航空电子系统发展历程

2016/8/511航空电子系统及其综合化发展马存宝教授/副院长西北工业大学航空学院2012年11月30日2主要内容1、航空电子系统发展历程及特点2、国内外航空电子系统的发展现状和特点3、航空电子系统所涉及的新技术4、航空电子系统未来发展趋势31.航空电子系统的发展历程及特点1.1航空电子涉及的技术领域机载雷达；机载雷达；航空通信系统航空通信系统(短波、超短波电台，卫星通信设备，短波、超短波语言保密机，机载数传等)；导航系统导航系统(塔康，多普勒自主式导航，无线电定向，着陆系统和卫星导航等)；自动飞行系统自动飞行系统自动油门系统自动油门系统敌我识别系统；敌我识别系统；电子自卫系统电子自卫系统(雷达告警、红外告警、导弹逼近告警、激光告警、无源干扰投放器、箔条弹、红外弹、烟幕弹、有源雷达干扰机、有源红外干扰机等)。41.2航电技术与系统结构的发展综合航空电子技术发展至今，基本上经历了分立、联合、综合到高度综合这4个阶段：航空电子系统结构亦是如此，同样经历了分立式、联合式、综合式和高度综合式4个阶段。第一代航空电子系统为分立式结构，20世纪初到20世纪50年代是离散式结构阶段，雷达、通信、导航等设备各自均有专用且相互独立的天线、射频前端、处理器和显示器等，采用点对点连接。2016/8/525特点：不存在中心计算机对整个系统的控制每个子系统有各自的传感器、控制器、显示器以及自己的专用计算机这种结构专用性强缺少灵活性难以实现大量的信息交换任何改进都需要通过更改硬件来实现6特点：子系统的相对独立性全机统一调度和管理模块化软件设计降低研制经费便于维护、更改和功能扩充第二代称为联合式航空电子系统，各设备前端和处理部分均独立，信息链的后端控制与显示部分综合在一起，达到资源共享。60至70年代的航空电子系统逐步推广这种结构，现已广泛应用于现役航空器中。78第三代称为综合式航空电子系统，80年代美国的“宝石柱”航空电子系统是其典型代表，它具有更大范围的综合信号处理和控制/显示功能。这一代系统的主要特征是可以用少量模块单元完成几乎全部的信号与数据处理，目标、地形及威胁数据可以融合。80至90年代研制这种系统，现已在美国F-22等最新一代航空器中应用。特点：系统结构层次化功能模块标准化数据总线高速化维护方便、容错性强、易扩展和成本低。2016/8/53910第四代称为先进的综合航空电子系统，90年代开始研制的美国“宝石台”航空电子系统是其典型代表，它进一步将模块化向前推进到射频和光电敏感器部分，预计将于2005年设计整个系统。该系统将改进互连网络的设计，并支持自动目标识别和发射控制等功能。系统的先进之处在于：一方面在中频转换后即将信号数字化；另一方面用光信号在射频设备中传输。这些努力将最大限度地减少综合射频模块的数量，进一步减轻重量和大幅度降低噪声。特点：采用了综合核心处理机(ICP)技术具有更大的综合范围和更高的综合程度，实现了综合传感器系统、综合飞行器管理系统、综合外挂系统11使用了综合的座舱/驾驶员与飞机接口，减轻驾驶员的负担同时提供威胁、目标、地形/地貌、战术协同、飞机完好状况的全面情况F-35驾驶舱12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。在航空电子系统对飞机整体性能影响日益增大的同时，航空电子系统的硬件成本占飞机出厂总成本的比例也在直线上升：从20世纪60年代F-4的10%，70年代F-15C的21%，80年代中期F-16C的30%，到90年代EF2000和F-22战斗机的40%～50%。因此，未来的航空电子系统除继续保持航空电子的进一步综合化、信息化和智能化的发展势头外，还必须探索有效的解决办法减少航空电子的寿命周期费用。2016/8/5413新一代综合航电系统发展方向，随着科技的进步，未来综合航空电子系统必将更加向综合化、模块化、通用化和智能化的方向发展。