機(jī)場(chǎng)跑道異物探測(cè)系統(tǒng)光學(xué)探測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)溫度控制實(shí)驗(yàn)研究

劉雙富 余南陽(yáng)

機(jī)場(chǎng)跑道異物探測(cè)系統(tǒng)光學(xué)探測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)溫度控制實(shí)驗(yàn)研究

劉雙富 余南陽(yáng)

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

針對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道異物（FOD）探測(cè)系統(tǒng)光學(xué)探測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)部空間的溫度控制，提出了壁面輻射傳熱結(jié)合強(qiáng)化對(duì)流的控制方案。通過(guò)制作一比一同材質(zhì)簡(jiǎn)化模型，針對(duì)不同的環(huán)境條件對(duì)系統(tǒng)溫度控制效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與分析。實(shí)驗(yàn)證明：在-20℃的環(huán)境溫度下，溫度變化達(dá)到每小時(shí)20℃時(shí)；在夏季氣溫逐時(shí)變化、日出日落時(shí)玻璃窗口存在陽(yáng)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(cè)系統(tǒng)；光學(xué)探測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)；溫度控制；方案設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)分析

0 引言

隨著我國(guó)民航事業(yè)的高速發(fā)展，機(jī)場(chǎng)跑道的使用率越來(lái)越高，其安全問(wèn)題變得越來(lái)越重要，機(jī)場(chǎng)跑道異物（FOD）探測(cè)系統(tǒng)則是針對(duì)該問(wèn)題的有效解決辦法。國(guó)外目前最具代表性的探測(cè)系統(tǒng)有四個(gè)[1-4]：英國(guó)的Tarsier Rader系統(tǒng)、以色列的FODetect系統(tǒng)、美國(guó)的FOD Finder系統(tǒng)和新加坡的iFerret系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)關(guān)于FOD探測(cè)系統(tǒng)的研究目前還處于起步階段。2011年，李煜等[5]通過(guò)調(diào)研和實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了基于毫米波雷達(dá)、可見(jiàn)光、紅外圖像的檢測(cè)系統(tǒng)。2016年，何泳等[6]提供了一種基于雷達(dá)探測(cè)與視頻輔助識(shí)別的混合式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。以上FOD探測(cè)系統(tǒng)中均包含了光學(xué)探測(cè)部分，而光學(xué)元件的溫度分布不均勻、溫度變化較大都會(huì)影響其光學(xué)成像效果。針對(duì)這一問(wèn)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(yáng)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(duì)其光學(xué)探測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)的內(nèi)部空間進(jìn)行溫度控制。

1 光學(xué)探測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)概述

本文所研究的對(duì)象為FOD探測(cè)系統(tǒng)的光學(xué)探測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)，如圖1。需要控制溫度的區(qū)域?yàn)檗D(zhuǎn)臺(tái)中間的長(zhǎng)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(jī)場(chǎng)跑道實(shí)時(shí)圖像。轉(zhuǎn)臺(tái)整機(jī)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(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)物圖

圖2 轉(zhuǎn)臺(tái)腔體透視圖

轉(zhuǎn)臺(tái)露天安裝于室外環(huán)境下，因受到日照強(qiáng)度、近地面二次輻射、環(huán)境溫度、空氣濕度以及風(fēng)力強(qiáng)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(chǎng)。溫度及各點(diǎn)間溫差的變化，將會(huì)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(cè)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(cè)系統(tǒng)具有較好的成像質(zhì)量，轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)的溫度場(chǎng)需滿足以下控制要求：（1）腔體內(nèi)部日內(nèi)溫差不超過(guò)10℃；（2）溫度變化率不超過(guò)2℃/小時(shí)；（3）控制區(qū)域內(nèi)，各點(diǎn)間的溫差不超過(guò)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(gè)微型風(fēng)扇，加強(qiáng)腔體外殼與腔體內(nèi)空氣之間的對(duì)流換熱以及腔體內(nèi)部空氣的循環(huán)流動(dòng)，使腔體內(nèi)部的熱量分布更加均勻，溫度場(chǎng)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(jī)、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(shí)開始制冷，而當(dāng)溫度低于29℃時(shí)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(shí)開啟加熱，而當(dāng)溫度達(dá)到30℃時(shí)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(guò)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(shí)驗(yàn)分析

采用與實(shí)際轉(zhuǎn)臺(tái)相同的4mm厚鋁合金材料按照轉(zhuǎn)臺(tái)尺寸1:1加工制作光學(xué)探測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)腔體簡(jiǎn)化模型一個(gè)，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(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，鏡筒上、下、左、右、前、后的中間設(shè)置6個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，相機(jī)所處的位置和玻璃內(nèi)、外表面各設(shè)置1個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。

使用8mm巖棉板搭建低溫實(shí)驗(yàn)室一間，長(zhǎng)3m，寬1.5m，高1.8m，將高原地區(qū)熱泵室外機(jī)放置其中，開啟熱泵，利用室外機(jī)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(yáng)模擬器模擬不同的太陽(yáng)輻射值和太陽(yáng)高度角、方位角，調(diào)節(jié)太陽(yáng)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(dòng)。通過(guò)啟停低溫實(shí)驗(yàn)室的高原熱泵，使其內(nèi)部溫度不斷發(fā)生波動(dòng)，得到實(shí)驗(yàn)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(shí)，腔體內(nèi)空氣溫度仍能保持在20℃以上，且各點(diǎn)間溫差在1℃以內(nèi)；當(dāng)環(huán)境溫度變化幅度在20℃時(shí)，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(shí)，空氣溫度的變化幅度在0.5℃左右。由于低溫實(shí)驗(yàn)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(shí)際環(huán)境中環(huán)境溫度的變化不會(huì)達(dá)到每小時(shí)10℃甚至20℃這么劇烈。可見(jiàn)在實(shí)際環(huán)境中，系統(tǒng)的控制效果更佳。

3.2 夏季逐時(shí)溫度下控制效果

圖5 夏季逐時(shí)溫度下控制效果

通過(guò)不斷調(diào)節(jié)太陽(yáng)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(shí)太陽(yáng)直射玻璃窗口的情形，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5。在日出和傍晚時(shí)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(shí)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(diǎn)間溫差也不超過(guò)2℃。

在光線未直射玻璃窗口時(shí)，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(méi)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(diǎn)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(yáng)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(cè)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(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)際工作環(huán)境中的最高溫度時(shí)，腔體內(nèi)空氣溫度控制在31℃左右，且各點(diǎn)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(shí)，腔體內(nèi)空氣溫度變化幅度在每小時(shí)1.5℃左右；當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生突變時(shí)，變化幅度有所增大，但即使在環(huán)境溫度每小時(shí)突變25℃的情況下，變化幅度也在每小時(shí)2℃左右。

4 結(jié)論

本文針對(duì)FOD探測(cè)系統(tǒng)光學(xué)探測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)部空間，采用壁面輻射傳熱結(jié)合強(qiáng)化對(duì)流的方案對(duì)其內(nèi)部的溫度進(jìn)行控制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(diǎn)間溫差在1℃以內(nèi)；當(dāng)環(huán)境溫度變化幅度在20℃時(shí)，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(shí)，空氣溫度的變化幅度在0.5℃左右。（2）在日出和傍晚時(shí)分光線直射玻璃窗口時(shí)，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(diǎn)間溫差不超過(guò)2℃。（3）無(wú)陽(yáng)光直射時(shí)，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(diǎn)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(shí)，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(shí)突變25℃的情況下，腔體內(nèi)溫度變化幅度在2℃/h以內(nèi)。

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

2018-04-08