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1、传感器在战机中的应用第1页，本讲稿共47页传感器的作用传感器的作用当今世界已进入信息时代，在利用信息的过程中首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。第2页，本讲稿共47页各种传感器，由于原理、结构不同，使用环境、条件、目的不同，其技术指标也不可能相同。但是有些一般要求，却基本上是共同的，这就是：可靠性；静态精度
2、；动态性能；量程；抗干扰能力；通用性；轮廓尺寸；成本；能耗；对被测对象的影响等第3页，本讲稿共47页我国的传感器：关于传感器，我国曾出现过多种名称，如发送器传送器、变送器等，它们的内涵相同或相似，所以近来已逐渐趋向统一，大都使用传感器这一名称了。从字面上可以作如下解释：传感器的功用是一感二传，即感受被测信息，并传送出去。关于传感器，我国曾出现过多种名称，如发送器、传送器、变送器等，它们的内涵相同或相似，所以近来已逐渐趋向统一，大都使用传感器这一名称了。从字面上可以作如下解释：传感器的功用是一感二传，即感受被测信息，并传送出去。第4页，本讲稿共47页微型传感器应用现状 就当前技术发展现状来看，微
3、型传感器已经对大量不同应用领域，如航空、远距离探测、医疗及工业自动化等领域的信号探测系统产生了深远影响；目前开发并进入实用阶段的微型传感器已可以用来测量各种物理量、化学量和生物量，如位移、速度/加速度、压力、应力、应变、声、光、电、磁、热、PH值、离子浓度及生物分子浓度等第5页，本讲稿共47页改善传感器的性能差动技术 差动技术是传感器中普遍采用的技术。它的应用可显著地减小温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，抵消了共模误差，减小非线性误差等。不少传感器由于采用了差动技术，还可使灵敏度增大。平均技术 在传感器中普遍采用平均技术可产生平均效应，其原理是利用若干个传感单元同时感受被测量，
4、其输出则是这些单元输出的平均值，若将每个单第6页，本讲稿共47页 元可能带来的误差均可看作随机误差且服从正态分布，根据误差理论，总的误差将减小为式中 传感单元数。补偿与修正技术 补偿与修正技术在传感器中得到了广泛的应用。这种技术的运用大致是针对下列两种情况。一种是针对传感器本身特性的，另一种是针对传感器的工作条件或外界环境的。对于传感器特性，可以找出误差的变化规律，或者测出其大小和方向，采用适当的方法加以补偿或修正。第7页，本讲稿共47页屏蔽、隔离与干扰抑制 传感器大都要在现场工作的，现场的条件往往是难以充分预料的，有时是极其恶劣的。各种外界因素要影响传感器的精度与各有关性能的。为了减小测量误
5、差，保证其原有性能，就应设法削弱或消除外界因素对传感器的影响。其方法归纳起来有二：一是减小传感器对影响因素的灵敏度；二是降低外界因素对传感器实际作用的烈度。第8页，本讲稿共47页稳定性处理 传感器作为长期测量或反复使用的器件，其稳定性显得特别重要，其重要性甚至胜过精度指标，尤其是对那些很难或无法定期鉴定的场合。造成传感器性能不稳定的原因是：随着时间的推移和环境条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。为了提高传感器性能的稳定性，应该对材料、元器件或传感器整体进行必要的稳定性处理。如结构材料的时效处理、冰冷处理、永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化及交流稳磁处理，电气元件的老化筛
