传感器在战机中的应用

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1、传感器在战机中的应用08041419袁伟波 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。 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；动态

2、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 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。 微型传感器应用现状就当前技术发展现状来看，微型传感器已经对大 量不同

3、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， 其输出则是这些单元

4、输出的平均值，若将每个单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。 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 减小测量误差，保证其原有性能，就应设法削弱 或消除

5、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。 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，电气元件的老化筛选等。 由于近年来我国在航空电子方面

6、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。 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 绍航空电子系统的发展过程，介绍歼十和F-22的 传感器综合的情况。

7、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）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。 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

8、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。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。 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

9、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。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。 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

10、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。 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。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 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。 统一

11、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 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：

12、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。 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

13、种多模“边扫描边跟踪”雷 达。我国的歼十战机歼十的座舱 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 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

14、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。 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8-10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。 传感器综合采用模块化、标

15、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。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

16、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。F22猛禽战机 F-22首次在战斗机上采用有源相控阵体制的火控 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。 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,