合成孔径雷达系统设计的可靠性技术研究_许一力.docx
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1、分类号 、卜 ru 密级 . UDC _ 编号 . 中国科学院研究生院 硕士学位论文 合成孔径雷达系统设计的可靠性技术研究 许一力 指导教师 _ 张 平 教 授 _ _ 中国科学院电子学研究所 _ 申请学位级别 硕士 学科专业名称 通信与信号系统 论文提交日期 2005年 5月 论文答辩日期 2005年 6月 培养单位 _ 中国科学院电子学研究所 _ 学位授予单位 中国科学院研究生院 _ 答 辩 委 员 会 主 席 孑 研究成果声明 本人郑重声明:所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得 的研究成果。尽我所知,文中除特别标注和致谢的地方外,学位论文中不包含其他人已经发 表或
2、撰写过的研究成果,也不包含为获得中国科学院电子学研究所或其它教育机构的学位或 证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均己在学位论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 特此申明。 签名 : 一心 日期 : 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中国科学院电子学研究所有关保留、使用学位论文的规定,其中包括: 电子所有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件 , 电子所可以采用影印、 缩印或其它复制手段复制并保存学位论文; 电子所可允许学位论文被查阅或借阅; 电子 所可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文; 电子所可以公布学位论文的全部或部 分内容 ( 保密学位论
3、文在解密后遵守此规定)。 导 师签名:日期:如 摘要 可靠性工程起源于对电子设备元器件的损坏率太高且时间不确定而导致设 备随时间不确定这种现象的研究。它作为一门新兴的工程学科,已成为衡量产品 质量的重要指标之一。在航天产品中,这种可靠性工程尤其显得重要。 可靠性工程包括可靠性设计、可靠性分析等内容。论文结合我国正在研制的 星载合成孔径雷达 ( SAR, Synthetic Aperture Radar),首先阐述了 SAR工作的 基本原理和可靠度的重要性,在介绍可靠性预计和故障树分析操作流程的基础 上,对雷达的两个分系统 - 监控计算机和定时器进行了模块划分和可靠性建 模,重点是对两个分机实行
4、了可靠性预计和故障树分析。可靠性预计是雷达可靠 性设计从定性考虑转入定量分析的关键,也是实施可靠性工程的基础。本文的可 靠性预计采用对电子器件比较适合的元器件计数法和元器件应力分析法,并对两 种方法的预计结果进行了比较,特别是通过应力分析法的应力结果对元器件的可 靠性措施提出自己的意见,并改善了电路的设计。 故障树分析是产品(系统 ) 可靠性和安全性分析的工具之一。在故障树分 析法中,在建造故障树实行定量分析的基础上,判 明潜在系统故障或灾难性危险 因素,发现可靠性和安全性薄弱环节,得出模块的重要度,并对重要度髙的模块 给予改进措施,从而提高了整机的可靠度。 在可靠性预计和故障树分析之后,论文
5、在可靠性设计的各个方面,也提出了 自己的想法,避免薄弱环节,为保证雷达系统三年可靠地运行做出了一点贡献。 关键词: 合成孔径雷达,可靠性,可靠性预计,故障树分析,可靠性设计 Abstract Reliability engineering originates in the research of equipments uncertainty with the time because of the damage rate of the electronic equipment. As a new emergencing engineering course, it has become th
6、e important index to measure the quality of products. It is particularly important in the aeronautical products. Reliability engineering includes the reliability prediction、 fault tree analysis and so on. With the spacebome synthetic aperture radar being development in china, this thesis explains th
