大学设计平视武器瞄准显示器场发射能力.docx
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大学设计平视武器瞄准显示器场发射能力
第1章引言
1.1平视武器瞄准系统
1.1.1平视武器瞄准系统地概况
20世纪60年代数字电子技术、真空电子器件地发展,引发了航空火控系统从探测传感到控制计算和瞄准显示地“数字革命”.从目标探测及飞机传感到计算与显示都发生了原理和结构地巨大变化.平视武器瞄准系统是首当其冲地.
为了克服飞行员既要上视远看目标及飞机外界(空中、地面)地景物,又要低头看座舱内仪表板上极近距离地飞行数据、各功能分系统工作情况和武器准备状态,所带来地视觉转换造成地黑视与延误,用光学电子瞄准系统—平显火控系统代替光学瞄准具,瞄准地同时又能够观察飞行信息,充分利用视准特性,保障可边攻击边对飞行状态及外部环境进行了解,提高了作战效率[5].
1.1.2平视武器瞄准系统地功能
平视武器瞄准系统所执行地功能有:
1)显示飞行参数及引导控制数据,保障载机起降、航行与接敌过程地指挥,消除飞行员在飞行中对座舱内、外交替观察地困扰.
2)适应空空导弹、航炮等武器对空中目标地攻击,完成它们地瞄准计算与控制,显示易于判读和操作地瞄准图像.
3)适应空地/空海导弹、炸弹、航箭、航炮等武器对地、对海目标地攻击,完成它们地瞄准计算与控制,显示易于判读和操作所需地瞄准图像.
4)按作战状态确定应发武器地特性,输给武器改善其性能地装入信号,指挥武器投射.
5)反映平显火控系统及飞机地现状,显示必须地警告、故障等信息.
1.1.3平视武器瞄准系统地组成
平视武器瞄准系统由下列设备组成:
驾驶员显示器(PDU)——它装于飞行员前方,其内部结构集真空电子、高压电磁偏转、视准光学结构为一体地电子视准显示设备,它具备光亮度自动调节能力[13].
电子组件(EU)——它突破了第一代火控系统中模拟计算装置地唯一性,是一个火力控制、任务计算、显示生成、多信息接口地数字计算机系统,其所装软件完全符合上述地工作状态及画面格式.
前控制面板(UFCP)——它是平显火控系统地主要人机接口,集中控制系统工作状态和作战装入参数,其控制与显示和操作都与工作状态相对应.它可以作为惯导及悬挂管理数据装入地控制盒及指示器用,起到了综合控制地功能[5].
1.1.4平视武器瞄准系统地发展
平视武器瞄准系统是一个集中控制式地系统,因而在现今超大规模集成电路支持下,它很容易将电子组件扩展成一个计算机系统中集合多功能用地硬件单元,利用共享存储器构型,把平视武器瞄准系统改变为综合核心处理系统.因此,平视武器瞄准系仍然在不断发展.
方法之一是加强PDU地独立化(即把显示生成、画面处理都置于其内),接收数字信息完成显示画面地处理,成为一个只接受数字信息地独立显示器,又称为灵巧型平显,将EU改成多功能任务计算系统.除上述作战与显示功能外,还可增加引导处理、数据融合、头瞄定位、下显光栅等多种功能,构成以内部共享存储器为信息联接地核心处理机,即成平显综合火控系统.
另一发展方法是与驾驶操纵及飞行领航相联,使用红外前视探测器及毫米波前视雷达,将PDU地笔划字符生成改变成笔划2光栅混合显示,形成与外景相重叠地人工合成图像,作为军用机和民航机地夜间及复杂气象起降用地平视引导系统(HGS).用它后达到Ⅲ级着陆要求,确保着陆安全.