6、选等。第9页，本讲稿共47页由于近年来我国在航空电子方面的快速发展，对传感器的性能，种类要求也越来越高，其结果是使得航空电子设备的成本、体积、重量、功率急剧增加及可靠性大幅下降，而传感器系统几乎占整个航空电子设备成本的50%60%。成本、重量、体积和功率等方面的限制，制约了传感器在武器系统平台上的数量和部署未来的航电系统具有很强的灵活性和可扩展性将变得越来越重要，这将使得航空电子设备在改动很小的情况下能同时具有多种作战能力，就目前而言,传感器是航电系统实现上述功能的瓶颈。第10页，本讲稿共47页航空电子传感器的综合化程度是随着航空电子系统的综合化进程而逐步向前推进的因此有简要介绍航空电子系统的
7、发展过程，介绍歼十和F-22的传感器综合的情况。在综合航电技术发展的漫长过程中,美国一直处于领先地位。半个世纪以来,航空电子系统经历了下述4 种典型结构的演变分为：分立航电系统（40-50年代），联合航电系统（60-70年代），综合航电系统（80-90年代），先进的综合航电系统（2000年以后）第11页，本讲稿共47页分立式航电系统完成各个功能的航空电子系统都从传感器信号采集、处理直到显示和控制一套完整和独立的系统功能设备，飞行员必须分别获取个子系统的显示信息，并分别进行子系统的控制和操作。第12页，本讲稿共47页缺点：随着飞机承担任务不断多样化、复杂化，飞机上装载的电子系统不断不增加，并且越
8、来越复杂，面对的显示和控制装置越来越多，特别是需要反应迅速的战斗机，飞行员几乎无法有效的操纵飞机，此外，机载电子设备的数量和种类越来越多，设备间的信号传递都采用点对点传输，互联电缆多，重量大，占用空间大，对飞机平台造成很不利的影响。第13页，本讲稿共47页联合航电系统与第一代相同的是系统仍采用各自独立的专用传感器实现其各自独立的功能,与第一代不同的是标准多路传输数据总线，标准机载计算机和计算机高级语言以及外挂物管理接口。第14页，本讲稿共47页机载电子子系统之间通过标准的数据总线互连，实现了设备间的信息共享，并且大大简化了设备间的连接，减小了电缆重量和体积。显示和控制的信息通过数据总线与个子系
9、统进行交换，所有的信息都由一个平视显示器和几个多功能显示器综合显示，飞机武器系统及机载传感器主要由综合的操纵杆和油门杆，以及周边键进行综合控制从而实现综合显示和控制。这样大大减轻了飞行员的负担，简化了系统，通过信息共享，提高了系统性能。第15页，本讲稿共47页综合式航空电子系统这种结构的综合化程度较第二代的联合式航空电子系统有了更进一步提高,特别是在信号处理和数据处理方面,在数字部分完成了传感器的综合,并成功地实现了航电系统的模块化。第16页，本讲稿共47页以F-22为代表，“宝石柱”计划的意义在于迈出了显著的航电系统综合的第一步，由通用的数据处理机组成航空电子核心处理系统，完成传感器的信息处
10、理和系统任务管理功能，将若干个系统的信息处理功能综合起来，同时也综合了飞行员接口功能，显著减少了航空电子系统的处理资源“宝石柱”计划将航空电子系统划分为传感器区数字信号处理区，任务管理区和飞机管理区。第17页，本讲稿共47页传感器区涵盖了雷达、通信、导航、识别和电子作战等传感器以及其信号的预处理处理，而飞机管理区包含飞行控制功能，任务管理区包含外挂管理，它们都有自己的控制资源，可通过高速数据总线网络共享系统信息，也可不依赖高速数据总线上的信息，在系统降级模式下独立工作。第18页，本讲稿共47页先进的综合式航空电子系统它以“宝石台”为典型,以联合攻击机为代表,主要特点是在第三代的基础上采用了整个
