劉雙富 余南陽

機場跑道異物探測系統(tǒng)光學(xué)探測轉(zhuǎn)臺溫度控制實驗研究

劉雙富 余南陽

（西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院 成都 610031）

針對機場跑道異物（FOD）探測系統(tǒng)光學(xué)探測轉(zhuǎn)臺內(nèi)部空間的溫度控制，提出了壁面輻射傳熱結(jié)合強化對流的控制方案。通過制作一比一同材質(zhì)簡化模型，針對不同的環(huán)境條件對系統(tǒng)溫度控制效果進(jìn)行了實驗與分析。實驗證明：在-20℃的環(huán)境溫度下，溫度變化達(dá)到每小時20℃時；在夏季氣溫逐時變化、日出日落時玻璃窗口存在陽光直射、極端高溫和環(huán)境溫度急劇變化的條件下，系統(tǒng)均可以達(dá)到很好的溫度控制效果。

FOD探測系統(tǒng)；光學(xué)探測轉(zhuǎn)臺；溫度控制；方案設(shè)計；實驗分析

0 引言

隨著我國民航事業(yè)的高速發(fā)展，機場跑道的使用率越來越高，其安全問題變得越來越重要，機場跑道異物（FOD）探測系統(tǒng)則是針對該問題的有效解決辦法。國外目前最具代表性的探測系統(tǒng)有四個[1-4]：英國的Tarsier Rader系統(tǒng)、以色列的FODetect系統(tǒng)、美國的FOD Finder系統(tǒng)和新加坡的iFerret系統(tǒng)。國內(nèi)關(guān)于FOD探測系統(tǒng)的研究目前還處于起步階段。2011年，李煜等[5]通過調(diào)研和實驗，設(shè)計了基于毫米波雷達(dá)、可見光、紅外圖像的檢測系統(tǒng)。2016年，何泳等[6]提供了一種基于雷達(dá)探測與視頻輔助識別的混合式系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用。以上FOD探測系統(tǒng)中均包含了光學(xué)探測部分，而光學(xué)元件的溫度分布不均勻、溫度變化較大都會影響其光學(xué)成像效果。針對這一問題，目前的解決辦法主要有在外筒包裹隔熱材料、內(nèi)壁粘貼加熱片、連接處使用隔熱材料減小結(jié)構(gòu)變形、采用熱電制冷技術(shù)控制CCD溫度、外輻射器表面涂抹白漆降低太陽輻射、采用熱管導(dǎo)走多余熱量等措施[7-9]。本文所采取的解決辦法則是針對其光學(xué)探測轉(zhuǎn)臺的內(nèi)部空間進(jìn)行溫度控制。

1 光學(xué)探測轉(zhuǎn)臺概述

本文所研究的對象為FOD探測系統(tǒng)的光學(xué)探測轉(zhuǎn)臺，如圖1。需要控制溫度的區(qū)域為轉(zhuǎn)臺中間的長方體鋁合金腔體，如圖2。腔體前方有光學(xué)玻璃窗口用于光學(xué)設(shè)備采集機場跑道實時圖像。轉(zhuǎn)臺整機外部工作溫度（空氣）為-32℃到52℃，內(nèi)部光學(xué)器件最大容許工作溫度范圍為-10℃至40℃。

圖1 光學(xué)探測轉(zhuǎn)臺實物圖

圖2 轉(zhuǎn)臺腔體透視圖

轉(zhuǎn)臺露天安裝于室外環(huán)境下，因受到日照強度、近地面二次輻射、環(huán)境溫度、空氣濕度以及風(fēng)力強度等諸多環(huán)境因素的影響，腔體內(nèi)部容易產(chǎn)生非均勻性溫度場。溫度及各點間溫差的變化，將會導(dǎo)致安裝于系統(tǒng)內(nèi)部的光學(xué)元件的形狀和材料特性發(fā)生變化，最終導(dǎo)致光學(xué)探測系統(tǒng)的成像質(zhì)量急劇下降，影響系統(tǒng)的工作性能[10]。

為保障光學(xué)探測系統(tǒng)具有較好的成像質(zhì)量，轉(zhuǎn)臺內(nèi)的溫度場需滿足以下控制要求：（1）腔體內(nèi)部日內(nèi)溫差不超過10℃；（2）溫度變化率不超過2℃/小時；（3）控制區(qū)域內(nèi)，各點間的溫差不超過2℃。

2 溫度控制方案

在腔體外殼外緊密圍繞一層流體管道，在管道層外再包裹保溫層；另設(shè)一帶有冷熱源的水箱，用水泵將水箱內(nèi)的水循環(huán)泵入圍繞腔體的管道內(nèi)，水箱內(nèi)的冷熱源可控制進(jìn)入管道的水溫保持在設(shè)定溫度一度范圍內(nèi)；腔體內(nèi)壁附近安裝數(shù)個微型風(fēng)扇，加強腔體外殼與腔體內(nèi)空氣之間的對流換熱以及腔體內(nèi)部空氣的循環(huán)流動，使腔體內(nèi)部的熱量分布更加均勻，溫度場更加均衡。