7、e basic principle of the working of the SAR and the importance of the reliability. On the basis of the introduction of the reliability prediction and fault tree analysis, we divided the monitor and control computer and timer ? then constitute the reliability model for them. I concentrate my research
8、 work towards the reliability prediction and fault tree analysis of the two systems of the Radar. Raliability is the key of the transferation of the qualitative analysis to the quantitative analysis and is also the basis of the implementation of the reliability engineering. I apply the component-enu
9、merative prediction and stress analysis which are suitable for the electronic equipments and compare the two prediction results. In the stress analysis, the shortcomings of the design are found and improved. Fault tree analysis is one of the instruments to analyse the reliability and security of the
10、 aeronautical products.On the basis of the quantitative analysis after the construction of the fault tree, the fault tree analysis can know the system and dangerous factors and find the shortcomings of the reliability and security. It can also calculate the importance of the part and give the measur
11、ements to increase the reliability.So the reliability can be improved. After the reliability prediction and fault tree analysis, I also give my own opinion of the reliability designation to avoid the shortcomings of the system so is to contribute to the reliable 3-year run of the Radar. Keywords: sy
12、nthetic aperture radar, reliability, reliability prediction, Fault tree analysis, reliability design 目录 第一章:绪言 1. 1星载 SAR发展及现状 . 1 1. 2研究内容的起源和现状 . 7 1. 3可靠性设计的主要内容 . 10 1_ 3.1建立可靠性模型 . 12 1.3. 2可靠性指标分配 . 14 1. 4论文的主要内容和贡献 . 15 第二章:可靠性预计和故障树分析 2. 1可靠性预计的目的和作用 . 19 2.1.1可靠性预计的目的 . 20 2. 1. 2可靠性预计的作用
13、. 20 2. 2可靠性预计的方法和发展方向 . 21 2. 3故障树分析的原理和特点 . 25 2.3.1 FTA的作用和特点 . 27 2.3.2 FTA的分析准备 . 28 2. 4故障树分析的步骤和应注意的问题 . 29 2. 4.1选择顶事件 . 30 2. 4. 2建造故障树 . 31 2. 4. 3定性分析 . 31 2. 4. 3.1 上行法 . 32 2. 4. 3.2 下行法 . 32 2. 4. 3. 3定性分析结果的应用 . 33 2. 4. 4定量分析 . 34 2. 4. 4.1顶事件发生的概率的计算 . 34 2. 4.4.2底事件重要度的计算 . 36 2. 4
14、.4. 3故障树分析要注意的问题 . 38 第三章:监控计算机的可靠性预计和故障树分析 3. 1监控计算机介绍和可靠度分配 . 39 3. 1.1监控计算机的功能 . 40 3. 1.2分机可靠性指标及其分配 . 41 3. 2监控计算机的元器件计数法预计 . 42 3. 3监控计算机的元器件应力分析法预计 . 47 3. 4监控计算机的故障树分析 . 56 第四章 .定时器的可靠性预计和故障树分析 4. 1定时器的功能和组成 . 60 4. 2定时器的可靠性预计 . 62 4. 3定时器的可靠性设计 . 68 4. 4定时器的故障树分析 . 71 第五章:结束语 . 75 硕士期间发表的论文
