1、傳感器在軍事領域的應用軍用傳感器主要內容0 引言1 類別2 特征3 應用4 發展5 特殊6 MEMS7戰斗機8 SOI0 引言 在現代電子信息系統中，信息采集- 傳感器技術，信息傳遞- 通訊技術，信息處理- 微處理器(即計算機)技術是現代電子信息技術的三大核心技術，也是現代武器裝備發展必不可少的重要組成部分。 在軍事上傳感器是武器裝備發展的重要環節。專家認為，“一個國家軍用傳感器制造技術水平的高低，決定了該國武器制造水平的高低，決定了該國武器自動化程度的高低，最終決定了該國武器性能的優劣”。美國國防部專家說過，“當今世界誰掌握了傳感器，誰就掌握了高科技，誰掌握了高科技，誰就控制了世界”。近十幾

2、年來，發生的歷次局部戰爭中使用的高技術武器上都裝有多種傳感器，在對目標探測、精確制導、電子對抗、通訊指揮、故障診斷和自我防護中發揮了重要作用。1 軍用傳感器類別按軍用傳感器在裝備中的作用和特點分為兩類：用于探測軍用裝備外界信息的傳感器稱為外部傳感器，如用于目標探測、精確打擊、姿態控制的光電傳感器、紅外傳感器、光纖陀螺等；而所有檢測與控制內部各子系統、各部件、參數的傳感器均為內部傳感器，如用于各類發動機系統、火控系統和監控系統的力學量傳感器、溫度傳感器、光電傳感器等。在實戰中，各類武器裝備一方面靠外部傳感器快速發現與精確測定并打擊敵方目標；另一方面靠各種內部傳感器保證武器裝備本身處于最佳狀態，發

3、揮最大效能。因此，兩類傳感器同等重要。2 軍用傳感器的特征傳感器是一項軍民兩用的高技術，軍用傳感器是傳感器產業中的一個重要分支。與民用傳感器相比，軍用傳感器具有品種結構特殊，使用環境惡劣、技術指標高、質量水平高(產品的一致性、穩定性和可靠性高) 等特殊要求，研制生產難度大。近十年來，在微電子技術、微機械加工技術、納米技術以及新型材料科學等高技術的推動下，傳感器技術已從單一的物性型傳感器進入功能更為強大、技術高度集成的新型傳感器階段。因此，當代軍用傳感器已進入新型軍用傳感器階段，其典型特征是微型化、多功能化、數字化、智能化、系統化和網絡化，它必將對軍用電子裝備的發展起到先導和促進作用。3 傳感器

4、在軍事上的應用 當今，傳感器在軍事上的應用極為廣泛，可以說無時不用、無處不用，大到星體、兩彈、飛機、艦船、坦克、火炮等裝備系統，小到單兵作戰武器；從參戰的武器系統到后勤保障；從軍事科學試驗到軍事裝備工程；從戰場作戰到戰略、戰術指揮；從戰爭準備、戰略決策到戰爭實施，遍及整個作戰系統及戰爭的全過程，而且必將在未來的高技術戰爭中促使作戰的時域、空域和頻域更加擴大，更加影響和改變作戰的方式和效率，大幅度提高武器的威力和作戰指揮及戰場管理能力。3.1 微型傳感器的應用 在微型偵察衛星上的應用：2002 年2 月，美國成功地將世界上第一顆皮型衛星(小于1 kg) 發射到離地面750 km 的軌道上，其外形

5、尺寸為(1 in 3 in 4 in ，注：1in = 0. 025 4m) ，質量僅為245 g。另美國研制成功一個微塵衛星(小于500 g) ，裝有7 個不同軸向的傳感器，包括2 個磁傳感器，2 個加速度傳感器以及光、濕度、壓力傳感器。 在導航系統上的應用：美國研制成功的一種加速度達105 g 的MEMS慣性傳感器，已用于智能彈頭和鉆地彈頭中，其抗震能力足以使彈頭鉆入地下后，仍能對其進行制導、控制并引爆。 用于陸軍單兵作戰的多功能電子設備：該裝置安裝在士兵身上的各個部位，包括各類MEMS 傳感器及其測控系統，主要有智能頭盔(包括夜視儀、紅外/激光瞄準器等) ，能有效地提高士兵作戰能力，從2

6、003 年起已逐步裝備于陸軍單兵作戰。 在分布式機器人中的應用：美國軍方列入研究計劃的裝有多種微型傳感器的各類軍用機器人有100多種，其中已投入實際使用的有機器人坦克、自主式地面車輛、掃雷機器人、武器裝備自動故障與排除系統等。 在武器引爆上的應用：傳感器引爆武器是目前智能化程度最高的武器 ，B1轟炸機可以攜帶30個這樣的武器。投彈后，武器外殼和炸彈平臺會裂解，放出多個炸彈筒，每個炸彈筒可以30度角射出名為斯科特的帶降落傘的炸彈，每個斯科特都有傳感器引爆系統能夠追蹤目標。找到目標的斯科特會將熔化的銅彈頭打入敵軍坦克，而沒有找到目標的會自動銷毀，不會在戰場上留下明顯痕跡。最初使用在美伊戰爭，投放第

