雷達(dá)健康管理的性能評(píng)估方法

劉應(yīng)剛，于興偉

(1. 解放軍95921部隊(duì)，　山東 蒙陰 276216)

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雷達(dá)健康管理的性能評(píng)估方法

劉應(yīng)剛，于興偉

(1. 解放軍95921部隊(duì)，山東 蒙陰 276216)

摘要：針對(duì)相控陣?yán)走_(dá)，分析了陣面性能對(duì)雷達(dá)戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的影響，提出了利用相控陣多通道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息評(píng)估雷達(dá)戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的方法。仿真結(jié)果顯示：利用該方法可有效評(píng)估相控陣?yán)走_(dá)陣面的健康狀態(tài)以及陣面性能惡化對(duì)雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)的影響，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)健康管理與維修保障的有機(jī)結(jié)合，提升雷達(dá)全壽命周期保障的智能化程度。同時(shí)，對(duì)提高雷達(dá)作戰(zhàn)效能和戰(zhàn)斗力快速生成具有重要意義。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)；綜合保障；性能評(píng)估；預(yù)測(cè)與健康管理

0引言

進(jìn)入21世紀(jì)后，為滿足對(duì)隱身飛機(jī)、彈道導(dǎo)彈和臨近空間目標(biāo)等新型威脅目標(biāo)的探測(cè)需求，相控陣、數(shù)字化等新技術(shù)在雷達(dá)中獲得廣泛應(yīng)用，雷達(dá)設(shè)備規(guī)模顯著增加，面臨的維修保障任務(wù)越來(lái)越復(fù)雜。故障預(yù)測(cè)與健康管理(PHM)是用于武器裝備維修保障的一項(xiàng)新技術(shù)，已在美軍聯(lián)合攻擊戰(zhàn)機(jī)(JSF)等武器裝備中成功應(yīng)用。在雷達(dá)裝備中也迫切需要使用這項(xiàng)新技術(shù)，以便提升雷達(dá)維修保障的能力。

PHM技術(shù)是對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)傳統(tǒng)使用的機(jī)內(nèi)測(cè)試(BIT)和狀態(tài)(健康)監(jiān)控能力的進(jìn)一步擴(kuò)展，它是從設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控向健康管理的轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變引入了對(duì)系統(tǒng)未來(lái)可靠性的預(yù)測(cè)能力，借助這種能力識(shí)別和管理故障的發(fā)生、規(guī)劃維修和供應(yīng)保障，其主要目的是降低使用與保障費(fèi)用，提高系統(tǒng)安全性、完好性和任務(wù)成功性，從而以較少的維修投入，實(shí)現(xiàn)視情維修和自主式保障。

雷達(dá)健康管理[1]是指利用雷達(dá)BIT的測(cè)試數(shù)據(jù)、故障診斷結(jié)果、維修資源信息以及其他相關(guān)信息，對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的健康狀態(tài)和執(zhí)行任務(wù)的能力進(jìn)行實(shí)時(shí)分析評(píng)估，并根據(jù)分析評(píng)估結(jié)果自動(dòng)進(jìn)行維修決策，以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)全壽命周期維修保障的自主化和智能化。

在現(xiàn)代相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中，陣面分系統(tǒng)設(shè)備量大、成本高，是雷達(dá)最關(guān)鍵的分系統(tǒng)，其健康狀態(tài)對(duì)整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)有很大影響。如何評(píng)估陣面分系統(tǒng)的健康狀態(tài)以及陣面性能惡化對(duì)雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)的影響是雷達(dá)健康管理技術(shù)的重要研究?jī)?nèi)容。本文在分析相控陣陣面性能對(duì)雷達(dá)戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的影響的基礎(chǔ)上，提出了利用相控陣多通道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息評(píng)估雷達(dá)戰(zhàn)技術(shù)性能的方法，并利用計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證方法，分析了陣面不同故障狀態(tài)對(duì)天線方向圖參數(shù)和雷達(dá)性能參數(shù)的影響，給出了陣面分系統(tǒng)和整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的健康評(píng)價(jià)參數(shù)。

1雷達(dá)健康管理的原理

雷達(dá)綜合保障信息系統(tǒng)[2-3]利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，以雷達(dá)裝備履歷為信息管理主線，以裝備維修業(yè)務(wù)管理為重點(diǎn)，對(duì)裝備相關(guān)保障信息進(jìn)行自動(dòng)分析與處理，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)裝備技術(shù)保障、供應(yīng)保障、維修保障等業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化、透明化、科學(xué)化、可視化管理。如圖1所示,綜合保障信息系統(tǒng)功能是根據(jù)雷達(dá)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)(雷達(dá)健康管理系統(tǒng)提供)、故障(自動(dòng)測(cè)試獲得)和按技術(shù)資料規(guī)定的維護(hù)要求等保障需求，制定維修與維護(hù)計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維修；并通過(guò)裝備性能分析，為保障方案和裝備性能進(jìn)行適用性評(píng)估，提供改進(jìn)信息。