11、航空电子系统的统一航空电子网络,并进一步将传感器系统的综合推到了射频、孔径以及光电部分。第19页，本讲稿共47页统一网络以光开关阵列模块为传输的枢纽通过光母板和机架间光纤不但交联了同一机架内的各模块,而且向前连接到传感器区向后连接到座舱及飞机管理、外挂管理这样,使处于不同物理位置的模块间的信息传输时间达到同一量级第20页，本讲稿共47页从以上4个阶段的发展可见，航空电子系统越来越复杂，综合程度越来越高。综合已从显示器推进到数据处理，又推进到传感器系统。在这样的系统中，以多种共享的资源模块实现各种功能，再也分不出传统的各个分系统的界线。对这类系统的研究、开发、生产、采购以至于整个寿命期的支援，和
12、以前的分立式系统结构及联合式结构相比大不相同。通过各个时期航空电子系统综合技术阶段成果在机上的应用，为载机带来：重量及体积减小；缓解座舱拥挤；飞行员负荷减轻；在一定程度上实现数据共享；载机作战效能提高等明显效果。航电综合系统结构不断改进，使航空电子综合系统的水平迅速提高，从而促成了战斗机水平的更新换代。第21页，本讲稿共47页歼十传感器综合概况作为我国目前比较先进的三代战斗机，歼10战斗机为放宽静稳度设计，采用四余度数字式线传飞行控制系统，这是中国战斗机首次采用中国自主研发的飞行控制系统。歼10的单座座舱采用了大屏幕抬头显示仪、液晶多功能平显，油门和推杆控制系统、数据存储系统、先进的自动航行系
13、统采用了高度综合化航空电子系统，通过计算机综合处理、集中显示，将各任务系统的操作进行集中控制。歼10采用一种多模“边扫描边跟踪”雷达。第22页，本讲稿共47页我国的歼十战机第23页，本讲稿共47页歼十的座舱第24页，本讲稿共47页在数字化方面，还用在燃油管理以及起落架系统上，因此歼十的燃油使用效率可能会很高，连带的航程等应该会有所提高；而数字管理的起降系统或多或少能提升飞机起降时的品质以及对为整备跑道的适应力 第25页，本讲稿共47页线传飞控系统方面，就使用新世代战机才使用的数字式全权四重线传飞控系统，这是中国现役各种战机都还没有的系统，即使是SU27SK也只是三重的，要道SU-27SMK才会
14、是四重，而及辨识西方战机。歼十的线传飞控系统包括：仿真适配器、杆力传感器、法向加速计、攻角传感器、状态传感器、动压传感器、静压传感器、飞控盒、俯仰速率陀螺、飞控计算机等组成。优秀的气动力设计、高推重比、加上先进飞控系统的整合，使飞机具备无双起飞性能。第26页，本讲稿共47页歼10最重要的传感器是14x3型多功能火控雷达，l 4X 3型雷达是典型采用机械扫描方式的脉冲多普勒雷达，脉冲多普勒雷达是70年代以来的战机标准配备，特点在于对低空目标的俯视与俯射能力此外随着雷达信号数据处理器运算能力与储存容量的大幅提高，当前主流的脉冲多普勒火控雷达在扫描同时追踪模式下，均可在一定的扇形范围内同时追踪8-1
15、0个空中目标。而藉由自动切换多种脉冲重复频率(PRF)的操作模式，还能一定程度解决低P R F下的速度不确定性，以及高P R F下距离不确定性的问题。第27页，本讲稿共47页传感器综合采用模块化、标准化的设计方法，把各个子系统的各种功能重新划分、组合，将传感器前端组件、信号处理组件和数据处理组件等组成具有资源共享、可重构和通用化的新型系统。这些系统在系统软件的控制管理下可实时完成各种作战任务，对系统的战术技术性能，特别是体积、重量、功耗、可靠性、维修性和扩充性等有较大影响。通过雷达、电子战、光电设备、通信、导航、识别等不同种类的传感器综合，提高系统综合探测、跟踪与识别能力，为飞行员提供完整、快
16、速、清晰、准确的战场态势，起到减轻飞行员负担，增强作战飞机系统综合能力的作用。第28页，本讲稿共47页F22传感器综合概况F22实现了传感器后端数字部分的综合，系统共享的综合核心处理器ICP)以外场可更换模块的形式安装在2个以上的综合机箱中，综合机箱包括通用的数据处理模块、信号处理模块、全局存贮器模块、总线接口模块等，用以完成雷达、电子战、通信、导航和敌我识别的信号处理和数据处理。在综合机箱内采用数字网络和全局存贮器完成部分模块间数据传输，用PI 总线完成模块间消息传送,用TM总线进行测试维。第29页，本讲稿共47页F22猛禽战机第30页，本讲稿共47页F-22首次在战斗机上采用有源相控阵体制