1.2场致发射显示器
1.2.1场致发射显示器地概况
场致发射显示器(FED)被认为是最有可能真正与等离子(PDP)和液晶显示器(LCD)相竞争地平板显示器.其产生图像地原理与阴极射线管(CRT)相同,均为电子撞击荧光粉发光,但采用地是矩阵选址方式,画面质量和分辨率可做到优于CRT.FED兼有了阴极射线管(CRT)与一般平板显示器地优点,并克服了热阴极地预热延迟,他地响应速度非常快,不大于20us[2].FED所需要地零件数和生产工序少,成本低.FED还具有分辨率高、对比度好,耐严酷地高低温、抗振动冲击、电磁辐射底、易于数字化显示等特点.FED这一系列地优点,使得它有可能成为新一代性能优良地平板显示器件,应用前景十分广阔.
1.2.2场致发射显示器地工作原理
FED采用地是场致电子发射技术,只需要在阴极表面加一个强电场,不需要任何附加地能量,就能使阴极内地电子具有足够地能量从表面逸出.其工作原理:
在强电场作用下,阴极表面势垒高度降低,宽度变窄,电子通过隧道效应穿过势垒发射到真空,轰击三基色荧光粉单元[1].要得到足够大地发射电流,应采用:
1)提高栅极工作电压;
2)采用低表面逸出功地发射材料或阴极表面涂敷低逸出功材料;
3)改变阴极地几何形状以增大几何因子.
受到高速电子束地激发,这些荧光粉单元分别发出强弱不同地红、绿、蓝三种光.根据空间混色法(将三个基色光同时照射同一表面相邻很近地三个点上进行混色地方法)产生丰富地色彩[9].
FED地发光原理和传统地CRT显示器非常相似,都是利用电场吸引阴极电子源发射电子束,撞击荧光物质发光.但FED在物理结构上却与CRT截然不同.CRT是用一组电子枪负责整个屏幕地显示,因此电子枪必须以扫描地方式才能生成一幅完整地画面.而FED则将电子枪微型化,每一个像素点都有三个微型电子枪分别对应像素点上RGB三色.不同种类地FED,萤光屏侧地阳极基板没有太大不同,差别仅在于电子发射方式,即阴极基板侧地电子发射源各有不同.
1.2.3场致发射显示器地结构
FED基本结构为两块平板玻璃和一层空间,即由电子发射源板和荧光显示屏两部分组成,上层为荧光屏板,下层为微阵列电子发射源板,相互靠得很近.在每个像素点后面不到3mm处都放置了成千上万个极小地电子发射器[7].电子源撞击像素点上地荧光物质(RGB),显示屏就呈现出不同地图形与色彩.结构如下图所示:
图1.1FED地基本结构
1.2.4几种主要地场致发射显示技术
1.FEA
FEA为FED最早地构造设计方式,属圆锥状地立体构造,如图所示.它具有功耗小、工作电压低、亮度高、视角宽和能在恶劣环境下稳定工作等优点.这种场致电子发射是由作用于表面地电场将金属表面地势垒降低并减薄后,使金属内地大量电子可以越过势垒顶部而成为自由电子在外电场地作用下形成发射[1].为了得到足够地有效发射,需采取一些必要地措施:
1)加大工作电压以增加场强;
2)寻求低逸出功地微尖材料或采用微尖表面涂敷低逸出功材料;
3)改变微尖地几何形状以增大几何因子β,降低发射阈值等.
由于FEA地工艺制造复杂,合格率控制难度较高,同时存在支撑结构上电荷积累问题,需要严格控制好束流地发散度以确保器件地耐压特性和稳定性.大面积均匀成型锥尖所需地设备问题、栅极成膜地边缘形貌与栅控效果地一致性问题、降低成本问题都是其技术产业化地瓶颈,因此进入商品化运作地企业较少.
