李雁斌， 張 敏

（上海無線電設(shè)備研究所，上海200090）

0 概述

星載微波跟瞄雷達(dá)技術(shù)經(jīng)過近四十年的發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，先后被美國、俄羅斯、歐空局應(yīng)用在空間飛行器交會(huì)對(duì)接、深空探測(cè)以及軍事用途中。對(duì)空間目標(biāo)探測(cè)時(shí)，微波雷達(dá)安裝在“追蹤飛行器”上，可在指定空域內(nèi)對(duì)“目標(biāo)飛行器”進(jìn)行搜索和跟蹤，實(shí)時(shí)為“追蹤飛行器”提供“目標(biāo)飛行器”的測(cè)量信息，包括相對(duì)距離、相對(duì)速度、方位角、俯仰角以及角速度信息。

根據(jù)這些信息，“追蹤航天器”在空間軌道上可實(shí)現(xiàn)與“目標(biāo)航天器”的接近、對(duì)接或者繞飛?！白粉欙w行器”可以是航天飛機(jī)、小型衛(wèi)星以及空間飛行器等。

星載微波跟瞄雷達(dá)設(shè)計(jì)不僅要滿足雷達(dá)探測(cè)性能指標(biāo)要求，還要滿足總體對(duì)雷達(dá)功耗、質(zhì)量、體積的嚴(yán)格要求。同時(shí)，由于星載微波跟瞄雷達(dá)工作在外太空環(huán)境下，面對(duì)冷熱交替、真空以及輻射環(huán)境，需要進(jìn)行專門的熱設(shè)計(jì)、力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)、防靜電設(shè)計(jì)和抗輻照加固設(shè)計(jì)，以保證星載微波跟瞄雷達(dá)的可靠性［1］。

根據(jù)國內(nèi)微波雷達(dá)發(fā)展水平和用戶總體要求，對(duì)照國外星載微波雷達(dá)的發(fā)展?fàn)顩r，本文提出了星載微波跟瞄雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案，重點(diǎn)分析了工作體制、工作模式和信號(hào)設(shè)計(jì)等內(nèi)容，并對(duì)雷達(dá)的探測(cè)性能和指標(biāo)進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 雷達(dá)體制

星載微波跟瞄雷達(dá)信號(hào)體制上一般采用連續(xù)波或者脈沖信號(hào)，天線采用機(jī)械掃描或者電掃描方式。連續(xù)波雷達(dá)優(yōu)點(diǎn)是峰值功率要求低，但要求收發(fā)天線分置，測(cè)距要求信號(hào)采用調(diào)頻或者調(diào)相方式；而脈沖雷達(dá)收發(fā)天線可以共用，并可采用簡單脈沖測(cè)距。

電掃描方式具有無慣性快速掃描的優(yōu)點(diǎn)，但相控設(shè)備復(fù)雜、接收前端的T／R 組件數(shù)量多；國外星載微波跟瞄雷達(dá)大多數(shù)采用機(jī)械掃描方式，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟，缺點(diǎn)是需要采用伺服系統(tǒng)，掃描速度不及電掃描方式［2］。

綜合考慮雷達(dá)系統(tǒng)的可靠性、質(zhì)量、功耗和體積因素，建議星載微波跟瞄雷達(dá)采用技術(shù)成熟的機(jī)械掃描方式，信號(hào)采用脈沖體制。測(cè)距采用脈沖壓縮法，兼顧作用距離與測(cè)距精度；測(cè)速采用脈沖多普勒雷達(dá)體制，可進(jìn)行全相參積累有效提高檢測(cè)前信噪比。測(cè)角采用比幅單脈沖方式，可避免回波脈沖間起伏對(duì)跟蹤精度的影響。

（1）測(cè)距工作體制

星載微波跟瞄雷達(dá)的測(cè)距工作體制主要有調(diào)頻法測(cè)距、脈沖法測(cè)距和脈沖壓縮法測(cè)距。

對(duì)于非合作目標(biāo)，星載微波跟瞄雷達(dá)的接收功率與距離R4成反比，為了獲得較遠(yuǎn)的作用距離以及較高的距離分辨率和測(cè)距精度，可以選擇脈沖壓縮法測(cè)距，同時(shí)設(shè)計(jì)不同的測(cè)距工作模式，完成遠(yuǎn)、中、近距離的目標(biāo)探測(cè)和跟蹤，并有效降低雷達(dá)功耗。

