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        微電子技術(shù)在航空系統(tǒng)中的發(fā)展

        2015-08-15 00:54:11姜振灝
        科技視界 2015年13期
        關(guān)鍵詞:超高速微電子集成電路

        姜振灝

        (渤海大學(xué)數(shù)理學(xué)院,遼寧 錦州121000)

        1 航空電子系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

        微電子技術(shù)的發(fā)展加強(qiáng)了航空電子系統(tǒng)的功能和性能,使航空電子系統(tǒng)重新煥發(fā)生機(jī)。傳統(tǒng)的航空電子系統(tǒng)是按照雷達(dá)、導(dǎo)航、通信、電子戰(zhàn)的物理任務(wù)劃分結(jié)構(gòu)體系的。微電子技術(shù)在航空系統(tǒng)中應(yīng)用之后,變成按綜合探測(cè)器、綜合顯控系統(tǒng)、綜合處理機(jī)的邏輯功能來(lái)劃分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系的。完成了航空電子系統(tǒng)從量到質(zhì)的飛躍。

        當(dāng)前,在航空電子系統(tǒng)中,軍用飛機(jī)的發(fā)展一般經(jīng)歷了4個(gè)階段:

        1.1 離散式的結(jié)構(gòu)

        20世紀(jì)初一直到20世紀(jì)50年代,現(xiàn)代的軍用飛機(jī)處于離散式結(jié)構(gòu)階段,作戰(zhàn)飛機(jī)的測(cè)量設(shè)備主要是火控雷達(dá)和光學(xué)瞄準(zhǔn)。它的子系統(tǒng)有自己獨(dú)有的顯示器、傳感器、控制器和計(jì)算機(jī),中心計(jì)算機(jī)并不對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行操控。這種結(jié)構(gòu)適用于專(zhuān)用性強(qiáng),但是大量信息難以交換,靈活性差,如果要調(diào)整必須通過(guò)處理硬件系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)。

        1.2 集中式的結(jié)構(gòu)

        20世紀(jì)50年代到20世紀(jì)70年代,微電子技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越快,而航空電子系統(tǒng)中更面臨很多亟需解決的問(wèn)題。美國(guó)空軍Wright實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始向公眾介紹數(shù)字式航空電子信息系統(tǒng),使用LSL和MSI可以使控制部分和航空電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)綜合化。在當(dāng)時(shí),因?yàn)樽酉到y(tǒng)都是模擬式的,綜合化的性能效果大打折扣。

        1.3 聯(lián)合式的結(jié)構(gòu)

        20世紀(jì)70年代到80年代,聯(lián)合式的結(jié)構(gòu)在軟件技術(shù)、微計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字通信得到發(fā)展的背景下出現(xiàn)了,通過(guò)1553B的數(shù)據(jù)總線(xiàn)配合火控計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)上各個(gè)獨(dú)立功能的子系統(tǒng)進(jìn)行管理。通過(guò)這一技術(shù),擬補(bǔ)了以前的結(jié)構(gòu)功能上的不足,能夠使整個(gè)飛機(jī)上的功能有機(jī)的結(jié)合在一起。

        1.4 綜合共享式的結(jié)構(gòu)

        20世紀(jì)80年代以后,微電子技術(shù)得到更快的發(fā)展,ASIC技術(shù)促使電子系統(tǒng)的體積、性能和可靠性增強(qiáng)。Wright實(shí)驗(yàn)室希望通過(guò)Pave pace計(jì)劃,把綜合化范圍發(fā)展到天線(xiàn)孔徑和射頻通道一級(jí)。