7、一批武器就炸毀了伊拉克2/3的前線坦克，余下的1/3則迅速繳械投降了。3.2 紅外探測器的應用 對戰略彈道導彈的預警：為了適應未來戰爭的需要，美軍于1994 年提出建立探測與跟蹤導彈發射的新一代衛星監視系統，以取代目前的DSP 計劃。該計劃稱為SBIRS計劃(天基紅外系統) ，由高軌與低軌衛星系統組成。高軌由4 顆靜止軌道衛星、2 顆大橢圓軌道衛星組成，主要用于探測與跟蹤處于助推段的彈道導彈：低軌系統計劃用24 顆衛星組成，用于捕獲與跟蹤中段飛行的導彈，SBIRS 計劃預算230 億美元。 整個系統計劃2020 年部署完畢SBIRS 將具備同時跟蹤戰略與戰術彈道導彈的能力，采用全新設計的紅外傳

8、感器，高軌衛星采用掃描與凝視傳感器，低軌衛星采用捕獲與跟蹤傳感器，使衛星能對小型戰術彈道導彈快速發現與跟蹤較弱信號，并采用復合星座設計，提高對各種導彈的發現能力，擴大跟蹤范圍，尤其是中段跟蹤，實現全過程監視與預警。 在艦艇、飛機及車輛等平臺上的應用：用于夜間短、中、長距離戰場紅外識別系統、機載、車載和艦載前視紅外( FLIR) 系統、機載紅外大面積戰場實況偵察、紅外搜索與跟蹤系統以及戰術武器的精確制導等。其突出優點是以被動方式工作,有利于抗干擾和隱蔽。如美國休斯飛機公司為漢森(Hanscen) 空軍基地研制的用于非視線性戰術制導導彈。F - 22 裝備了新型的機載紅外搜索與跟蹤系統,實現了全被

9、動式搜索與跟蹤,不必用雷達,提高了F - 22 隱身能力。3.3 光纖傳感器的應用 光纖傳感器在軍事信息技術中的應用主要集中在如下幾個方面：基于光纖陀螺的對飛行器、水下兵器、陸用戰車的慣性制導和對運動載體的姿態控制；基于微振動傳感器和光纖信息傳輸網，用于海洋防衛和反潛作戰的的光纖水聽器傳感器陣列網和用于核外炸核查以及反核查光纖地震波監測網；基于溫度、壓力、振動傳感器的智能結構，廣泛用于水下兵器及航空航天等領域。 光纖陀螺成為慣性導航及控制領域的重點應用領域，它的應用可覆蓋傳統機電陀螺的所有領域以及機電陀螺在慣性制導及姿態控制領域中可望而不可及的領域，導致了強沖擊下火炮捷聯控制、炮射制導武器系統

10、的發展。近十幾年以來,已有多種高性能光纖水聽器系統問世。如美海軍研究實驗室(NRL) 與Litton 制導與控制公司共同研制的光纖水聽器已裝備在688 級攻擊潛艇上并做了公開演示。光纖傳感器易于進行多點及分布式傳感，實現智能結構。光纖傳感器在軍事上的其它應用包括地震波檢測、核輻射檢測、化學偵查、監測等。4 軍用傳感器的發展趨勢（1）微型傳感器 微型傳感器是指芯片的特征尺寸為微米級，采用微電子機械加工制作的各類傳感器的總稱，是近代先進的微電子機械系統(MEMS) 中的重要組成部分。工業發達國家的微型傳感器發展迅速，且生產工藝成熟,現在已形成產品和正在研究中的微型傳感器有壓力、力、力矩、加速度、速

11、度、位置、流量、電量、磁場、溫度、氣體、濕度、pH 值、離子濃度、微型陀螺以及無線網絡傳感器等，產品質量達到很高水平。 如Tronic 公司采用表面微機械加工技術在直徑為100 mm 的SOI 基片上制作了5500 多個電容式壓力敏感元件，其壓力測量范圍為65145 kPa，靈敏度為1 p F/ 100 kP ，準確度 1 %FS ，產品尺寸為0. 5 mm 2 cm 。美國研制出一種用3 個MEMS 陀螺和3 個MEMS 加速度計組成的微型捷聯式慣性導航系統樣機，尺寸僅為2 cm 2 cm 0. 5 cm ，質量5 g ，功率小于1 W，它的體積、質量、耗電功率、價格和小型慣性導航系統之比為

12、：體積比為0. 012 %，質量比為0. 12 %耗電功率比為4. 2 %價格比為2 %，美國研制成功的MEMS 加速度計能承受火炮發射時產生的近105 g n 的沖擊力，可以為制導導彈提供一種經濟的制導系統。（2）紅外傳感器 紅外傳感器的突出優點是以被動方式工作，有利于抗干擾和隱蔽。紅外探測是在13m，35m 和814m三個紅外輻射窗口進行的。單元紅外探測器如非本征鍺和硅以及熱釋電探測等工藝成熟，早已商品化，且已在軍事裝備中得到應用。多元線列探測器已商品化。今后十幾年內，紅外焦平面陣列技術還會得到大力發展，其陣列規模將愈來愈大，最終將成為智能化紅外焦平面器件。同時，非致冷紅外焦平面陣列(如輻