例如，在遠(yuǎn)距工作模式下，微波雷達(dá)在發(fā)射時(shí)采用較大的脈沖寬度，以解決對(duì)小RCS目標(biāo)的遠(yuǎn)距探測(cè)問題，并降低對(duì)發(fā)射機(jī)和饋線承受高峰值功率的要求，便于工程實(shí)現(xiàn)。在近距模式下，采用較小的脈沖寬度，減小收發(fā)隔離引起的盲區(qū)范圍。在接收時(shí)，微波雷達(dá)通過脈沖壓縮將寬脈沖壓縮成窄脈沖，以滿足雷達(dá)測(cè)距精度要求。

（2）測(cè)速工作體制

星載微波跟瞄雷達(dá)一般采用相參積累多普勒測(cè)速工作體制，通過測(cè)量回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)間的多普勒頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)微波雷達(dá)目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的直接精密測(cè)量。由于多個(gè)脈沖回波信號(hào)之間具有很好的相參特性，可以通過脈沖間相參積累實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度的高精度測(cè)量，同時(shí)還可以改善檢測(cè)信噪比，獲得更遠(yuǎn)的作用距離，并具有良好的抗干擾能力。

（3）測(cè)角工作體制

星載微波跟瞄雷達(dá)采用單脈沖天線測(cè)角，由于天線波束寬度窄，空域?yàn)V波性能好，可大大減少從主波束進(jìn)入的多徑信號(hào)，有利于提高航天器近距離交會(huì)測(cè)量過程中抗體目標(biāo)多徑反射的能力，保證微波雷達(dá)近距離測(cè)距、測(cè)角精度。

角閃爍引起的跟蹤誤差是單脈沖測(cè)角誤差的主要來源，它和目標(biāo)的距離成反比，對(duì)近距離跟蹤的影響尤為嚴(yán)重。衛(wèi)星在太空軌道的姿態(tài)調(diào)整對(duì)近距離角度跟蹤精度要求較高，建議采用頻率捷變體制來抑制角閃爍引起的角度跟蹤誤差［3］。

1.2 工作頻率

工作頻率的選擇與雷達(dá)的功能有關(guān)。星載微波跟瞄雷達(dá)用于太空目標(biāo)的搜索和跟蹤，為降低系統(tǒng)的質(zhì)量、體制和功耗，應(yīng)首先選擇較高的工作頻率，如X 波段、Ku波段以及毫米波波段?？紤]國內(nèi)Ku波段微波器件、組件的引進(jìn)、開發(fā)、設(shè)計(jì)較成熟，如低噪聲放大器（LNA）、功率放大、接收模塊等系列比較齊全，能夠提供滿足宇航級(jí)要求的產(chǎn)品，對(duì)比其他頻段器件的發(fā)展水平，建議星載微波跟瞄雷達(dá)工作頻率優(yōu)先選擇Ku波段。

1.3 工作模式

星載微波跟瞄雷達(dá)的工作模式主要包括搜索模式和跟蹤模式。搜索模式用于捕獲目標(biāo)，跟蹤模式用于目標(biāo)跟蹤和目標(biāo)參數(shù)估計(jì)。

（1）搜索模式

對(duì)于太空目標(biāo)，按照目標(biāo)檢測(cè)方式可分為常規(guī)檢測(cè)、恒虛警檢測(cè)、預(yù)定檢測(cè)和積累檢測(cè)等搜索模式。

常規(guī)檢測(cè)即單脈沖搜索模式，用于搜索近距離目標(biāo)，和通道的脈沖回波信號(hào)經(jīng)混頻、正交化、低通濾波、A／D 變換以后與門限比較，當(dāng)超過門限若干次后（由發(fā)現(xiàn)概率、虛警概率決定）可確認(rèn)為目標(biāo)，轉(zhuǎn)入跟蹤模式。