圖3 系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)原理圖如圖3所示：水箱由壓縮機、冷凝器、毛細(xì)管和冷凍管組成制冷系統(tǒng)提供冷源，由電加熱器提供熱源。制冷系統(tǒng)和電加熱器根據(jù)水泵進(jìn)水溫度進(jìn)行啟?？刂?，可控制水泵進(jìn)水溫度在設(shè)定溫度一定范圍內(nèi)變化（例如將制冷系統(tǒng)啟停溫度設(shè)定為30℃，容許溫差設(shè)置為1℃，則當(dāng)溫度高于30℃時開始制冷，而當(dāng)溫度低于29℃時停止制冷；電加熱器控制溫度設(shè)置為30℃，容許溫差設(shè)置為1℃，則當(dāng)溫度低于29℃時開啟加熱，而當(dāng)溫度達(dá)到30℃時停止加熱）。不斷循環(huán)的水將熱量傳遞到腔體外殼，腔體外殼再通過輻射傳熱將熱量傳遞到腔體內(nèi)空氣及光學(xué)元件，達(dá)到穩(wěn)定后腔體內(nèi)溫度將穩(wěn)定在水溫的一定范圍內(nèi)，受外界環(huán)境的影響大大減弱。

3 實驗分析

采用與實際轉(zhuǎn)臺相同的4mm厚鋁合金材料按照轉(zhuǎn)臺尺寸1:1加工制作光學(xué)探測轉(zhuǎn)臺腔體簡化模型一個，包括腔體、鏡筒、鏡筒安裝板、玻璃窗口。在模型腔體偏前和偏后的上、下、左、右內(nèi)壁中間設(shè)置8個溫度測點，鏡筒上、下、左、右、前、后的中間設(shè)置6個溫度測點，相機所處的位置和玻璃內(nèi)、外表面各設(shè)置1個溫度測點。

使用8mm巖棉板搭建低溫實驗室一間，長3m，寬1.5m，高1.8m，將高原地區(qū)熱泵室外機放置其中，開啟熱泵，利用室外機冷風(fēng)將房間內(nèi)溫度降低，內(nèi)部溫度可降低至-20℃且房間內(nèi)具有一定的風(fēng)速；用TRM-PD4矩陣式穩(wěn)態(tài)太陽模擬器模擬不同的太陽輻射值和太陽高度角、方位角，調(diào)節(jié)太陽模擬器的輻射值可以制造不同的環(huán)境溫度。

3.1 最不利低溫環(huán)境下控制效果

設(shè)定電加熱管的控制溫度為25℃，容許溫差為0.1℃，保持繞管進(jìn)水溫度在25℃上下波動。通過啟停低溫實驗室的高原熱泵，使其內(nèi)部溫度不斷發(fā)生波動，得到實驗結(jié)果如圖4所示

圖4 最不利低溫環(huán)境下溫度控制效果

當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到-20℃時，腔體內(nèi)空氣溫度仍能保持在20℃以上，且各點間溫差在1℃以內(nèi)；當(dāng)環(huán)境溫度變化幅度在20℃時，空氣溫度的變化幅度在2℃左右；而當(dāng)環(huán)境溫度變化幅度在10℃時，空氣溫度的變化幅度在0.5℃左右。由于低溫實驗間只能控制高原熱泵的啟停，而不能控制溫度，所以溫度變化較劇烈，但實際環(huán)境中環(huán)境溫度的變化不會達(dá)到每小時10℃甚至20℃這么劇烈?？梢娫趯嶋H環(huán)境中，系統(tǒng)的控制效果更佳。

3.2 夏季逐時溫度下控制效果

圖5 夏季逐時溫度下控制效果

通過不斷調(diào)節(jié)太陽模擬器的輻射值，模擬一天內(nèi)氣溫的變化情況，并調(diào)整腔體玻璃窗口的朝向模擬日出和日落時太陽直射玻璃窗口的情形，得到的實驗結(jié)果如圖5。在日出和傍晚時分，雖然環(huán)境溫度不高，但由于光線直射玻璃窗口，并從玻璃窗口照進(jìn)腔體內(nèi)，使得玻璃窗口的溫度急劇上升，甚至高于環(huán)境溫度；壁面溫度中受到光線直射的前左、前右尤其是前下壁面溫度也很快上升；空氣溫度中鏡筒前處的空氣溫度也有所上升，同時由于腔體內(nèi)熱量的突然增加，各處空氣的溫差也有所增大。但腔體內(nèi)壁面和空氣溫度的變化均控制在2℃/h內(nèi)，各點間溫差也不超過2℃。

在光線未直射玻璃窗口時，隨著輻射值的變化環(huán)境溫度也發(fā)生相應(yīng)的變化，但由于沒有光線直射，玻璃壁面的溫度有所降低，腔體內(nèi)的溫度變化幅度有所減小，各點間溫差也有所縮小。

