傳感器在戰(zhàn)機中的應用

傳感器在戰(zhàn)機中的應用第1頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器的作用當今世界已進入信息時代，在利用信息的過程中首先要解決的就是要獲取準確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產領域中信息的主要途徑與手段。傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調查、醫(yī)學診斷生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領域?？梢院敛豢鋸埖卣f，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。

第2頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月各種傳感器，由于原理、結構不同，使用環(huán)境、條件、目的不同，其技術指標也不可能相同。但是有些一般要求，卻基本上是共同的，這就是：①可靠性；②靜態(tài)精度；③動態(tài)性能；④量程；⑤抗干擾能力；⑥通用性；⑦輪廓尺寸；⑧成本；⑨能耗；⑩對被測對象的影響等

第3頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月我國的傳感器：關于傳感器，我國曾出現(xiàn)過多種名稱，如發(fā)送器傳送器、變送器等，它們的內涵相同或相似，所以近來已逐漸趨向統(tǒng)一，大都使用傳感器這一名稱了。從字面上可以作如下解釋：傳感器的功用是一感二傳，即感受被測信息，并傳送出去。關于傳感器，我國曾出現(xiàn)過多種名稱，如發(fā)送器、傳送器、變送器等，它們的內涵相同或相似，所以近來已逐漸趨向統(tǒng)一，大都使用傳感器這一名稱了。從字面上可以作如下解釋：傳感器的功用是一感二傳，即感受被測信息，并傳送出去。第4頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月微型傳感器應用現(xiàn)狀就當前技術發(fā)展現(xiàn)狀來看，微型傳感器已經對大量不同應用領域，如航空、遠距離探測、醫(yī)療及工業(yè)自動化等領域的信號探測系統(tǒng)產生了深遠影響；目前開發(fā)并進入實用階段的微型傳感器已可以用來測量各種物理量、化學量和生物量，如位移、速度/加速度、壓力、應力、應變、聲、光、電、磁、熱、PH值、離子濃度及生物分子濃度等第5頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月改善傳感器的性能差動技術

差動技術是傳感器中普遍采用的技術。它的應用可顯著地減小溫度變化、電源波動、外界干擾等對傳感器精度的影響，抵消了共模誤差，減小非線性誤差等。不少傳感器由于采用了差動技術，還可使靈敏度增大。平均技術

在傳感器中普遍采用平均技術可產生平均效應，其原理是利用若干個傳感單元同時感受被測量，其輸出則是這些單元輸出的平均值，若將每個單第6頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

元可能帶來的誤差均可看作隨機誤差且服從正態(tài)分布，根據(jù)誤差理論，總的誤差將減小為式中—傳感單元數(shù)。補償與修正技術

補償與修正技術在傳感器中得到了廣泛的應用。這種技術的運用大致是針對下列兩種情況。一種是針對傳感器本身特性的，另一種是針對傳感器的工作條件或外界環(huán)境的。對于傳感器特性，可以找出誤差的變化規(guī)律，或者測出其大小和方向，采用適當?shù)姆椒右匝a償或修正。

第7頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月屏蔽、隔離與干擾抑制

傳感器大都要在現(xiàn)場工作的，現(xiàn)場的條件往往是難以充分預料的，有時是極其惡劣的。各種外界因素要影響傳感器的精度與各有關性能的。為了減小測量誤差，保證其原有性能，就應設法削弱或消除外界因素對傳感器的影響。其方法歸納起來有二：一是減小傳感器對影響因素的靈敏度；二是降低外界因素對傳感器實際作用的烈度。第8頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月穩(wěn)定性處理

傳感器作為長期測量或反復使用的器件，其穩(wěn)定性顯得特別重要，其重要性甚至勝過精度指標，尤其是對那些很難或無法定期鑒定的場合。造成傳感器性能不穩(wěn)定的原因是：隨著時間的推移和環(huán)境條件的變化，構成傳感器的各種材料與元器件性能將發(fā)生變化。為了提高傳感器性能的穩(wěn)定性，應該對材料、元器件或傳感器整體進行必要的穩(wěn)定性處理。如結構材料的時效處理、冰冷處理、永磁材料的時間老化、溫度老化、機械老化及交流穩(wěn)磁處理，電氣元件的老化篩選等。