由于雷達(dá)回波信號(hào)往往伴隨著噪聲、雜波和干擾，固定門限的檢測(cè)系統(tǒng)難以獲得恒定的虛警概率，基于自適應(yīng)門限的恒虛警檢測(cè)，尤其是距離-頻率二維恒虛警檢測(cè)技術(shù)在星載微波跟瞄雷達(dá)中得到了廣泛應(yīng)用。恒虛警檢測(cè)主要通過直接計(jì)算參考單元的平均功率作為雜波背景的均值估計(jì)，再乘以門限因子作為檢測(cè)門限，控制虛警概率。

與常規(guī)雷達(dá)檢測(cè)方法不同，星載微波跟瞄雷達(dá)通常采用預(yù)定檢測(cè)，根據(jù)星上計(jì)算機(jī)預(yù)先提供的目標(biāo)角度、距離和速度的裝訂數(shù)據(jù)，在相應(yīng)的空域、時(shí)域和頻域內(nèi)快速、有效地檢測(cè)目標(biāo)。

信號(hào)積累檢測(cè)有兩種基本方法：相參積累和非相參積累。相參積累在中頻實(shí)現(xiàn)，N 個(gè)等幅中頻脈沖信號(hào)同相累加，輸出幅度增加N 倍，功率增大N2倍，而N 各獨(dú)立同分布隨機(jī)噪聲脈沖相加后的噪聲功率增加N 倍，故相參積累使信噪比改善N 倍。

相參積累也可以在零中頻復(fù)包絡(luò)實(shí)現(xiàn)。非相參積累在包絡(luò)檢波后實(shí)施。由于檢波器的非線性處理使信號(hào)與噪聲混雜在儀器中，故非相參積累的信噪比改善要差些。

（2）跟蹤模式

在跟蹤模式下，系統(tǒng)同時(shí)要處理和、差三個(gè)通道的回波信號(hào)。跟蹤時(shí)采用頻率捷變方式來提高測(cè)角精度，可同時(shí)在距離和角度上進(jìn)行跟蹤。

衛(wèi)星控制系統(tǒng)對(duì)雷達(dá)發(fā)出工作指令，雷達(dá)根據(jù)指令進(jìn)行全域搜索或預(yù)訂區(qū)域搜索。搜索時(shí)先進(jìn)行角度搜索，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后進(jìn)行角度捕獲和距離捕獲，目標(biāo)確認(rèn)后，雷達(dá)進(jìn)入跟蹤模式，進(jìn)行角跟蹤和距離跟蹤，可進(jìn)行跟蹤過濾波，按照數(shù)據(jù)率要求提供距離、角度、速度和角速度信息。如果出現(xiàn)目標(biāo)丟失，微波雷達(dá)將保持目標(biāo)丟失時(shí)刻的天線波束指向，在保持時(shí)間內(nèi)，若目標(biāo)重新出現(xiàn)，微波雷達(dá)會(huì)立即鎖定目標(biāo)并重新進(jìn)入跟蹤狀態(tài)；否則，微波雷達(dá)將以目標(biāo)丟失時(shí)刻的天線波束指向角度為中心，啟動(dòng)角度搜索功能［4］。

2 信號(hào)參數(shù)設(shè)計(jì)

星載微波跟瞄雷達(dá)在探測(cè)近距離目標(biāo)時(shí)，一般采用短脈沖提高測(cè)距分辨力和精度，采用高脈沖重復(fù)頻率提高占空比；探測(cè)遠(yuǎn)距離目標(biāo)時(shí)，采用長脈沖提高單個(gè)脈沖的信噪比，采用低脈沖重復(fù)頻率避免距離模糊。

根據(jù)這一原理，方案中對(duì)星載微波跟瞄雷達(dá)整個(gè)探測(cè)距離進(jìn)行分段，各段距離采用不同的信號(hào)參數(shù)來優(yōu)化探測(cè)性能，分為近距離、中距離、遠(yuǎn)距離測(cè)距。為保證不丟失目標(biāo)，根據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度和區(qū)段搜索時(shí)間來確定各距離范圍的重疊區(qū)域。近距離信噪比高，目標(biāo)距離近，搜索時(shí)間要求短，可以采用單脈沖進(jìn)行搜索和跟蹤；中、遠(yuǎn)距離為提高信噪比，采用相參積累和非相參積累的混合方式進(jìn)行搜索和跟蹤［5］。

