据以及将所述表面温度数据发送到所述控制模块(1)，并根据表面温度数据降低10℃作为后续1小时内的温度控制阈值；所述温度测量模块(2)由多个温度传感器组成，每个需加热或降温的元件匹配至少一个温度传感器；

所述控制模块(1)用于接收所述表面温度数据、根据所述表面温度数据计算温度控制阈值以及对所述加热模块(3)和所述降温模块(4)进行控制；

所述加热模块(3)用于当所述表面温度数据低于所述温度控制阈值时，基于所述控制模块(1)的控制对所述元件进行加热，加热模块(3)由多个加热片组成，每个需加热或降温的元件匹配至少一个加热片；

所述降温模块(4)用于当所述表面温度数据高于所述温度控制阈值时，基于所述控制模块(1)的控制对所述元件进行降温，降温模块由多个制冷单元和散热单元组成，每个需加热或降温的元件至少匹配制冷单元或散热单元中的一个；

温度测量模块(2)定时测量需加热或降温的元件的表面温度数据以及将表面温度数据发送到控制模块(1)；控制模块(1)接收表面温度数据、根据表面温度数据计算温度控制阈值以及对加热模块(3)和降温模块(4)进行控制；直到所述表面温度数据处在所述温度控制阈值范围内。

2.如权利要求1所述的光电吊舱热控系统，其特征在于，所述控制模块(1)包括控制器(101)和继电器(102)；

所述控制器(101)用于接收表面温度数据、确定温度控制阈值、根据表面温度数据做出加热或降温决策以及向所述继电器(102)发送控制信号；

所述继电器(102)用于接收所述控制信号，进而对所述加热模块(3)与所述降温模块(4)进行通断控制。

3.如权利要求2所述的光电吊舱热控系统，其特征在于，所述降温模块(4)包括制冷单元(401)和散热单元(402)；

所述制冷单元(401)用于当所述表面温度数据高于所述温度控制阈值时，基于所述控制模块(1)的控制对元件进行制冷；

所述散热单元(402)用于当所述表面温度数据高于所述温度控制阈值时，基于所述控制模块(1)的控制对元件进行散热。

4.如权利要求3所述的光电吊舱热控系统，其特征在于，所述制冷单元(401)包括帕尔贴(411)和帕尔贴风扇(412)；

所述帕尔贴(411)用于对所述元件进行制冷降温；

所述帕尔贴风扇(412)用于对所述帕尔贴(411)进行散热。

5.如权利要求3所述的光电吊舱热控系统，其特征在于，所述散热单元(402)包括散热风扇(413)；

所述散热风扇(413)用于对所述元件进行散热。

6.一种利用如权利要求3所述的光电吊舱热控系统实现的热控方法，其特征在于，具体步骤包括：

S1、所述温度测量模块(2)测量需加热或降温的元件的所述表面温度数据以及将所述表面温度数据发送到所述控制模块(1)；

S2、所述控制模块(1)接收所述表面温度数据、根据所述表面温度数据计算温度控制阈值以及对所述加热模块(3)和所述降温模块(4)进行控制；

S3、循环步骤S1和S2，直到所述表面温度数据处在所述温度控制阈值范围内。

7.如权利要求6所述的光电吊舱热控系统的热控方法，其特征在于，步骤S2还包括：

S21、所述控制器(101)接收表面温度数据、确定温度控制阈值、根据表面温度数据做出加热或降温决策以及向所述继电器(102)发送控制信号；

S22、所述继电器(102)接收所述控制信号，进而对所述加热模块(3)与所述降温模块(4)进行通断控制。