①①综合化设计综合化设计综合化设计能压缩航空电子系统的体积和重量，减轻飞行员的工作负担，提高系统的可靠性，降低全寿命周期费用等。要实现系统的高度综合就必须采用自上而下的顶层设计方法，将整个航空电子系统当作飞机的单一子系统，进行整体的优化设计和总体设计。14②②模块化设计模块化设计模块化是实现系统结构简化和综合化的基础，也是实现系统重构的基础。新一代综合航电系统要实现高度的模块化，就应采用模块化的系统结构。应全面采用通用的、标准的外场可更换模块(LRM)，并尽可能减少专用LRM的数量。例如，F－22的计算机信息处理系统。15③③通用化设计通用化设计通用化的含义就是在系统中最大限度地使用相同类型的模块，以达到提高系统的重构能力，提高后勤保障能力和降低保障费用的目的。美国国防部专门成立了一个“联合综合航空电子组”，进行有关通用化的研究，制定了“先进航空电子结构”计划，旨在对三军新型军用飞机发展过程中寻求航空电子结构的共同性，提高通用化设计的水平。16④④智能化设计智能化设计随着先进计算机技术的应用，智能化程度也将更高，新一代军用飞机应该是一个具备高性能计算能力和高吞吐量的智能计算机网络，能够为飞行员提供实时决策咨询，对各种目标进行自动分类识别，为各种进攻武器实时提供所需的目标参数、发射计算和引导控制等。F-35的头盔显示器代替普通战斗机上的“平显”功能时，其视场范围是40度×30度2016/8/55172.国内外航电系统的发展现状和特点2.1机载雷达机载雷达的发展已从单脉冲雷达体制向动目标显示、脉冲多普勒、合成孔径、相控阵等先进的雷达体制发展；在功能上正向多功能发展；在波段上正向8mm和3mm波段方向发展。现在正在发展和装备激光雷达，激光雷达的优势（比之微波雷达）在于极高的空间分辨率、极大的Doppler频移以及相对较为轻便的天线系统。其优势所在，决定了它在军事应用中的地位。在战略方面，主要用于精确定位和目标特征识别。182.1.1激光雷达技术进展和动态最早的战略激光雷达是美国麻省理工学院林肯实验室于1975年建成的火池雷达(Firepond)，它位于美国东北部马萨诸塞州(Massachusetts)的MillstoneHill外场基地，用于监测GEOS-III卫星，(作用距离1100km)也用于观察美国NASA从弗吉尼亚州的Wallops基地发射火箭的运行轨迹。（（11）美国最近在远程激光雷达研制动态）美国最近在远程激光雷达研制动态美国ADA370589（1999.11）标题：“ISTEFRadarProgram”ISTEF：InnovativeScienceandTechnologyExperimentionFacility19主要研究内容：（1）雷达激光器波长:1.064mm，0.532mm；（2）主动成像。预期作用距离：在100km以上（车载）；军方：海军空间和战略系统中心；基地所在地：肯尼迪航天中心。直接检测：应用目标识别（包括推进器形式），跟踪，摧毁评价，瞄准点选择，CSO（CompositeSecondOrder二阶组合差拍）辨别；创新有光纤耦合探测，双波长，双模式（雷达/成像）,校正的LRCS（激光雷达散射截面），和可移动系统等。相干检测：应用目标识别，摧毁评价，瞄准点选择,CSO辨别，Doppler辨别，微Doppler辨别，巡航弹检测；创新光纤外差检测，锁模发射，多波前输出20感兴趣的观察对象：•液氧-烃化物（LOX-Hydrocarbon）尾焰的激光雷达截面；（测定尾焰中的碳黑成分以识别目标）•尾焰及弹体的辐射及空间结构；•弓形激波的光学特性。2016/8/5621（（22）从地面观察同步地球卫星）从地面观察同步地球卫星——GLINTGLINT它应用Fourier望远术的概念，发射三束频率调制的激光束到需要观察的卫星，回波的接收则是一个分布在100米范围内的望远镜阵列，图象的重构是通过计算机对所有接收信号的处理和计算来实现的。