        2 微電子技術(shù)中包含航空電子系統(tǒng)的發(fā)展

        根據(jù)我國(guó)航空電子裝備發(fā)展的歷史可以看出微電子技術(shù)在其中所起到的巨大的推動(dòng)作用。例如,我國(guó)軍用飛機(jī)通過(guò)對(duì)微電子技術(shù)的應(yīng)用使得各方面的能力大幅度地得到了提高,例如空對(duì)空的作戰(zhàn)能力;精確制導(dǎo)武器具備了的對(duì)地攻擊的能力等,這同微電子技術(shù)的應(yīng)用是有著密切的關(guān)聯(lián)的,同航空相關(guān)的微電子技術(shù)在發(fā)展中主要有以下的幾個(gè)方面:

        2.1 超高速的集成電路

        超高速集成電路是組成航空電子設(shè)備的部件。在第三和第四這兩代戰(zhàn)斗機(jī)上我們主要采取的是硅超高速集成電路。超高速集成電路讓電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)了小型化,大幅度降低了集成電路的總數(shù)和體積。設(shè)備故障也同時(shí)減少了。加快了數(shù)據(jù)處理速度,加大了儲(chǔ)存能力。然而硅超高速集成電路并不能完全滿(mǎn)足我們的要求,比硅超高速集成電路效率更高的是砷化鎵集成電路??梢灶A(yù)見(jiàn)的是砷化鎵集成電路在航空電子的應(yīng)用前景將更加廣泛。

        2.2 專(zhuān)用的集成電路

        根據(jù)需要,制造了專(zhuān)用集成電路的微電子芯片,應(yīng)用在航空電子系統(tǒng)中,使性能得到提高。設(shè)備保密性增強(qiáng)。美國(guó)第四代機(jī)已經(jīng)應(yīng)用專(zhuān)用集成電路,主要裝配在通信等保密的微電子元件。專(zhuān)用集成電路的制造成本比較高,所以這也阻礙其發(fā)展。

        2.3 微電子新技術(shù)的發(fā)展

        20世紀(jì)90年代提出了SOC的概念。它把各層次電路、處理機(jī)制、模擬算法、軟件、芯片結(jié)構(gòu)和器件設(shè)計(jì)都聯(lián)系在了一起,通過(guò)一塊芯片來(lái)完成以前幾個(gè)芯片組合才能完成的功能。SOC技術(shù)使微電子技術(shù)由原來(lái)的電路集成走向系統(tǒng)集成。SOC技術(shù)考慮了整體因素,減少了復(fù)雜性,所以造價(jià)成本降低。

        微電子技術(shù)得到充分發(fā)展之后,出現(xiàn)了微電子機(jī)械系統(tǒng),微電子機(jī)械系統(tǒng)把微電子技術(shù)和精密機(jī)械結(jié)合在一起,可以感受到來(lái)源自自然界的光、熱、聲、等信號(hào),并且經(jīng)過(guò)加工轉(zhuǎn)換成電子系統(tǒng)識(shí)別的電信號(hào),電子系統(tǒng)接受信號(hào)之后,完成該信號(hào)的指令。MEMS把感受到的外部信號(hào)進(jìn)行處理,做出相應(yīng)的判斷和操作。MEMS技術(shù)的應(yīng)用,開(kāi)拓了更為廣闊的領(lǐng)域,許多產(chǎn)業(yè)通過(guò)它,降低了成本,并且完成了以前的大尺寸機(jī)電系統(tǒng)不能完成的工作,例如在磁場(chǎng)中像蜻蜓大小的飛機(jī)等。

        3 航空電子系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

        3.1 新微電子對(duì)于航空電子的促進(jìn)作用

        現(xiàn)代武器系統(tǒng)得益于微電子在航空領(lǐng)域的應(yīng)用,無(wú)論在作戰(zhàn)能力還是威力上都得到了前所未有的增強(qiáng)。微電子技術(shù)不斷發(fā)展,其體積越來(lái)越小、可靠性越來(lái)越強(qiáng),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)機(jī)的功能提升和小型化。在現(xiàn)代的戰(zhàn)斗機(jī)中,我們主要應(yīng)用在雷達(dá)、通信、武器等設(shè)備中。因?yàn)閼?yīng)用了微電子技術(shù),無(wú)論功能和性能穩(wěn)定性的得到提高,這點(diǎn)在雷達(dá)的技術(shù)應(yīng)用中格外顯著。