17、的火控雷达，配装的ANAPG-77有源相控阵雷达是目前功能最齐全、性能最先进的机载火控雷达之一此外，F-22飞机还装备了先进的通信导航识别系统和电子战系统，并实现了对多传感器的综合管理和信息融合，极大地提高了飞机对战场态势的全面感知能力。第31页，本讲稿共47页该结构的特点在于共享的综合核心处理器综合了火控、雷达、EW、CNI、外挂管理、系统任务、系统完好情况以及座舱显示图形发生等的信号处理、数据处理、监视、管理以及调度任务,这些任务是动态地分配给LRM的,在模块出现故障的情况下,可以调用备用模块替换故障模块,也可以重新组合尚存的完好模块以降级的方式完成主要的任务,从而实现系统的容错和重构。第
18、32页，本讲稿共47页F22的电子计算机的功能更强、体积更小,以及实时、高效、安全和可靠的通信网络（航空以太网）的出现（可将核心计算机与机上传感器和显示器连接起来）。多模航空精密导航系统通过综合利用多导航传感器的信息，可以进行相互补充、校准和信息综合处理，提高导航精度，扩展覆盖范围，提高系统可用性、可靠性，为从航路到精密进近的全部飞行阶段提供连续的高精度导航服务，支持基于性能的灵活飞行的战机。第33页，本讲稿共47页F22虽然在雷达和电子战的功能上互相渗透,由于它还未实现射频综合，因而F22的传感器也包括综合射频传感器，尤其是为各波段提供几十个孔径的传感器是其花费的最大部分之一，按照现在的美元
19、计算，每架大约是1.25亿美元，是当今世界最昂贵的飞机之一。第34页，本讲稿共47页国内的现状目前，几乎所有的传感器都在由传统的结构化生产设计向基于计算机辅助设计（CAD）的模拟式工程化设计转变，从而使设计者们能够在较短的时间内设计出低成本、高性能的新型系统，这种设计手段的巨大转变在很大程度上推动着传感器系统以更快的速度向着能够满足科技发展需求的微型化的方向发展由计算机辅助设计（CAD）技术和微机电系统（MEMS）技术引发的传感器研发制造已经进入微型化时代（尤其是在航电领域）。第35页，本讲稿共47页传感器的发展趋势：传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。人类社
20、会对传感器提出的越来越高的要求是传感器技术发展的强大动力。而现代们学技术突飞猛进则提供了坚强的后盾。主要有两个大的方面，一是改善传感器的性能，二是开发新的传感器。第36页，本讲稿共47页分析当前信息与技术发展状态，21世纪的先进传感器必须具备小型化、智能化、多功能化和网络化等优良特征。第37页，本讲稿共47页微型化：为了能够与信息时代信息量激增、要求捕获和处理信息的能力日益增强的技术发展趋势保持一致对于传感器性能指标（包括精确性、可靠性灵敏性等）的要求越来越严格；与此同时，传感器系统的操作友好性亦被提上了议事日程，因此还要求传感器必须配有标准的输出模式；而传统的大体积弱功能传感器往往很难满足上
21、述要求，所以它们已逐步被各种不同类型的高性能微型传感器所取代；后者主要由硅材料构成，具有体积小、重量轻、反应快、灵敏度高以及成本低等优点。第38页，本讲稿共47页智能化：智能化传感器是20世纪80年代末出现的另外一种涉及多种学科的新型传感器系统。此类传感器系统一经问世即刻受到科研界的普遍重视，尤其在探测器应用领域，如分布式实时探测、网络探测和多信号探测方面一直颇受欢迎，产生的影响较大。第39页，本讲稿共47页多功能传感器：如前所述，通常情况下一个传感器只能用来探测一种物理量，但在许多应用领域中，为了能够完美而准确地反映客观事物和环境，往往需要同时测量大量的物理量。由若干种敏感元件组成的多功能传