2.1 脈沖寬度

假設(shè)雷達(dá)探測(cè)范圍為（100～15 000）m，探測(cè)遠(yuǎn)距離目標(biāo)時(shí)，脈沖寬度由最大探測(cè)距離決定，脈寬取20μs。當(dāng)輸入信噪比較低的情況下，為了正確檢測(cè)目標(biāo)，可采用相參積累技術(shù)以提高信噪比。

在發(fā)射機(jī)開機(jī)期間，為了保護(hù)接收通道，必須將接收通道關(guān)閉。由于遠(yuǎn)距模式的發(fā)射脈沖寬度較寬，因此由接收通道關(guān)閉引起的作用距離盲區(qū)較大。為了解決檢測(cè)盲區(qū)問題，必須進(jìn)行模式切換，將發(fā)射信號(hào)的脈沖寬度減小。

探測(cè)近距離目標(biāo)時(shí)，脈沖寬度由最小探測(cè)距離決定，還需考慮收發(fā)開關(guān)時(shí)間延遲對(duì)遮蔽距離的影響，但是減小后的發(fā)射脈沖寬度必須保證微波的最大作用距離。

2.2 脈沖重復(fù)頻率

假設(shè)根據(jù)目標(biāo)測(cè)速的范圍要求，最大多普勒頻率為fdmax＝5kHz。最小脈沖重復(fù)頻率至少是其兩倍，即frmin＝10kHz?？紤]有效多普勒單元比例，計(jì)算時(shí)脈沖重復(fù)頻率取fr＝12kHz。探測(cè)遠(yuǎn)端目標(biāo)時(shí)，最大探測(cè)距離決定最大脈沖重復(fù)頻率frmax＝8.33kHz。

由frmin和frmax可知，探測(cè)遠(yuǎn)距離目標(biāo)時(shí)會(huì)出現(xiàn)距離速度模糊問題，為保證探測(cè)距離要求，應(yīng)采用低脈沖重復(fù)頻率fr＝8kHz，通過距離濾波來解速度模糊。

2.3 檢測(cè)信噪比

假設(shè)系統(tǒng)要求檢測(cè)概率Pd＝98%，虛警概率Pfa＝10e-6，由圖1可以得出，檢測(cè)目標(biāo)信號(hào)所需的最小輸入信噪比即檢測(cè)因子D0＝12dB。

圖1 雷達(dá)系統(tǒng)檢測(cè)概率、虛警概率與檢測(cè)信噪比關(guān)系圖

微波雷達(dá)轉(zhuǎn)入跟蹤時(shí)，為滿足精度要求，信噪比可適當(dāng)提高。

2.4 系統(tǒng)損耗

搜索時(shí)采用1.5dB波束覆蓋，天線雙程增益損失最大為3dB，跟蹤時(shí)天線增益損失可忽略。搜索和跟蹤信號(hào)處理損失為1.5dB，恒虛警損失為1.5dB，線纜傳輸損耗為2dB。

2.5 天線波束寬度

當(dāng)微波雷達(dá)的工作頻率和天線口徑確定以后，天線的主波束寬度也就基本確定了。假設(shè)微波雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)波長為λ 和天線口徑為D，微波雷達(dá)天線的和波束（主波束）-3dB 寬度約為0.89λ／D。

2.6 掃描駐留時(shí)間

掃描駐留時(shí)間主要由微波雷達(dá)的脈沖重復(fù)頻率、脈沖積累數(shù)和跳頻點(diǎn)數(shù)決定。假設(shè)微波雷達(dá)的脈沖重復(fù)頻率為fr，脈沖積累數(shù)為N 個(gè)，脈內(nèi)調(diào)頻點(diǎn)有M 個(gè)，則微波雷達(dá)對(duì)目標(biāo)回波完成一次檢測(cè)處理所需的時(shí)間ΔT＝NM／fr，而掃描駐留時(shí)間也必須大于ΔT。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)非合作目標(biāo)高的截獲概率和低的虛警概率，微波雷達(dá)目標(biāo)截獲確認(rèn)可以采用二項(xiàng)式積累檢測(cè)方法以提高雷達(dá)的檢測(cè)性能。目標(biāo)截獲準(zhǔn)則為連續(xù)判斷2幀，若連續(xù)2幀檢測(cè)到目標(biāo)即初步確認(rèn)有目標(biāo)存在，即“2取2”準(zhǔn)則。