13、射熱計、熱電探測器陣列等) 以及以半導體超晶格量子阱材料的多種新型紅外探測器將進一步發展。（3）智能傳感器 凡具有一種或多種敏感功能、數字量輸出、信息存儲和記憶、邏輯判斷、雙向通訊、決策、自檢、自校準、自補償、自診斷、數值處理等功能的器件稱為智能傳感器。目前，研制成功的智能傳感器僅具有上述功能中的一部分，其代表性產品有: 美國Honeywell 公司的DSTJ - 3000 智能壓力變送器；ParScientific 公司的1000 系列數字式石英智能化傳感器；智能加速度傳感器；智能紅外傳感器等。現在一些國家正在研究開發可以識別物體形狀的觸覺傳感器以及能分辨不同氣體的嗅覺傳感器。隨著科學技術的

14、發展，智能傳感器的功能將逐步加強，它將利用神經網絡技術、傳感器信息融合技術、模糊理論等新技術，使傳感器具有更高級的智能，可完成多維檢測等復雜任務，應用前景更為廣闊。（4）無線網絡化傳感器 網絡化傳感器是指傳感器在現場級實現TCP/ IP協議，使現場測控數據就近登臨網絡,在網絡所能及的范圍內實時發布和共享。 近幾年，采用藍牙技術標準開發成功一種無線網絡化傳感器。它與有線網絡化傳感器相比，具有：安裝位置不受任何限制，擺放靈活，且無須布線； 不用電纜線，降低了成本，提高了系統可靠性；安裝和維護非常簡便等優點。 美國Crossbow Technology 公司， 采用藍牙協議，開發成功一種Cross

15、Net 結構，具有結構靈活、模塊化,測量范圍寬、使用方便等特點。最近，該公司在美國“2002 年傳感器博覽會”上展示出最近開發成功的可以配備各種傳感器的小型無線模塊，相鄰的多個模塊之間利用無線通信可以自動構成一個網絡，而且可將1000 個以上的模塊進行“Multihop連接。這種模塊使用916MHz 頻帶，發送時工作電流為12 mA ，最大發送距離60 m。目前，美國OAK Ridge 國家研究院等單位正在開發新一代無線傳感器，也即采用MEMS 技術，將傳感器、信號調制電路和通訊元件集成在一塊硅襯底上。5 高技術戰爭中需要的特殊傳感器 在當代高技術戰爭中迫切要求研制新一代特殊品種、規格的傳感器

16、:(1) 特殊品種傳感器：例如檢測彈頭再入時受到氣動磨擦加熱時的燒蝕傳感器；測量導彈、衛星及運載器的氣動加熱的熱流傳感器；航天用的前視紅外傳感器、紅外焦平面陣列；精密制導用的紅外制導傳感器等。 (2) 特殊規格傳感器：例如檢測聚熱介質的高溫傳感器和暴冷介質的低溫傳感器；低量程和大量程的振動、加速度傳感器；大量程壓力傳感器。(3) 新型傳感器：例如微型傳感器 (如重量小于1g、功耗為幾毫瓦的傳感器) ；診斷傳感器；軍用機器人用的智能傳感器；三維視覺傳感器；模糊傳感器；高準確度圖像傳感器；超導傳感器；紅外CMT 凝視陣列及CMT 凝視焦平面陣列；高準確度光纖陀螺等。6 M E M S MEMS是M

17、icro Electro-Mechanical System (微電子機械系統)的簡稱，是由微機械加工技術(Micromachining)和微電子技術(Microelectronics Technologies)相結合而制成的集成系統，它包括有微電子電路(IC) 、微執行機構以及微傳感器。 MEMT是Micro Electro Mechanical Technology(微電子機械技術)的簡稱， Micromachin or Micromechanisum(微機械) 、Microsyste(微系統、MS)。 它們都是以微小(Micro)為特征，有的強調機械，有的強調系統，但當前人們常不加區別地

18、與MEMS通用。 MEMS是近十年來發展非常迅速的跨學科的新興領域，MEMS技術的目標是把信息獲取，處理和執行一體化地集成在一起，使之成為真正的微電子系統。這些裝置把電路和運轉著的機器裝在一個硅芯片上，對于傳統的“機械學”來說，MEMS不僅為之打開了“微尺寸”新領域的大門，也是真正實現機電一體化的開始。因此，正如70年代微電子技術引發了信息革命一樣，MEMS 被認為是微電子技術的又一次革命，對21世紀的科學技術、生活方式和人類生活質量都會有深遠的影響。 MEMS是以微電子技術為基礎，以單晶硅為主要基底材料、輔以體硅加工、表面加工、LIGA以及電鍍、電火花加工等技術手段，進行毫米級和亞毫米級的微零件、微傳感器和微執行器的三維和準三維加工，并利用硅IC工藝