第9頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月由于近年來我國在航空電子方面的快速發(fā)展，對傳感器的性能，種類要求也越來越高，其結果是使得航空電子設備的成本、體積、重量、功率急劇增加及可靠性大幅下降，而傳感器系統(tǒng)幾乎占整個航空電子設備成本的50%～60%。成本、重量、體積和功率等方面的限制，制約了傳感器在武器系統(tǒng)平臺上的數(shù)量和部署未來的航電系統(tǒng)具有很強的靈活性和可擴展性將變得越來越重要，這將使得航空電子設備在改動很小的情況下能同時具有多種作戰(zhàn)能力，就目前而言,傳感器是航電系統(tǒng)實現(xiàn)上述功能的瓶頸。第10頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月航空電子傳感器的綜合化程度是隨著航空電子系統(tǒng)的綜合化進程而逐步向前推進的因此有簡要介紹航空電子系統(tǒng)的發(fā)展過程，介紹殲十和F-22的傳感器綜合的情況。在綜合航電技術發(fā)展的漫長過程中,美國一直處于領先地位。半個世紀以來,航空電子系統(tǒng)經歷了下述4種典型結構的演變分為：分立航電系統(tǒng)（40-50年代），聯(lián)合航電系統(tǒng)（60-70年代），綜合航電系統(tǒng)（80-90年代），先進的綜合航電系統(tǒng)（2000年以后）第11頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月分立式航電系統(tǒng)完成各個功能的航空電子系統(tǒng)都從傳感器信號采集、處理直到顯示和控制一套完整和獨立的系統(tǒng)功能設備，飛行員必須分別獲取個子系統(tǒng)的顯示信息，并分別進行子系統(tǒng)的控制和操作。第12頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月缺點：