15、 . 76 参考文献 . 77 _ . 78 麵 . 84 第一章绪言 第一章绪言 1.1星载 SAR发展及现状 合成孔径雷达 ( Synthetic Aperture Radar简称 SAR)是一种新型成像雷达系 统,通过一定的信号处理方法,可以得到雷达照射区域直观的空间可视图像,具 有常规雷达无法比拟的距离向和方位向两维高分辨率特性,以及成像范围广阔、 全天候和穿透力强的优点,是现代雷达技术的重要发展方向之一。 SAR经过 40 多年的发展,已经成了一种通用的侦察、监视和目标瞄准标准。目前,许多新的 SAR应用途径仍在研究之中,包括从卫星到无人侦察机,从长期战略侦察到穿 透战区内的各类伪装
16、等。 由于其工作波长使得它们能够穿透云和尘埃,在能见度极差的气象条件下得 到类似光学照相的高分辨率图像。自五十年代以来, SAR作为高分辨率微波成 像雷达逐渐发展起来。 SAR图像是地域目标的微波散射特性,采用多波段、多 极化微波可以得到地面不同的信息,甚至能穿透一定的障碍物进行地下探测,因 此 SAR相对于一般的光学图像,不仅不受天气影响,而且在图像的信息量上也 具有相当的优势,在国防、地质、自然资源勘探与监测、地型测绘、海洋观测、 灾害估计等领域中得到了广泛的应用。 】 978年美国发射了 SEASAT卫星,首次成功地实施合成孔径雷达对地观测, 引起全世界关注。许多国家展开了星载 SAR系
17、统的研究,在航空、遥感领域的 会议和杂志上出现大量关于星载 SAR系统设计、算法优化和可靠性的论文。此 后,美国于1981年和 1984年相继发射了 “ 航天飞机成像雷达 ” SIR-A和 SIR-B, 1994年发射了 SIR-C/X-SAR。 前苏联、欧空局、日本、加拿大等国也先后发射 了自己的 SAR卫星。伴随着星载 SAR技术的发展, SAR在军事侦察、资源调查、 环境监测中发挥了重大的作用。如在 1991年的海湾战争中,美国联合监视和目 标攻击雷达系统 ( Joint-Stars)中的高分辨率机载 SAR与 “ 长曲棍球 ” ( Lacrosse) 星载 SAR系统相配合,完全覆盖了
18、海湾和地中海地区,有效地保障了战前的准 备和战争爆发后战场情报侦察的需要。 从 50年代后期开始, SAR雷达就配装在诸如 RB-47H和 RB-57D等的众多 战略侦察机上。特别是近期,它还成功地装载在形式非常复杂的平台上投入应用, 1 第一章绪言 例如 E-8JSTARS(联合监视和目标攻击雷达系统 )。现在,新的研究致力于将 SAR 作为新一代无人机 (UAV)的主要负载。在处理能力上的进展将意味着人们可以从 它们所产生的图像中获得更加详尽的信息。 同时由于合成孔径雷达卫星在灾害监测、环境监测、海洋观测、资源勘察、 农作物调查估产、森林调查、测绘和军事等方面具有独特的应用效果,在某些情
19、况下,能起到其它对地观测卫星起不到的作用。各用户迫切的希望进一步发展和 提高 SAR卫星的技术水平,以拓宽其应用领域。为此,近十年来,各国投入了 大量资金,使 SAR卫星技术得到迅速发展。总的来说, SAR的发展主要体现在 如下的几个方面。 1) 分辨率 图像的分辨率一直是用户关心的首要问题。据统计, 0.3米图像分辨率对坦 克、战车等目标可以 识别 80%, 1米图像分辨率只能识别 30%。识别巡洋舰、驱 逐舰等舰船的类型只需要 1米的分辨率。 1米的分辨率还可以识别飞机的类别。 理论上,条带式星载 SAR的图像分辨率值取决于天线的长度(方位向)和 信号频带的宽度 ( 距离向),与卫星高度无
20、关。实际上分辨率却要受到发射功率 的限制和卫星运动即姿态随机偏差的影响。为了获得高分辨率的图像,一般采用 聚束式工作模式,可以获得 0.3米 -1米分辨率的块状雷达图像。为了连续获得小 于 1米的高分辨率雷达图像,多波束工作模式的实现条带式高分辨率雷达图像的 一条值得研究的技术途 径。 目前,据美国公开的资料称,其星载 SAR的条带式雷达图像的分辨率可达 1米,聚束式雷达图像的分辨率可达 0.3米;其机载 SAR的条带式雷达图像的分 辨率可达0.3米,聚束式雷达图像的分辨率可达 0.1米。 国际上商业用途的合成孔径雷达的发展也是十分迅速的,例如加拿大 1995 年发射的 Radarsat-1分
21、辨率可达 9x8米,而计划于 2004年发射的 Radarsat-2分 辨率可达 3x3米;欧洲 Em, isat-1分辨率也可以达到 30x30米。 但需要指出的是当图像分辨率达到相当高后,再提高分辨率对识别目标的作 用将不再明显,这时,极化方式、工作波段和照射方向也将发挥重要作用。 2) 多极化 所谓极化是指发射和接收电磁波时电场强度的取向。主要采用 HH、 HV、 2 第一章绪言 VH、 W等四种极化方式 ( HH表示发射和接收都采用水平极化,其他类推 )。 极化不同,目标对电磁波的响应也不同,从目标的散射波中可以得到幅度、相位 以外的附加信息。星载 SAR的应用研究表明,利用不同的极化
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