如圖1所示，如果取單幀截獲門限為12dB，即單幀截獲概率為0.975，虛警概率為10-3，通過連續(xù)2 幀檢測(cè)均過門限，即可實(shí)現(xiàn)捕獲概率≥95%，虛警概率≤10-5的要求，等效的單次截獲門限為13dB。

因此，目標(biāo)在雷達(dá)天線主波束內(nèi)的駐留時(shí)間必須大于2ΔT，考慮到天線波束形狀對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)調(diào)制所帶來的回波能量損失，應(yīng)適當(dāng)增加目標(biāo)的駐留時(shí)間。

2.7 機(jī)構(gòu)掃描速度

當(dāng)雷達(dá)天線波束寬度和目標(biāo)駐留時(shí)間確定以后，微波雷達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的最大掃描角速度也就確定了。

按照微波雷達(dá)設(shè)計(jì)參數(shù)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)非合作目標(biāo)的可靠捕獲，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的掃描角速度應(yīng)小于天線波束寬度與波束駐留時(shí)間的比值。

考慮到驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)余量，搜索期間機(jī)構(gòu)啟動(dòng)和停止干擾力矩，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)搜索掃描角速度應(yīng)適當(dāng)減小。

3 性能分析

3.1 探測(cè)距離分析

根據(jù)雷達(dá)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指標(biāo)，借助雷達(dá)方程首先計(jì)算單個(gè)脈沖回波的探測(cè)能力，然后根據(jù)積累后的信噪比增益來分析探測(cè)能力。

采用的雷達(dá)方程如下

式中：Pt為發(fā)射脈沖峰值功率；Gt為天線增益；λ為工作波長；σ為目標(biāo)反射截面積；Fn為接收機(jī)噪聲系數(shù)；Ls為系統(tǒng)損耗；k 為波爾茲曼常數(shù)；T0為系統(tǒng)噪聲。

根據(jù)雷達(dá)方程可得到單個(gè)脈沖信噪比隨距離變化曲線，如圖2所示。三條曲線分別代表近距離（曲線1）、中距離（曲線2）和遠(yuǎn)距離（曲線3）。

圖2 單個(gè)脈沖信噪比隨距離變化曲線

（1）近距離探測(cè)

探測(cè)近距離目標(biāo)時(shí)，脈寬為0.5us，脈沖重復(fù)頻率為12kHz。如圖2曲線1所示，單個(gè)脈沖最大探測(cè)距離為1.274km，信噪比為13dB。跟蹤時(shí)相干積累時(shí)間為1.333 ms，包含16 個(gè)脈沖，5個(gè)跳頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)總時(shí)間為6.667ms，信噪比總增益為15dB，滿足跟蹤要求的信噪比。近距離探測(cè)總共為16個(gè)距離門。

（2）中距離探測(cè)

探測(cè)中距離目標(biāo)時(shí)，根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度和近距離目標(biāo)搜索時(shí)間，近、中距離覆蓋應(yīng)大于50m?？紤]雷達(dá)參數(shù)變換時(shí)間，探測(cè)脈沖寬度取6.667μs，脈沖重復(fù)頻率為12kHz。搜索積累時(shí)間為10.667ms，包含128個(gè)脈沖、5個(gè)跳頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)總時(shí)間為53.3ms，信噪比增益為24dB，由圖2曲線2 可知最大探測(cè)距離為9.7km。跟蹤時(shí)積累時(shí)間提高兩倍，包含256個(gè)脈沖、5個(gè)跳頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)總時(shí)間為106.7ms，信噪比增益為27dB，最大跟蹤距離為8km。中距離探測(cè)范圍為1km ～8km，總共8個(gè)距離門。

（3）遠(yuǎn)距離探測(cè)