隨著飛機承擔任務不斷多樣化、復雜化，飛機上裝載的電子系統(tǒng)不斷不增加，并且越來越復雜，面對的顯示和控制裝置越來越多，特別是需要反應迅速的戰(zhàn)斗機，飛行員幾乎無法有效的操縱飛機，此外，機載電子設備的數(shù)量和種類越來越多，設備間的信號傳遞都采用點對點傳輸，互聯(lián)電纜多，重量大，占用空間大，對飛機平臺造成很不利的影響。第13頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月聯(lián)合航電系統(tǒng)與第一代相同的是系統(tǒng)仍采用各自獨立的專用傳感器實現(xiàn)其各自獨立的功能,與第一代不同的是標準多路傳輸數(shù)據(jù)總線，標準機載計算機和計算機高級語言以及外掛物管理接口。第14頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月機載電子子系統(tǒng)之間通過標準的數(shù)據(jù)總線互連，實現(xiàn)了設備間的信息共享，并且大大簡化了設備間的連接，減小了電纜重量和體積。顯示和控制的信息通過數(shù)據(jù)總線與個子系統(tǒng)進行交換，所有的信息都由一個平視顯示器和幾個多功能顯示器綜合顯示，飛機武器系統(tǒng)及機載傳感器主要由綜合的操縱桿和油門桿，以及周邊鍵進行綜合控制從而實現(xiàn)綜合顯示和控制。這樣大大減輕了飛行員的負擔，簡化了系統(tǒng)，通過信息共享，提高了系統(tǒng)性能。第15頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月綜合式航空電子系統(tǒng)這種結構的綜合化程度較第二代的聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)有了更進一步提高,特別是在信號處理和數(shù)據(jù)處理方面,在數(shù)字部分完成了傳感器的綜合,并成功地實現(xiàn)了航電系統(tǒng)的模塊化。第16頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月以F-22為代表，“寶石柱”計劃的意義在于邁出了顯著的航電系統(tǒng)綜合的第一步，由通用的數(shù)據(jù)處理機組成航空電子核心處理系統(tǒng)，完成傳感器的信息處理和系統(tǒng)任務管理功能，將若干個系統(tǒng)的信息處理功能綜合起來，同時也綜合了飛行員接口功能，顯著減少了航空電子系統(tǒng)的處理資源“寶石柱”計劃將航空電子系統(tǒng)劃分為傳感器區(qū)數(shù)字信號處理區(qū)，任務管理區(qū)和飛機管理區(qū)。第17頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器區(qū)涵蓋了雷達、通信、導航、識別和電子作戰(zhàn)等傳感器以及其信號的預處理處理，而飛機管理區(qū)包含飛行控制功能，任務管理區(qū)包含外掛管理，它們都有自己的控制資源，可通過高速數(shù)據(jù)總線網絡共享系統(tǒng)信息，也可不依賴高速數(shù)據(jù)總線上的信息，在系統(tǒng)降級模式下獨立工作。第18頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月先進的綜合式航空電子系統(tǒng)它以“寶石臺”為典型,以聯(lián)合攻擊機為代表,主要特點是在第三代的基礎上采用了整個航空電子系統(tǒng)的統(tǒng)一航空電子網絡,并進一步將傳感器系統(tǒng)的綜合推到了射頻、孔徑以及光電部分。第19頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月統(tǒng)一網絡以光開關陣列模塊為傳輸?shù)臉屑~通過光母板和機架間光纖不但交聯(lián)了同一機架內的各模塊,而且向前連接到傳感器區(qū)向后連接到座艙及飛機管理、外掛管理這樣,使處于不同物理位置的模塊間的信息傳輸時間達到同一量級第20頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月從以上4個階段的發(fā)展可見，航空電子系統(tǒng)越來越復雜，綜合程度越來越高。綜合已從顯示器推進到數(shù)據(jù)處理，又推進到傳感器系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)中，以多種共享的資源模塊實現(xiàn)各種功能，再也分不出傳統(tǒng)的各個分系統(tǒng)的界線。對這類系統(tǒng)的研究、開發(fā)、生產、采購以至于整個壽命期的支援，和以前的分立式系統(tǒng)結構及聯(lián)合式結構相比大不相同。通過各個時期航空電子系統(tǒng)綜合技術階段成果在機上的應用，為載機帶來：①重量及體積減??；②緩解座艙擁擠；③飛行員負荷減輕；④在一定程度上實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；⑤載機作戰(zhàn)效能提高等明顯效果。航電綜合系統(tǒng)結構不斷改進，使航空電子綜合系統(tǒng)的水平迅速提高，從而促成了戰(zhàn)斗機水平的更新?lián)Q代。第21頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月殲十傳感器綜合概況作為我國目前比較先進的三代戰(zhàn)斗機，殲10戰(zhàn)斗機為放寬靜穩(wěn)度設計，采用四余度數(shù)字式線傳飛行控制系統(tǒng)，這是中國戰(zhàn)斗機首次采用中國自主研發(fā)的飛行控制系統(tǒng)。殲10的單座座艙采用了大屏幕抬頭顯示儀、液晶多功能平顯，油門和推桿控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、先進的自動航行系統(tǒng)采用了高度綜合化航空電子系統(tǒng)，通過計算機綜合處理、集中顯示，將各任務系統(tǒng)的操作進行集中控制。殲10采用一種多?！斑厭呙柽吀櫋崩走_。第22頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月我國的殲十戰(zhàn)機第23頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月殲十的座艙第24頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月在數(shù)字化方面，還用在燃油管理以及起落架系統(tǒng)上，因此殲十的燃油使用效率可能會很高，連帶的航程等應該會有所提高；而數(shù)字管理的起降系統(tǒng)或多或少能提升飛機起降時的品質以及對為整備跑道的適應力第25頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月線傳飛控系統(tǒng)方面，就使用新世代戰(zhàn)機才使用的數(shù)字式全權四重線傳飛控系統(tǒng)，這是中國現(xiàn)役各種戰(zhàn)機都還沒有的系統(tǒng)，即使是SU27SK也只是三重的，要道SU-27SMK才會是四重，而及辨識西方戰(zhàn)機。殲十的線傳飛控系統(tǒng)包括：仿真適配器、桿力傳感器、法向加速計、攻角傳感器、狀態(tài)傳感器、動壓傳感器、靜壓傳感器、飛控盒、俯仰速率陀螺、飛控計算機等組成。優(yōu)秀的氣動力設計、高推重比、加上先進飛控系統(tǒng)的整合，使飛機具備〝無雙起飛性能〞。第26頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月殲10最重要的傳感器是14x3型多功能火控雷達，l4X3型雷達是典型采用機械掃描方式的脈沖多普勒雷達，脈沖多普勒雷達是70年代以來的戰(zhàn)機標準配備，特點在于對低空目標的俯視與俯射能力此外隨著雷達信號／數(shù)據(jù)處理器運算能力與儲存容量的大幅提高，當前主流的脈沖多普勒火控雷達在掃描同時追蹤模式下，均可在一定的扇形范圍內同時追蹤8-10個空中目標。而藉由自動切換多種脈沖重復頻率(PRF)的操作模式，還能一定程度解決低PRF下的速度不確定性，以及高PRF下距離不確定性的問題。