3.3 最不利高溫環(huán)境下控制效果

調(diào)節(jié)太陽模擬器的輻射值使環(huán)境溫度逐漸升高到55℃再逐漸降低至30℃，之后調(diào)節(jié)輻射值使環(huán)境溫度不斷發(fā)生突變，測得溫度控制效果如圖6所示。

圖6 最不利高溫環(huán)境下控制效果

從圖中可以看出：當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到55℃左右超過轉(zhuǎn)臺實際工作環(huán)境中的最高溫度時，腔體內(nèi)空氣溫度控制在31℃左右，且各點間溫差在1.5℃以內(nèi)；當(dāng)環(huán)境溫度從30℃逐漸升高到55℃再逐漸降低至30℃時，腔體內(nèi)空氣溫度變化幅度在每小時1.5℃左右；當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生突變時，變化幅度有所增大，但即使在環(huán)境溫度每小時突變25℃的情況下，變化幅度也在每小時2℃左右。

4 結(jié)論

本文針對FOD探測系統(tǒng)光學(xué)探測轉(zhuǎn)臺內(nèi)部空間，采用壁面輻射傳熱結(jié)合強化對流的方案對其內(nèi)部的溫度進(jìn)行控制。通過實驗測試，得到不同環(huán)境條件下的溫度控制效果如下：（1）-20℃的低溫環(huán)境下，可以控制腔體內(nèi)空氣溫度保持在20℃以上，且各點間溫差在1℃以內(nèi)；當(dāng)環(huán)境溫度變化幅度在20℃時，空氣溫度的變化幅度在2℃左右；而當(dāng)環(huán)境溫度變化幅度在10℃時，空氣溫度的變化幅度在0.5℃左右。（2）在日出和傍晚時分光線直射玻璃窗口時，腔體內(nèi)壁面和空氣溫度的變化仍能控制在2℃/h內(nèi)，各點間溫差不超過2℃。（3）無陽光直射時，在55℃的高溫環(huán)境下，腔體內(nèi)空氣溫度控制在31℃左右，且各點間溫差在1.5℃以內(nèi)；當(dāng)環(huán)境溫度從30℃逐漸升高到55℃再逐漸降低至30℃時，腔體內(nèi)溫度變化幅度在1.5℃/h左右；在環(huán)境溫度每小時突變25℃的情況下，腔體內(nèi)溫度變化幅度在2℃/h以內(nèi)。

[1] Beasley P. Tarsier: a unique radar for helping to keep debris off airport runways[J].The Future of Civil Radar, 2006,6(15):11-28.

[2] Mazouni K, Kohmura A, Futatsumori S, et al.77GHz FMCW Radar for FODs detection[C]. Proceeding of the 7th European Radar Conference.Paris, France:EuMA, 2010:451-454.

[3] Feil P, Menzel W, Nguyen T P, et al.Foreign Objects Debris Detection (FOD)on Airport Runways Using a Broadband 78 GHz Sensor[C]. Proceedings of the 38th European Microwave Conference, Amsterdam, Netherlands: EuMA, 2008:1608-1611.

[4] 李文強.機場跑道異物檢測技術(shù)及發(fā)展趨勢[C].第二屆中國航空科學(xué)技術(shù)大會,2015.

[5] 李煜.機場跑道異物檢測系統(tǒng)設(shè)計與研究[J].激光與紅外,2011,41(8):909-915.

[6] 何泳,孫燦飛.一種混合式機場跑道異物監(jiān)測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].測控技術(shù),2016,35(3):32-35.

[7] Garcia R, Jones J, Stultz J. Thermal Design of the Wide Field Planetary Camera[J]. AIAA,89-1752.

[8] Jakel E, Camus J P, Soulat G. Thermal balance qualification testing of the thermal control system of the faint object camera[J]. AIAA,82-0832.

[9] 樊越.航空相機光機熱分析與熱控技術(shù)研究[D].成都:中科院光電技術(shù)研究所,2013.

[10] 朱承希.紅外成像系統(tǒng)的光機熱集成分析及散熱設(shè)計[D].上海:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所,2014.

Experimental Study on Temperature Control of Optical Detection Turntable of Airport Runway Foreign Body Detection System

Liu Shuangfu Yu Nanyang

(School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031)

Aim at internal space temperature control of optical detection turntable of foreign object debris (FOD) detection system, a control scheme of wall radiation heat transfer in combination with reinforced convection was proposed. The system temperature control effect was experimentally and analyzed in different environmental conditions by making a simplified model of the same size and material. The experimental result shows that in -20℃ ambient temperature, temperature changed 20℃ per hour, when the summer temperatures hourly changed, when there is direct sunlight on glass window at sunrise and sunset, under the condition of extreme high temperature and environmental temperature change sharply, the system can satisfy the requirement of the cavity internal temperature control.

FOD detection system; optical detection turntable; temperature control; scheme design; experimental analysis

1671-6612（2019）01-098-5

TK124

A

劉雙富（1994-），男，在讀碩士研究生，E-mail：849847304@qq.com

余南陽（1961-），男，博士，教授，E-mail：rhinos@126.com

2018-04-08