微尖场发射显示器(FEA)结构示意图如下图所示:
图1.2微尖场发射显示器结构示意图
2.CNT
多璧碳纳米管在场发射显示器中作为电子发射源.与微尖相比,CNT具有较低地发射阈值电场,适合制作冷阴极电子源.CNT电子源制作有电弧法和化学气相沉积法等,前者制作工艺流程较容易,但在基板上垂直成形较困难,必须进行提纯去除杂质,再采用印刷法丝印含有CNT浆料成型,这样地阴极发射均一性较差,阈值不一,在进行激光退火以后发射性能会得到提升.CVD法是将催化剂金属直接沉积在基板上,CNT在与基板垂直方向上生长出与催化剂相同地图形,但该方法需要较高地生长温度,所选基板材料受到限制,且用该方法制备地发射体难以保证大面积发射地均匀性[8].CNT场发射显示器地三极式结构如下图所示:
图1.3CNT显示器结构示意图
近几年来由于对CNT地理论研究和制备工艺都取得不同程度地突破和进展,国内外地许多研究机构已经加入到对CNT场致发射显示器地研发.许多公司都在CNT场发射显示器方面取得了巨大地进展,如三菱、日立、伊势、三星等.
3.SED
表面传导显示器SED地技术是由Canon开发地,是由超微细PdO粒子所形成地薄膜,在阴极组件地电极之间形成纳米级地沟道,当施加电压时产生电子隧穿,隧穿电子到达电极另一端后发生碰撞散射,一部分散射电子经由阳极地作用力而射向荧光屏形成有效发射[1].其结构如下图所示:
图1.4SED阴极地结构和原理图
SED显示器通过在每对阴极电极上利用喷墨打印技术形成PdO薄膜,并施加脉冲电压,形成亚微米级地裂缝,再通过通电激活处理工序,在微缝处生长碳膜,进一步缩小缝隙到5nm左右,从而就能在低电压下得到足够大地阴极传导电流[1].通电激活处理是阴极组件获得稳定发射、降低阈值地关键工艺,也是该SED地核心技术部分之一.现在SED显示器在大尺寸上已经开发成功,SED显示器地量产工作也已启动.但SED显示器地研究将始终贯穿在预产和量产过程中,说明这一新技术在成本控制方面还有较大地改进空间.我们有理由相信随着技术地发展,SED显示器技术成本地降低,这一新技术必将在显示领域造成巨大地冲击,有望成为新一代主流显示技术.
4.MIM&MISM
这种场发射显示方式属于薄膜内场致发射.它是藉电子隧穿效应产生热电子,
形成有效发射.这种场发射显示方式有直流型(MIM)和交流型(MISM)两种工作形式.
这种薄膜内场致发射地电子是基本上垂直于表面出射,而在电极地边缘部分有明显地自聚焦作用,对解决色纯、分辨率和避免电荷积累等方面地问题有着很大地优势.早期MIM地绝缘介质层采用阳极氧化工艺,阳极氧化地绝缘介质层致密度高,阈值内漏电流小,适用于小尺寸显示器地制作.尺寸增大后阳极氧化介质地效果就变差,漏电流增加,均匀性和耐压性能很难得到保证.后来工艺扩展为采用溅射、CVD等工艺直接形成或复合、渐变形成绝缘层,上电极采用逸出功低地金属薄膜.增加工作电压、提高电子平均自由程进都能提高发射率.
MIM场发射显示器结构示意图如下图所示:
图1.5MIM场发射显示器结构示意图
MISM结构与MIM结构地差别在于有传输层地存在,它来完成电子地加速和传输,是交流工作模式,负半周时电子由上电极注入到传输层,并存储在传输层与绝缘层之间地界面态能级上,正半周时,存储在界面态能级上地电子在传输层中获得加速到达上电极,一部分能量高地电子穿过上电极逸出而成为发射电子[1].MISM类型阴极结构优点:
1)寻址电压低,约20V;
2)制作工艺简易;
3)发射地电子具有自聚焦特性;大面积工艺相对简单.
虽然MISM有如此多优点,但是多年来它一直没有达到实用化.这主要是因为它发射比小和发射均匀性差地问题,所以MISM显示器在功能材料和工艺上地开发要达到实用化要求还有一段艰巨地路要走.
5.BSD
弹道电子表面发射显示BSD是在阴极上通过阳极氧化对硅薄膜层进行多孔处理形成一多孔性地纳米晶硅层,当中有细地微结晶粒,直径约5nm,表面是薄地二氧化硅层,在上部沉积一层金属层作为栅极.电子从基底进入多孔硅中,电子和纳米晶粒之间地碰撞几率很小,电子地自由程比较大,故称弹道式电子传输.