第27頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器綜合采用模塊化、標準化的設計方法，把各個子系統(tǒng)的各種功能重新劃分、組合，將傳感器前端組件、信號處理組件和數(shù)據(jù)處理組件等組成具有資源共享、可重構和通用化的新型系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在系統(tǒng)軟件的控制管理下可實時完成各種作戰(zhàn)任務，對系統(tǒng)的戰(zhàn)術技術性能，特別是體積、重量、功耗、可靠性、維修性和擴充性等有較大影響。通過雷達、電子戰(zhàn)、光電設備、通信、導航、識別等不同種類的傳感器綜合，提高系統(tǒng)綜合探測、跟蹤與識別能力，為飛行員提供完整、快速、清晰、準確的戰(zhàn)場態(tài)勢，起到減輕飛行員負擔，增強作戰(zhàn)飛機系統(tǒng)綜合能力的作用。第28頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月F22傳感器綜合概況F22實現(xiàn)了傳感器后端數(shù)字部分的綜合，系統(tǒng)共享的綜合核心處理器ICP)以外場可更換模塊的形式安裝在2個以上的綜合機箱中，綜合機箱包括通用的數(shù)據(jù)處理模塊、信號處理模塊、全局存貯器模塊、總線接口模塊等，用以完成雷達、電子戰(zhàn)、通信、導航和敵我識別的信號處理和數(shù)據(jù)處理。在綜合機箱內采用數(shù)字網絡和全局存貯器完成部分模塊間數(shù)據(jù)傳輸，用PI總線完成模塊間消息傳送,用TM總線進行測試維。第29頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月F22猛禽戰(zhàn)機第30頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月F-22首次在戰(zhàn)斗機上采用有源相控陣體制的火控雷達，配裝的AN／APG-77有源相控陣雷達是目前功能最齊全、性能最先進的機載火控雷達之一此外，F(xiàn)-22飛機還裝備了先進的通信導航識別系統(tǒng)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)，并實現(xiàn)了對多傳感器的綜合管理和信息融合，極大地提高了飛機對戰(zhàn)場態(tài)勢的全面感知能力。

第31頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月該結構的特點在于共享的綜合核心處理器綜合了火控、雷達、EW、CNI、外掛管理、系統(tǒng)任務、系統(tǒng)完好情況以及座艙顯示圖形發(fā)生等的信號處理、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)視、管理以及調度任務,這些任務是動態(tài)地分配給LRM的,在模塊出現(xiàn)故障的情況下,可以調用備用模塊替換故障模塊,也可以重新組合尚存的完好模塊以降級的方式完成主要的任務,從而實現(xiàn)系統(tǒng)的容錯和重構。第32頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月F22的電子計算機的功能更強、體積更小,以及實時、高效、安全和可靠的通信網絡（航空以太網）的出現(xiàn)（可將核心計算機與機上傳感器和顯示器連接起來）。多模航空精密導航系統(tǒng)通過綜合利用多導航傳感器的信息，可以進行相互補充、校準和信息綜合處理，提高導航精度，擴展覆蓋范圍，提高系統(tǒng)可用性、可靠性，為從航路到精密進近的全部飛行階段提供連續(xù)的高精度導航服務，支持基于性能的靈活飛行的戰(zhàn)機。

第33頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月F22雖然在雷達和電子戰(zhàn)的功能上互相滲透,由于它還未實現(xiàn)射頻綜合，因而F22的傳感器也包括綜合射頻傳感器，尤其是為各波段提供幾十個孔徑的傳感器是其花費的最大部分之一，按照現(xiàn)在的美元計算，每架大約是1.25億美元，是當今世界最昂貴的飛機之一。第34頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月國內的現(xiàn)狀目前，幾乎所有的傳感器都在由傳統(tǒng)的結構化生產設計向基于計算機輔助設計（CAD）的模擬式工程化設計轉變，從而使設計者們能夠在較短的時間內設計出低成本、高性能的新型系統(tǒng)，這種設計手段的巨大轉變在很大程度上推動著傳感器系統(tǒng)以更快的速度向著能夠滿足科技發(fā)展需求的微型化的方向發(fā)展由計算機輔助設計（CAD）技術和微機電系統(tǒng)（MEMS）技術引發(fā)的傳感器研發(fā)制造已經進入微型化時代（尤其是在航電領域）。第35頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器的發(fā)展趨勢：傳感器在科學技術領域、工農業(yè)生產以及日常生活中發(fā)揮著越來越重要的作用。人類社會對傳感器提出的越來越高的要求是傳感器技術發(fā)展的強大動力。而現(xiàn)代們學技術突飛猛進則提供了堅強的后盾。主要有兩個大的方面，一是改善傳感器的性能，二是開發(fā)新的傳感器。第36頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