探測(cè)遠(yuǎn)距離目標(biāo)時(shí)，距離覆蓋應(yīng)大于100m，脈寬應(yīng)小于52μs。考慮距離門個(gè)數(shù)至少要3個(gè)，脈寬不宜太寬，取20μs。脈沖重復(fù)頻率為8kHz。搜索積累時(shí)間為64ms，含512個(gè)脈沖，信噪比增益為27dB，由圖2 曲線3 可知最大探測(cè)距離為15km。跟蹤時(shí)積累時(shí)間提高四倍，信噪比增益為33dB，最大跟蹤距離為15km。遠(yuǎn)距離探測(cè)范圍為7.75km～15km，總共有4個(gè)距離門。

3.2 分辨率和精度

（1）測(cè)角精度

雷達(dá)系統(tǒng)的測(cè)角精度可以用系統(tǒng)輸入端的等效角噪聲的均方值來描述。微波雷達(dá)將采用單脈沖測(cè)角工作體制，其測(cè)角隨機(jī)誤差主要是由熱噪聲、單脈沖電軸抖動(dòng)、伺服控制系統(tǒng)噪聲、目標(biāo)角閃爍四種因素引起的。

除了上述隨機(jī)誤差以外還有地雜波引起的角誤差、多徑誤差、跟蹤動(dòng)態(tài)滯后誤差等其他誤差，但考慮到太空應(yīng)用環(huán)境以及該項(xiàng)目的應(yīng)用背景，地雜波、多徑、跟蹤動(dòng)態(tài)滯后、大氣折射等其他隨機(jī)誤差的影響都可以忽略不計(jì)。

測(cè)角誤差是隨機(jī)誤差，其概率分布函數(shù)為正態(tài)分布，因此其值可用均方根表示，由以上四種因素引起的測(cè)角誤差可由下面公式求出：

（2）測(cè)距精度

微波雷達(dá)測(cè)距精度主要是由熱噪聲、目標(biāo)距離閃爍、脈沖抖動(dòng)、距離量化誤差、接收機(jī)延遲五種因素引起的。

測(cè)距誤差是隨機(jī)誤差，其概率分布函數(shù)為正態(tài)分布，因此其值可用均方根表示，由以上五種因素引起的測(cè)距誤差可由下面公式求出：

（3）測(cè)速精度

微波雷達(dá)測(cè)速精度主要由熱噪聲、雷達(dá)頻率穩(wěn)定度、速度量化誤差、動(dòng)態(tài)滯后誤差四種因素引起。

測(cè)速誤差是隨機(jī)誤差，其概率分布函數(shù)為正態(tài)分布，因此其值可用均方根表示，由以上四種因素引起的測(cè)速誤差可由下面公式求出：

4 可靠性設(shè)計(jì)

基于航天應(yīng)用特別是載人航天應(yīng)用雷達(dá)系統(tǒng)的特殊性、可靠性的問題始終貫穿整個(gè)研制及應(yīng)用過程，在各個(gè)階段有不同的側(cè)重點(diǎn)。在技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)論證階段，要論證并確定系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。在方案論證與設(shè)計(jì)階段，要進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)與分配。在初樣階段要開展可靠性設(shè)計(jì)、可靠性試驗(yàn)和可靠性評(píng)估，并采取可靠性保障措施。在正樣階段，根據(jù)初樣階段可靠性試驗(yàn)及初步評(píng)估的情況，進(jìn)行修改設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高可靠性。

4.1 可靠性框圖

可靠性框圖是在對(duì)系統(tǒng)工作方式進(jìn)行認(rèn)真分析的基礎(chǔ)上繪制的。系統(tǒng)原理框圖表示系統(tǒng)單元的物理關(guān)系，而可靠性框圖或邏輯圖則表示功能關(guān)系，它表示系統(tǒng)為了完成預(yù)期的功能，各單元必須成功地工作。不容許其中任何一個(gè)單元失效，否則該系統(tǒng)就不能完成特定的功能。系統(tǒng)的物理關(guān)系和可靠性功能關(guān)系是完全不同的。

對(duì)某種失效模式，當(dāng)它出現(xiàn)時(shí)會(huì)引起系統(tǒng)不能完成規(guī)定功能，相當(dāng)于邏輯圖中的串聯(lián)單元，而這種作為串聯(lián)單元的表示法和實(shí)際的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中是否為串聯(lián)單元無關(guān)。