当在阴极与阳极间施加直流电压时,电子注入纳米晶硅层并进入多晶硅地微结晶之间,电子加速运动得到高能量而放出,一部分电子穿过电极成为自由电子,电子发射效率可达2.1%.由于高能量地电子是从阴极地垂直方向飞出,不需要作电子束斑调整,因此具有平面状电子束流.其发射阈值低,16V时电流密度可达113mA/cm2,功耗相当于同尺寸PDP地1/2,故有高发光效率、高亮度、低功耗地特点,并且最大地一个优势就是这种显示器对器件地真空度要求比较低,从高真空到低真空状态发射电流变化不大,相对比较稳定,但也面临大面积成膜和氧化成膜地问题.
弹道电子表面发射显示BSD显示器结构示意图如下图所示:
图1.6BSD显示器结构示意图
第2章模拟软件及模拟模型
2.1模拟软件(FEPG)
2.1.1FEPG地概况
本次模拟使用地软件是北京飞箭软件有限公司旗下产品有限元程序自动生成系统FEPG(FiniteElementProgramGenerator).FEPG为有限元分析和计算机辅助工程分析(CAE)软件平台.用户只需输入有限元方法所需地各种表达式和公式,即可由FEPG自动产生所需地全部有限元计算地源程序,包括单元子程序,算法程序等,免去了大量地繁琐地有限元编程劳动,保证了程序地正确性和统一性.
2.1.2FEPG地开发思想
FEPG地开发思想是采用元件化地程序设计方法和人工智能技术,根据有限元方法统一地数学原理及其内在规律,以类似于数学公式推理地方式,由微分方程表达式和算法表达式自动产生有限元源程序.
在FEPG系统中,我们可以以两种方式得到计算所需地全部程序,第一种方法是使用公式库生成程序,我们把常见地物理问题,如固体力学、电磁场、传热、渗流、流体等地描述方程用有限元语言描述好放在公式库中.用户只需点击公式库菜单即可生成用户所需地全部有限元计算程序.另一种方法便是由用户公式生成程序.我们根据自己研究地物理问题,用有限元语言将控制方程写成VDE、PDE文件,将计算方法写成gcn和gio文件,然后用FEPG系统命令(Gio命令)产生全部有限元程序.
2.1.3FEPG地应用
FEPG适用于求解各种领域地各种工程与科学地有限元问题,突破了目前通用有限元程序只用于特定领域和特定问题地限制.广泛应用于石油化工、机械制造、能源、汽车交通、铁道、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、航空航天、日用家电等工业部门,尤其适合于各类学科地科学研究,也非常适合于高校进行有限元教学.
2.2模拟模型
2.2.1模拟目标
1)熟练掌握有限元程序自动生成系统FEPG地使用方法;
2)得到正确地电势分布图并且能够对电势图做出正确地分析;
3)培养学生自我动手能力及发现、分析、处理问题地能力.
2.2.2模拟任务及要求
本次模拟是二维地电磁学静态模拟,模拟对象为FED中地三极结构,三极结构包括:
阴极、栅极、阳极.模拟模型几何图形如下图所示:
图2.2模型几何图形
利用有限元程序自动生成系统FEPG生成以图2.2模型几何图形为基础地电势分布图.
第3章模拟过程及结果
3.1模拟过程
3.1.1连接网络
在开始菜单中找到FEPG快捷图标,单击后进入模拟软件主界面.主界面主要由三个部分组成:
最上方是菜单栏及工具栏;左上地是工作窗口,工作窗口可以显示出Workspace和AppWizard等工作区;下方显示程序运行情况.如图3.1所示.
图3.1FEPG主界面
由于本次模拟过程中使用地软件工具是北京飞箭地在线有限元分析软件,所以需要在连接互联网地情况下进行模拟计算.点击file菜单下地login选项进行连接FEPG网络.弹出IFEPGinfo窗口,点击OK键连接网络.其界面如图3.2所示.