22、感器则是一种体积小巧而多种功能兼备的新一代探测系统，它可以借助于敏感元件中不同的物理结构或化学物质及其各不相同的表征方式用单独一个传感器系统来同时实现多种传感器的功能。此传感器若用在航电领域，将大大节约传感器的体积。第40页，本讲稿共47页如果使用传统传感器的模拟信号为输出，整个飞行/推进综合系统的传感器输入信号多达30 多路中央处理器将花费50至70的资源消耗在对模拟信号的数据处理、余度管理和故障诊断上，大大削弱了数字控制系统的优势。智能传感器的出现，为解决了这一问题开辟了广阔地前景。运用在航空控制系统中的智能传感器，除了发送接收数字信号外，还执行信号采集和处理、故障自诊断、故障隔离及故障容
23、错等任务，分担了FADEC 系统的繁重低级任务，腾出大量CPU 资源来实现复杂、精确的控制算法和监控管理，用以提高飞行/推进综合系统的动态特性和整体性能。第41页，本讲稿共47页传感器作为获取信息的重要工具，位于信息系统的最前端。其特性的好坏、输出信息的可靠性对整个系统质量至关重要。对比传统的传感器，智能传感器用数字信号取代了原有的电压或电流标准信号，进而提高了信号传输的可靠性及抗干扰能力。而且，智能传感器的总线采用同一标准，使系统更具备开放性和通用性。智能传感器代表了传感器的发展方向，这种智能传感器带有标准的数字总线接口，能够自己管理自己。它将所检测到的信号经过变换处理后，以数字量形式通过现
24、场总线与中央处理器进行信息通信与传递。第42页，本讲稿共47页无线网络化：无线网络对我们来说并不陌生，比如手机，无线上网，电视机。传感器对我们来说也不陌生，比如温度传感器、压力传感器，还有比较新颖的气味传感器。这个网络的主要组成部分就是一个个传感器节点。它们的体积都非常小巧。这些节点可以感受温度的高低、湿度的变化、压力的增减、噪声的升降。更让人感兴趣的是，每一个节点都是一个可以进行快速运算的微型计算机，它们将传感器收集到的信息转化成为数字信号，进行编码，然后通过节点与节点之间自行建立的无线网络发送给具有更大处理能力的服务器。将它用于航电领域，特别是战机上，无疑是提高飞机的作战性能。第43页，本
25、讲稿共47页简单介绍无线网络传感器的应用现代传感器网络应用中，通过飞机撒播、特种炮弹发射等手段，可以将大量便宜的传感器密集地撒布于人员不便于到达的观察区域如敌方阵地内收集到有用的微观数据；在一部分传感器因为遭破坏等原因失效时，传感器网络作为整传感器网络体仍能完成观察任务，监测人员、装备等情况以及单兵系统、监测敌军进攻、评估战果，核能生物、化学攻击的侦察。第44页，本讲稿共47页应用在航空电子领域方面的传感器还有很多，例如CNI射频传感器、温度传感器、压力传感器、光纤光栅传感器，红外传感器，转速传感器等等等等这里就不一一举例了，总而言之，传感器是朝着高度综合化方面发展。第45页，本讲稿共47页从
26、国内外的航空电子的发展中可以看出，世界航空电子已经进入了一个高度综合化时代，从美国研制的F-22和中国研制的歼十再到美国的F-35，观念及采用的技术发生了很大的变化，其最大变化是实现传感器的射频综合和孔径综合，在传感器射频部分实现模块化、标准化设计，传感器发展越来越先进。第46页，本讲稿共47页在传感器的综合化方面，虽然我们与先进国家相比还存在较大差距，但只要我们研究、借鉴国外的先进技术和经验，结合自己的实际，在注意技术创新的同时，注意管理的创新，紧密跟踪微电子技术、信息处理技术、数字技术和计算机技术日新月异的发展，分析传感器综合可能面对的技术问题，寻求解决的方法和实施的途径，相信不久的将来，传感器综合技术在我国的战斗机以及航电领域上将会得到更广泛的应用。第47页，本讲稿共47页