因此，正確構(gòu)造可靠性框圖是系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)必不可少的重要步驟，只有建立了可靠性框圖，才能進(jìn)一步開展可靠性論證、預(yù)測(cè)與分配。

4.2 可靠性預(yù)計(jì)與分配

可靠性預(yù)計(jì)和可靠性分配是可靠性設(shè)計(jì)的兩個(gè)重要環(huán)節(jié)，相互間關(guān)系密切?？煽啃苑峙涫菑南到y(tǒng)、部件到元器件，是從上而下。而可靠性預(yù)計(jì)則是從元器件直到整機(jī)和系統(tǒng)，是自下而上。對(duì)于一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，往往是在預(yù)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行分配，在分配過程中，會(huì)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，修改原設(shè)計(jì)，進(jìn)行再預(yù)計(jì)到再分配的過程，往往要重復(fù)幾次。

4.3 可靠性增長

在設(shè)計(jì)宇航應(yīng)用雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)，必須考慮從發(fā)射到運(yùn)行全過程的可靠性，為此從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)各個(gè)階段，應(yīng)采用各種措施使產(chǎn)品的可靠性得到保障與增長，主要措施：

a）選用高可靠元器件（宇航級(jí)產(chǎn)品）；

b）元器件篩選，剔除早期失效；

c）印制電路板篩選；

d）部件、組合環(huán)境適應(yīng)性篩選，包括溫度循環(huán)、振動(dòng)試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)等；

e）整機(jī)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)；

f）故障診斷、冗余部件的自動(dòng)轉(zhuǎn)換試驗(yàn)；

g）檢查成熟技術(shù)應(yīng)用情況，對(duì)不成熟技術(shù)的采用，往往是造成故障率高的重要原因；

h）在試驗(yàn)樣機(jī)研制過程中，分階段復(fù)查可靠性設(shè)計(jì)的正確性。

4.4 電磁兼容和防靜電設(shè)計(jì)

電磁兼容性表示裝置、設(shè)備或系統(tǒng)能在電磁環(huán)境下正常工作，且不對(duì)該環(huán)境中的其他裝置、設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生不可承受的電磁騷擾的能力。微波測(cè)量雷達(dá)總是在電磁環(huán)境中工作，除本身的電磁環(huán)境外，還存在周圍電子設(shè)備的電磁環(huán)境及自然環(huán)境造成的電磁環(huán)境。

為確保微波測(cè)量雷達(dá)的正常工作，要求具備抑制電磁干擾的能力，也要盡量減少電磁干擾源。為了提高星載雷達(dá)的電磁兼容能力，在各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，盡可能采用三類抑制干擾的措施，包括抑制干擾源、抑制干擾耦合通道和提高敏感電路抗干擾能力。

ESD 即靜電放電，靜電可以說是無處不在的，任何兩個(gè)不同材料的物體摩擦，都有可能產(chǎn)生靜電。ESD 使電荷在兩個(gè)帶電物體之間進(jìn)行再分配，導(dǎo)致電荷的傳導(dǎo)，形成電流并產(chǎn)生電壓降。當(dāng)帶靜電的物體接觸到有效接地的物體時(shí)，在極短時(shí)間內(nèi)積累的靜電荷會(huì)被泄放掉，典型的放電時(shí)間為0.2s到200ns。ESD 可以造成元器件損傷、電路板失效和信息丟失。為了保證星載微波雷達(dá)在研制過程中不因靜電放電造成電路及元器件故障和異常，應(yīng)充分進(jìn)行防靜電設(shè)計(jì)。

航天標(biāo)準(zhǔn)QJ1693-89規(guī)定，ESD 敏感度小于等于1kV 的ESD 敏感元器件稱為Ⅰ類ESD敏感元器件；1kV～4kV 的ESD 敏感元器件稱為Ⅱ類敏感元器件；4kV～16kV 的ESD 敏感元器件稱為Ⅲ類敏感元器件。對(duì)于ESD 敏感器件，在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，需要做專門的ESD 防護(hù)，如加裝靜電泄放裝置。

4.5 熱設(shè)計(jì)和抗力學(xué)設(shè)計(jì)

