红外面目标模拟器温度控制技术的研究

吴春光，王爱民

（92941部队，葫芦岛 125000）

红外成像制导武器系统研制过程中，红外成像目标模拟器是半实物仿真实验中不可缺少的组成部分。目前常见的目标成像生成装置有红外CRT、液晶光阀和电阻阵［1］等。电阻阵具有红外辐射强度高、覆盖光谱宽等特点，可适用于线扫和凝视两种红外成像器件的红外图像目标源［2］，因此得到了广泛的应用。国外通过多年的技术积累已经建立起从目标红外图像、大气传输、战场背景模拟到多种目标红外模拟器全套的目标红外模拟系统，并已成功的应用到靶场测试、军事演习等多种领域中［3］。

本文设计了一种采用分布温度控制系统构成的面目标模拟器。通过对局部模拟温度的调节，实现了模拟目标温度分布特性。温度波动在无扰动情况下传感器测试温度达到0.2℃。

1 系统组成

红外面目标模拟器主要由红外辐射体以及测温控温等装置组成。利用目标辐射特性的统计特征，可以给出构成目标主要辐射部分的辐射温差和辐射面积。并对目标进行网格化处理，其每个单元网格可近似为温度分布均匀的红外辐射体。采用多个温度控制模块实现对每个网格的红外辐射特征模拟，并通过测控设备实现与中心控制器数据信息交换。

2 硬件结构设计

根据测控需求指标，设计以单片机为单元控制器的测控电路。为简化连接线路，与中心控制计算机通信采用了电力载波通讯。根据测控需求，控制终端盒内的控制器选用单片机测控温结合电力载波通信实现。按照测控系统的需求，采用模块化、可扩展的思想，设计功能模块。功能模块具体分为温度采集模块、PID温度控制模块、电力载波通讯模块等。具体包括2路模拟信号测量接口，用来实现环境温度信号采集和目标温度信号采集。1路PWM输出接口，实现目标的PID温度控制。1路电力载波通信接口，实现与中心控制计算机之间的通讯。铂电阻性能稳定、线性好、精度高。因此温度传感器选用铂电阻 pt100。温度传感器采用三线制，目的是消除线长的影响。在测量时，流过温度传感铂电阻的电流不能太大，否则会引起铂电阻自热，产生温升。当流过pt100铂电阻的电流为1mA时，铂电阻自热产生的温升为0.05℃。当温度变化1℃时pt100温度传感器变化0.3左右。所以需要对铂电阻产生的温度信号进行放大才能使温度测量达到一定的精度。要使测量精度达到1℃，必须采用高精度的A/D转换器并要适合工业级的环境温度要求，A/D转换器采用 16位的和—差式 A/D转换器AD7705。

由于采集的温度点多且分散，因此需要将采集的温度点分类编号，用总线组成网络传输，并要求网络上任意一个节点发生故障不影响其它节点工作。电力载波通信使控制器与总线之间实现电气上隔离进一步提高温控的可靠性。靶船温控系统硬件组成原理图如图1。在进行温度控制时，各个温控节点接收发送来的温度目标值，根据温度目标值，控制固态继电器通断，使加热单元温度稳定在目标值上。温控算法采用脉宽调制法进行。即当每个独立加电单元的温度值低于目标温度值时，根据实测温度值与目标温度值之间的差值大小，则对加热膜进行频率相同但占空比不同的脉冲加热方式。根据温度控制实验结果，周期设计为 30s。占空比为0.1%～100%。脉宽调制加热由控制器软件实现。

3 软件设计

3.1 温度采集控制器软件设计

温度采集控制器的软件流程如图2。

3.2 温度控制节点控制器软件设计

图1 靶船温控系统硬件组成原理图Fig.1 The hardware schematic diagram of target ship temperature controlling systems

图2 节点控制器的软件流程Fig.2 The software flow diagram of node controller

温度控制器工作温度为 20℃～50℃，选择工业级的A/D转换器AD7705，它包括一个型ADC、片内带静态RAM的校准控制器、时钟振荡器、数字滤波器和一个双向串行通信端口。该器件的电源电流仅为320A，供电电源可选择2.7～5.25V。AD7705包括2个可编程增益全差分模拟输入通道，输入通道的可选增益为1、2、4、8、16、32、64和128，当基准输入电压为2.5V时允许器件接受0mV～+20mV。器件的工作温度为 40℃～+85℃。

4 电力载波传输芯片

电力载波传输芯片选用PL2102，该芯片是专为电力线通讯网络设计的半双工异步调制解调器。它仅由单一的+5V电源供电，以及一个外部的接口电路与电力线耦合。PL2102除具备基本的通讯控制功能外，还内置了五种常用的功能电路：可数字频率校正的实时钟电路，32 Bytes SRAM，电压监测，看门狗定时器及复位电路，它们通过标准的I2C接口与外部的微处理器相联，其中实时钟与32 Bytes SRAM在主电源掉电的情况下可由3V备用电池供电继续保持工作。PL2102是特别针对中国电力网恶劣的环境所研制开发的低压电力线载波通信芯片。

5 温度控制器

温度控制器采用了三相四线制输入、两路温度测量接口、一路PMW控制功率输出。同时设计了三相电断相检测与保护以及过温度硬件保护等功能。整机电路图如图3所示。温度测量接口采用了三线制的热电阻桥式测量电路。并在输出端设计了稳压二极管限制输出过电压。放大电路芯片由测量放大运放OP27组成，具有线性度好、温度适应范围宽的优点。单片机采用AT89S52芯片，具有在线程序下载接口。电力载波芯片为PL2102，输出调制信号经放大后馈至电力线A相。整个控制板供电由三个电源变压器提供。这三个变压器同时兼做三相电缺相检测输入。三相电断相检测电路由三个电压比较器（U11）实现。在电源缺相时将断开外部机械式继电器并报警。电路中设计了 AT24C04的EEPROM，保存该板的节点地址号和温度传感器的校准数据。为了便于调试，单片机设计了红外数据传输串口。具有和通用红外串行控制器接口功能。通过红外串行控制器修改地址和校准数据。

图3 温度控制箱的接线示意图Fig.3 Connection schematic diagram of temperature control box

温度控制箱电路板设计完成后，先后进行了温度控制调试、载波通信调试、红外传输控制调试。在温度控制调试中，针对已经研制的单元样板，进行了PID参数的选取，设计中采用了可变PID参数的调节技术，针对不同的温度误差范围选取不同的PID参数，实验测试结果表明在通电20分钟后，温度控制进入稳定状态。温度波动在无扰动情况下传感器测试温度达到0.2℃。

6 结束语

本红外面目标模拟器满足了项目对外场目标模拟源的技术要求，其研制填补了专项配套设备的空白，解决了外场使用和内场科研中的相应问题。实际应用效果良好，既可广泛地进行外场应用，又可灵活地用于支持各种内场科研试验。为科研和部队技术保障增添了得力的辅助设备。对于提升部队战斗力起到积极的作用，具有良好的应用前景和相当的经济效益潜力。

［1］肖云鹏，马斌，梁平治.国产电阻阵列动态红外景像投射器研制进展［J］.红外技术，2006，28（5）：266-270.

［2］Harrison D.C.Infrared System Engineering［M］.John Wiley&Sons，INC，1996.

［3］芦汉生，白廷柱，邹正峰.电阻阵列红外动目标源的研究［J］.红外与激光工程，1998，27（1）：20-22.