222.1.2激光三维成像雷达新概念FLASH激光雷达传统的成像激光雷达：扫描成像致命的缺点：数据更换太慢扫描装置体积大难以做到大视场扫描如果使用焦平面阵列探测器，时间处理电路的数量成为制约成象象素数量的瓶颈。闪光雷达的概念:利用一个脉冲，获取全幅图象的三维信息。关键部件:带时间处理器(CMOS)的焦平面阵列(FPA:FocalPlaneArray)；读出集成电路(ROIC:ReadOutIntegratedCircuit)23已报道的进行已报道的进行FLASHFLASH激光雷达研究的机构激光雷达研究的机构公司名称报道时间单元数波长（材料）激光能量及帧率Lincoln实验室1998年44532nm（硅）Lincoln实验室2001年3232InGaAs250mJ，1kHzLockheed2001年88→1281281.5mm（HgCdTe）300mJ,Raytheon2003年10106448二级TEC1.4-1.8mm（HgCdTe）24公司名称报道时间单元数波长（材料）激光能量及帧率Lincoln实验室2003年3232532nm5-10kHz，33mJ，700psRockwell2003年64641.7mm(InGaAs）4.2mm(HgCdTe）250Hz,能量未提及Northrop＆Irvine2003年1288（InGaAs）Nd:YAGMOPA200HzLitecycles（计划）2003年1281281.56mm10mJ，50Hz2016/8/57252.1.3测风激光雷达NASADryden飞行研究中心和Coherent技术公司合作,在1999年发表了他们的机载Doppler激光雷达的飞行实验结果。激光发射:主激光器→脉冲激光器;主激光器中包括一个移频为中频频率的声光调制器,提供本振光源。工作波长:2.015mm；脉冲能量:12mJ；脉宽：460nsec；重复频率：100Hz；天线口径：100cm．作用距离：数百米到10千米；测速范围：25米/秒；实验表明，雷达测得的前向风速情况与飞机在后数十秒的飞行所遇到的大气情况有极好的相关性。证明该雷达可以实时提供前向严重湍流的精确的数值测量。该雷达的一个重要用途是使飞机避开对飞行产生极大影响的风切变。26272.1.4利用飞行器激波探测识别飞行器的机理研究激波的密度与正常气体密度有明显的变化，而且边缘清晰，形成了一个折射率与周围大气有显著区别的区域。冲击波会带动空气中的气溶胶微粒一起运动，产生具有明显特征的雷达回波频移。（隐身飞机的克星）SPIEVol.5086（2003.4）Mchigan航空公司、Boeing幻影工作室（PhantomWorks）报道了他们用直接探测激光雷达系统测量飞机速度和周围空气密度的风洞实验，并计划作一次飞行实验。Goodrich公司则报道了一个利用空气中微粒的散射回波的小型锁模激光雷达，以测量气流速度。28航迹涡流的特征图形被称为冲击波项圈或蒸汽锥2016/8/58292.1.5形形色色的激光武器激光枪激光枪30舰载激光武器舰载激光武器31机载激光武器机载激光武器机载激光武器(ABL)，ABL的目标是研制装在经过改造的波音747飞机上安装激光武器，用于从高空攻击敌方的战区弹道导弹。322016/8/5933美军移动型战术高能激光系统（美军移动型战术高能激光系统（THELTHEL）的激光发射部分）的激光发射部分3435激光武器的优点：无需进行弹道计算，无后坐力，操作简便，机动灵活，使用范围广，无放射性污染。激光武器的分类：不同功率密度，不同输出波形，不同波长的激光，在与不同目标材料相互作用时，会产生不同的杀伤破坏效应。激光器的种类繁多，名称各异。按工作介质区分，目前有固体激光器、液体激光器和分子型、离子型、准分子型的气体激光器等。按其发射位置可分为天基、陆基、舰载、车载和机载等类型，按其用途还可分为战术型和战略型两类，即战术激光武器和战略激光武器。36花边新闻（1）美国媒体诬蔑中国使用高能激光致