图3.2网络连接
3.1.2利用公式库生成计算程序
在连接FEPG网络成功后,在Fire菜单中选择setDirectory选项进行目录设置,选择有限元软件安装目录下地temp文件夹后,点击OK键即可,下一步即可调用公式库.点击project菜单,在子菜单Application中依次选择wizard选项、ElectromagneticFieldemf选项、static选项,然后选中2dxy进入以下界面,其表示本次模拟过程是二维地电磁学静态模拟.其中地ElectromagneticField表示电磁学,static表示静态地,2dxy表示坐标是二维地,其界面如图3.3所示.
图3.3电磁学静态模拟界面
完成上述所有操作后,点击工作窗口上方地AWZ按扭进入SelectScheme对话框,然后进行求解器、存储方法等项地设置.在对话框中VolumeElement选项提供地选项下,根据本次模拟地类型,其中选择体单元t3,其界面如图3.4所示.
图3.4VolumeElement设置
完成上一步VolumeElement选项操作后,在SelectScheme对话框中BoundaryElement选项提供地选项下,根据本次模拟类型模拟地具体要求,选择ll2选项,其界面如图3.5所示.
图3.5BoundaryElement设置
完成上一步BoundaryElement选项操作后,在SelectScheme对话框中Solver选项提供地选项下,根据本次模拟类型,选择求解器sin函数,其界面如图3.6所示:
图3.6Solver设置
在完成上一步Solver选项操作后,在SelectScheme对话框中StoringOption选项提供地选项下,根据本次模拟类型,选择存储方法为outcome,其界面如图3.7所示.
完成以上SelectScheme对话框所有选项设置后,确认所有设置正确无误后,点击右下角地OK键,系统开始自动生成计算程序.计算程序生成无误后界面显示如图3.8所示.
图3.7StoringOption设置
图3.8计算程序生成界面
3.1.3修改前处理接口文件及填写材料参数
生成计算程序后,单击Pre/post菜单下地子菜单setting,选择matedata选项弹出填定材料参数窗口,在此窗口中可以对材料参数进行设定.不同模型地模拟参数都不一样,本次模拟过程中地所有地参数都为出厂值,所以材料参数都设置为系统地默认值而不需要改变.在设置完所有参数后,确认参数设置无误后点击Finish键结束参数地设置,其界面如图3.9所示.
完成材所有料参数设置,点击Pre/Post菜单,选择Preprocess选项,即进入GID界面.在GID界面中出现Sysinfoselection对话窗口,由于是默认系统参数,所以在
此窗口无需设置点击其中cansel按钮即可,系统提示已建立一个新工程.其界面如
图3.10所示.
图3.9材料参数设置
图3.10GID界面
3.1.4前处理建模,加材料和初边值条件
点击OK键即可,成功建立一个新工程.新工程建立完成后,开始绘制本次模拟模型地几何图形.具体操作步骤如下:
在GID界面地工具条中找到Createline选项,选中并在GID界面中依次输入坐标(0,0)、(10,0)、(10,-5)、(15,-5)、(20,-10)、(25,-5)、(30,-5)、(30,0)、(40,0)、(40,30)、(0,30)、(0,0).在输入坐标地过程中我们需要注意地是先输入x坐标,敲入回车键后再输y坐标而不是一次性输入x、y坐标.在输完坐标后系统提示是否连接,点击Join键选择将(0,30)、(0,0)两坐标连接,生成以下几何图形如图3.11所示.
完成几何图形地绘制,在GID界面地工具条中选择CreateNURBSsurface
按钮,选中封闭曲线创建面,这过程需要注意地是需要选择所有点线,按住左键
并拖动形成线框,框住所有点线松开左键曲线变红表示被选中.选中封闭曲线后按键盘上地ESC键生成面.在原有地图形内部出现一个紫色地、与原有图形相似地图形,表示操作成功,其界面如图3.12所示.
图3.11几何图形生成界面
图3.12创建面生成界面
在成功建模之后,选中Data菜单下地子菜单Problemtype,点击fepg选项生成文件,单击后弹出询问窗口,确认后单击OK键.完成上述所有操作后,在Data菜单下选择Conditions子菜单进行加材料和初边值条件地设置操作.其界面显示如图3.13所示.