分析當前信息與技術發(fā)展狀態(tài)，21世紀的先進傳感器必須具備小型化、智能化、多功能化和網絡化等優(yōu)良特征。第37頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月微型化：

為了能夠與信息時代信息量激增、要求捕獲和處理信息的能力日益增強的技術發(fā)展趨勢保持一致對于傳感器性能指標（包括精確性、可靠性靈敏性等）的要求越來越嚴格；與此同時，傳感器系統(tǒng)的操作友好性亦被提上了議事日程，因此還要求傳感器必須配有標準的輸出模式；而傳統(tǒng)的大體積弱功能傳感器往往很難滿足上述要求，所以它們已逐步被各種不同類型的高性能微型傳感器所取代；后者主要由硅材料構成，具有體積小、重量輕、反應快、靈敏度高以及成本低等優(yōu)點。第38頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月智能化：智能化傳感器是20世紀80年代末出現(xiàn)的另外一種涉及多種學科的新型傳感器系統(tǒng)。此類傳感器系統(tǒng)一經問世即刻受到科研界的普遍重視，尤其在探測器應用領域，如分布式實時探測、網絡探測和多信號探測方面一直頗受歡迎，產生的影響較大。

第39頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

多功能傳感器：

如前所述，通常情況下一個傳感器只能用來探測一種物理量，但在許多應用領域中，為了能夠完美而準確地反映客觀事物和環(huán)境，往往需要同時測量大量的物理量。由若干種敏感元件組成的多功能傳感器則是一種體積小巧而多種功能兼?zhèn)涞男乱淮綔y系統(tǒng)，它可以借助于敏感元件中不同的物理結構或化學物質及其各不相同的表征方式用單獨一個傳感器系統(tǒng)來同時實現(xiàn)多種傳感器的功能。此傳感器若用在航電領域，將大大節(jié)約傳感器的體積。第40頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月如果使用傳統(tǒng)傳感器的模擬信號為輸出，整個飛行/推進綜合系統(tǒng)的傳感器輸入信號多達30多路中央處理器將花費50﹪至70﹪的資源消耗在對模擬信號的數(shù)據(jù)處理、余度管理和故障診斷上，大大削弱了數(shù)字控制系統(tǒng)的優(yōu)勢。智能傳感器的出現(xiàn)，為解決了這一問題開辟了廣闊地前景。運用在航空控制系統(tǒng)中的智能傳感器，除了發(fā)送接收數(shù)字信號外，還執(zhí)行信號采集和處理、故障自診斷、故障隔離及故障容錯等任務，分擔了FADEC系統(tǒng)的繁重低級任務，騰出大量CPU資源來實現(xiàn)復雜、精確的控制算法和監(jiān)控管理，用以提高飛行/推進綜合系統(tǒng)的動態(tài)特性和整體性能。第41頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器作為獲取信息的重要工具，位于信息系統(tǒng)的最前端。其特性的好壞、輸出信息的可靠性對整個系統(tǒng)質量至關重要。對比傳統(tǒng)的傳感器，智能傳感器用數(shù)字信號取代了原有的電壓或電流標準信號，進而提高了信號傳輸?shù)目煽啃约翱垢蓴_能力。而且，智能傳感器的總線采用同一標準，使系統(tǒng)更具備開放性和通用性。智能傳感器代表了傳感器的發(fā)展方向，這種智能傳感器帶有標準的數(shù)字總線接口，能夠自己管理自己。它將所檢測到的信號經過變換處理后，以數(shù)字量形式通過現(xiàn)場總線與中央處理器進行信息通信與傳遞。第42頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月無線網絡化：

無線網絡對我們來說并不陌生，比如手機，無線上網，電視機。傳感器對我們來說也不陌生，比如溫度傳感器、壓力傳感器，還有比較新穎的氣味傳感器。這個網絡的主要組成部分就是一個個傳感器節(jié)點。它們的體積都非常小巧。這些節(jié)點可以感受溫