        3.2 微電子技術(shù)在航空微處理器中的發(fā)展

        在顯控處理機(jī)和任務(wù)處理機(jī)中,航空微處理芯片是不可或缺的,隨著航空微處理芯片處理能力的提高,任務(wù)計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的處理分析能力也不斷的提高。主要表現(xiàn)在兩方面。其一是使任務(wù)計(jì)算機(jī)可以完成所有武器機(jī)器攻擊的火控解算(依據(jù)雷達(dá)、計(jì)算機(jī)所接收到的信息,通過(guò)火控計(jì)算,講分析結(jié)果傳遞至顯示器上,供飛行員瞄準(zhǔn)、發(fā)射),其二是增強(qiáng)任務(wù)計(jì)算機(jī)為系統(tǒng)其他非數(shù)據(jù)準(zhǔn)線(xiàn)接口設(shè)備提供總線(xiàn)接口的能力。隨著日后科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)航空微處理器能力的改造加強(qiáng),核心處理系統(tǒng)技術(shù)的建設(shè),任務(wù)計(jì)算機(jī)模塊會(huì)逐步取代顯控處理機(jī)模塊的位置。從而航空電子系統(tǒng)整體的智能化水平將會(huì)隨之提升,其數(shù)據(jù)融合、人工智能算法起其他的一些網(wǎng)絡(luò)控制算法都會(huì)隨之加強(qiáng)。

        3.3 微電子技術(shù)的應(yīng)用推動(dòng)航空電子綜合化、模塊化

        SOC概念的應(yīng)用使得微電子技術(shù)由原先的電子集成變?yōu)榱讼到y(tǒng)集成。從整體與聯(lián)系方面來(lái)看,對(duì)系統(tǒng)的組成、功能、結(jié)構(gòu)方面考慮研究,推動(dòng)航空電子綜合化的進(jìn)程,包括航空電子綜合系統(tǒng)中的子系統(tǒng)、設(shè)備、技術(shù)等方面。從系統(tǒng)的方面來(lái)說(shuō),應(yīng)始終致力于對(duì)整體同環(huán)境之間、整體同部分之間的關(guān)系進(jìn)行協(xié)調(diào),綜合地對(duì)所應(yīng)進(jìn)行研究的對(duì)象進(jìn)行考察,在部分同整體的相互結(jié)合、相互依賴(lài)以及相互制約的關(guān)系之中對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律與特性進(jìn)行揭示,并對(duì)其的功能、組成、聯(lián)系的方式以及結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行有話(huà),以達(dá)到實(shí)現(xiàn)航空電子系統(tǒng)綜合的最優(yōu)化的目標(biāo)。

        4 總結(jié)

        微電子技術(shù)的發(fā)展必然能夠帶動(dòng)航空電子設(shè)備的不斷創(chuàng)新,對(duì)性能與功能都將會(huì)有著很大的進(jìn)步。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,戰(zhàn)爭(zhēng)方式也出現(xiàn)了較大的改變,微電子技術(shù)在當(dāng)前的戰(zhàn)爭(zhēng)技術(shù)領(lǐng)域中將會(huì)發(fā)揮出起不可替代的時(shí)代性作用,航空電子設(shè)備經(jīng)歷了分立式和組合式,不斷的深化和提高。可以想象,在未來(lái)隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展,必然促進(jìn)航空電子系統(tǒng)更加完備,不斷地朝著模塊化、綜合化以及智能化的目標(biāo)不斷地發(fā)展。

        [1]周代忠,張安,史志富.微電子技術(shù)在航空電子系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電光與控制,1671-637Ⅹ(2005)04-0040-04.

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        [5]宰辰熹.虛擬儀器技術(shù)在航空機(jī)載氣象雷達(dá)測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].測(cè)控技術(shù),1000-8829(2012)01-0112-04.

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