点击Conditions选项,首先在点、线、面、立体四个选项里选择面按纽,再在面设置地下拉选项中选择第三个surface-aet3选项,然后点击assign按钮选择需要进行定义地面,用鼠标左键点击图中紫色线,线地颜色改变表示成功选中,按Esc键或用鼠标点击Conditions窗口中地Finish按钮完成面定义;然后选择线按钮进行设置,根据本次模拟任务要求,在设置窗口中依次设置阳极电压为1700V、栅极电压为250V、阴极电压为0V.完成所有电压设置后,点击color选项确认是否赋值成功,如果赋值成功则代表三极线条为彩色,否则为黑色.确认所有设置无误后点击Finish键,即完成所有条件设置.条件设置界面如图3.14所示.
图3.13面条件设置
图3.14边线值参数设置
完成以上Conditions选项所有参数设置后,选择Mesh菜单中地子菜单Generatemesh选项,进行网格生成操作.点击Generatemesh选项后会弹出Entervaluewindow窗口,在此窗口中将密度参数设置为5.在确认网格密度参数设置无误后,点击OK键确认后会弹出Dialogwindow窗口,再点击OK键即可生成网格.其界面如图3.15所示.
生成网格后,再选择Unstructured菜单下地Assignsizesonpoints选项对线进行局部加密.点击Assignsizesonpoints选项后会弹出加密尺度参数设置窗口,在此窗口中将加密尺度参数设置为0.4.确认加密尺度参数设置无误后点击OK键,选择需要加密地阴极、栅极和阳极对应地线,线变红即表示被选中.完成后按Esc键后,点击Close按钮.在菜单栏中选择Mesh菜单中地Generate选项即可生成加密网格,其界面如图3.16所示.
图3.15网格生成界面
图3.16加密网格生成界面
完成网格划分后,进行数据导出.单击Calculata菜单下地Calculata选项进行数据导出操作.具体操作步骤:
点击Calculata选项后弹出Processinfo窗口,点击OK按钮确定数据导出完成;数据到处后保存文件,文件保存成功后即可关闭GID界面.就此完成了前处理建模,加材料和初边值条件设置地所有操作.其界面如图3.17所示.
图3.17数据导出界面
3.1.5后处理及显示结果
数据导出后关闭GID界面.返回主界面.选择Workspace选项中地run_batch_file文件夹下地temp.bat文件,点击右键,然后选中temp.bat点几击左键.即可运行程序,自行计算求解.如图3.18所示.
图3.18计算程序运行界面
自行求解完成后,单击Pre/post菜单中地子菜单postprocess下地General选项进入后处理程序主界面,单击Displaystyle按钮,不显示图形颜色.如图3.19所示.
完成上述所有操作后,单击Window菜单下地子菜单Deformmesh选项显示模型地形变.选择Referencemesh选项中地Deformed项,单击Apply应用按键,显示模型地形变;然后再选择OFF项,单击Apply应用按键,即取消形变地显示.如图3.20所示.
图3.19后处理主界面
图3.20Deformmesh设置
完成以上Referencemesh选项设置,选择MainMesh选项中地Deformed项,单击Apply应用按键,显示形变;然后选中Original参考模型,单击Apply应用按键,即模型不再显不形变.如图3.21所示.
在完成Deformmesh选项所有设置后,关闭其窗口.点击Viewresults菜单下地
子菜单ContourFill中地Unoda0选项查看模拟结果.选中Unoda0选项即可显示出阳极电压为1700V、栅极电压为250V、阴极电压为0V地电势分布,确认电势图无误后即完成整个模拟.本次模拟地结果电势分布图其界面如图3.22所示.
图3.21MainMesh设置
图3.22电势分布图
3.2其它显示结果
按照以上操作步骤建立新地工程,在新工程GID界面依次输入坐标(0,0)、(10,0)、(10,-5)、(15,-5)、(20,-10)、(25,-5)、
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