這里從可靠性的角度定性提出雷達(dá)在研制中應(yīng)充分考慮熱環(huán)境及機(jī)械環(huán)境，確保在運(yùn)輸、發(fā)射、飛行的過程中產(chǎn)品不出故障。

電子元器件的工作溫度與可靠性關(guān)系密切，任何電子器件制造時(shí)所用材料均有一定的溫度極限。當(dāng)超過這個(gè)極限時(shí)，物理性能發(fā)生變化，器件不能發(fā)揮預(yù)期的作用，導(dǎo)致故障或失效。溫度過高還會(huì)縮短產(chǎn)品的壽命，電子產(chǎn)品理想的工作溫度是室溫。飛船內(nèi)環(huán)境溫度約21°左右。

電子設(shè)備在工作過程中，必然伴隨各種形式的能量損失，這些損失又不可避免地轉(zhuǎn)換成熱能，一般有電轉(zhuǎn)化成熱、空氣動(dòng)力加熱、機(jī)械摩擦轉(zhuǎn)換成熱能。雷達(dá)在工作中主要是各種電子設(shè)備產(chǎn)生熱量，而最主要的熱源是發(fā)射機(jī)及二次電源。電子元器件抗熱強(qiáng)度差，當(dāng)工作溫度超過80℃時(shí)就會(huì)受到較大影響，而機(jī)械部件在150 ℃時(shí)影響不大。熱設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是減少設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的熱量、減小熱阻、保證電氣性能穩(wěn)定、改善可靠性、延長使用壽命。為使設(shè)備在較低的溫度下工作，應(yīng)采用良好的散熱措施。

抗力學(xué)設(shè)計(jì)主要應(yīng)考慮在運(yùn)輸和發(fā)射過程中的力學(xué)環(huán)境，力學(xué)環(huán)境主要是振動(dòng)、加速度、沖擊和聲場(chǎng)。機(jī)械振動(dòng)頻率約50 Hz ～2kHz，長期振動(dòng)使元件松動(dòng)、引線斷裂、結(jié)構(gòu)損傷，產(chǎn)生疲勞失效。導(dǎo)彈或火箭發(fā)射時(shí)沖擊可達(dá)50g（6ms），易引起超載、松動(dòng)、散架，造成突然失效。聲噪聲可達(dá)130dB以上，對(duì)電子元件均有影響，結(jié)構(gòu)可能受到破壞。

4.6 抗輻照設(shè)計(jì)

星載雷達(dá)在軌運(yùn)行期間，將遭遇地球輻射帶、太陽宇宙射線、銀河射線、等離子體等電磁輻射環(huán)境。這些離子輻射環(huán)境還隨太陽活動(dòng)和地磁活動(dòng)而變化，可對(duì)雷達(dá)產(chǎn)生電離總劑量效應(yīng)、位移損傷效應(yīng)、單粒子效應(yīng)、表面充／放電效應(yīng)、內(nèi)帶電效應(yīng)等空間輻射效應(yīng)。為了保證星載雷達(dá)在軌運(yùn)行期間不因空間輻射環(huán)境而造成故障和異常，應(yīng)充分進(jìn)行空間抗輻射設(shè)計(jì)。主要包括以下幾個(gè)方面：

a）電離總劑量效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)；

b）單粒子翻轉(zhuǎn)防護(hù)設(shè)計(jì)；

c）單粒子鎖定防護(hù)設(shè)計(jì)；

d）表面充放電效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)；

e）內(nèi)帶電效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語

星載微波雷達(dá)總體設(shè)計(jì)涉及機(jī)械、電子、微波、力學(xué)、流體、熱學(xué)、材料、控制等多種不同的學(xué)科，多個(gè)學(xué)科的最優(yōu)并不能獲得很好的綜合性能。而且空間環(huán)境條件異常復(fù)雜，還受到空間飛行試驗(yàn)機(jī)會(huì)的獲得和地面模擬技術(shù)的掌握等條件的限制，需要通過系統(tǒng)研究去解決。

因此，星載微波雷達(dá)設(shè)計(jì)應(yīng)以成熟技術(shù)為基礎(chǔ)，在保證探測(cè)性能、分辨率和精度指標(biāo)的前提下，應(yīng)盡量簡化設(shè)計(jì)方案，提高設(shè)計(jì)的可靠性。

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