在綜合保障信息化系統(tǒng)引入PHM技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)雷達(dá)由預(yù)防性維修向預(yù)測(cè)性維修轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)全壽命周期保障的自主化、智能化。雷達(dá)PHM技術(shù)能使雷達(dá)在線診斷自身的健康狀況，并能通過(guò)最少的維修活動(dòng)實(shí)現(xiàn)維修。通過(guò)健康管理將雷達(dá)系統(tǒng)健康狀態(tài)和雷達(dá)維修保障統(tǒng)籌考慮，打破裝備與保障之間的界限，使信息在雷達(dá)系統(tǒng)與保障信息管理系統(tǒng)之間傳遞更加流暢。

雷達(dá)健康管理的主要任務(wù)包括信息采集、特征參數(shù)計(jì)算、性能評(píng)估、故障預(yù)測(cè)等。在設(shè)計(jì)時(shí)，主要包括如下工作：

(1)分析和確定設(shè)備組件的失效模式，根據(jù)PHM指標(biāo)確定健康監(jiān)測(cè)內(nèi)容；

(2)確定健康標(biāo)準(zhǔn)和健康診斷邏輯；

(3)設(shè)計(jì)BIT的狀態(tài)與故障實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力；

(4)設(shè)計(jì)對(duì)故障的隔離、修復(fù)和容錯(cuò)能力；

(5)確定主要特征參數(shù)及雷達(dá)性能評(píng)估方法；

(6)設(shè)計(jì)雷達(dá)系統(tǒng)健康信息的處理與預(yù)測(cè)維修流程及方法。

2雷達(dá)陣面對(duì)雷達(dá)戰(zhàn)術(shù)性能影響分析

根據(jù)雷達(dá)威力方程[4]和角度測(cè)量方程，相控陣?yán)走_(dá)陣面的天線方向圖增益、波束寬度、波束指向精度和副瓣電平對(duì)雷達(dá)探測(cè)威力、探測(cè)角度精度和抗副瓣干擾自衛(wèi)距離的影響如式(1)~式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

相控陣?yán)走_(dá)天線波束形成原理如圖2所示，方向圖參數(shù)[5]可以用式(4)評(píng)估。

圖2　相控陣?yán)走_(dá)天線方向圖形成原理

(4)

式中：Ii為第i個(gè)通道的完好狀態(tài)(當(dāng)通道正常時(shí)，Ii=1；當(dāng)通道故障時(shí)，It=0)；ai為通道幅相誤差；ωi為波束加權(quán)系數(shù)。

3雷達(dá)健康狀態(tài)評(píng)估方法

雷達(dá)健康評(píng)估涉及到對(duì)雷達(dá)陣面、接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)處理和顯控等多個(gè)分系統(tǒng)的評(píng)估。由于相控陣?yán)走_(dá)陣面設(shè)備量大，少量通道故障不會(huì)顯著影響雷達(dá)性能，在不同作戰(zhàn)任務(wù)剖面下，評(píng)估雷達(dá)能否有效完成作戰(zhàn)任務(wù)是當(dāng)前亟需解決的問題。本文選取相控陣?yán)走_(dá)的陣面性能對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的健康狀態(tài)影響進(jìn)行評(píng)估。

雷達(dá)性能實(shí)時(shí)評(píng)估流程如圖3所示。

圖3雷達(dá)性能評(píng)估流程

首先，收集相控陣天線陣面監(jiān)測(cè)獲得的通道幅相誤差數(shù)據(jù)和通道故障數(shù)量、分布位置等信息。然后，按照式(1)~式(4)實(shí)時(shí)計(jì)算天線方向圖，定量計(jì)算性能劣化后的雷達(dá)探測(cè)威力、測(cè)角精度和雷達(dá)天線副瓣抗干擾自衛(wèi)距離。最后，根據(jù)不同作戰(zhàn)任務(wù)剖面，判定雷達(dá)是否具備完成任務(wù)能力，給指揮員提供定量判定雷達(dá)完成任務(wù)能力的依據(jù)，為裝備維修保障人員制定維修任務(wù)計(jì)劃提供支撐。

根據(jù)雷達(dá)擔(dān)負(fù)作戰(zhàn)任務(wù)的剖面要求，制定執(zhí)行任務(wù)時(shí)雷達(dá)性能指標(biāo)劣化的允許下限值，將指標(biāo)設(shè)計(jì)值、實(shí)時(shí)計(jì)算值和允許下限值填入表1中，指揮員可以明確地判定雷達(dá)能否有效執(zhí)行該項(xiàng)任務(wù)，技勤人員以此為依據(jù)制定維修計(jì)劃，確保雷達(dá)具有較高的戰(zhàn)勤完好率。

表1　雷達(dá)性能實(shí)時(shí)評(píng)估記錄表

4雷達(dá)健康仿真評(píng)估

為檢驗(yàn)雷達(dá)性能評(píng)估方法的有效性，使用60×50的3 000陣元面陣，考慮陣面通道誤差和故障通道不同數(shù)量和分布，仿真分析天線指標(biāo)對(duì)雷達(dá)性能的影響，判定雷達(dá)性能實(shí)時(shí)評(píng)估的有效性。

4.1仿真試驗(yàn)1

1)仿真條件

天線總單元數(shù)為3 000個(gè)，單元通道誤差為均勻分布：幅度均方根誤差為0.5 dB，相位誤差為5°，故障通道數(shù)(收發(fā)同時(shí)失效)為296個(gè)，通道失效模型為隨機(jī)分布。

2)方向圖計(jì)算

根據(jù)式(4)計(jì)算天線失效后的方向圖，并計(jì)算方向圖參數(shù)劣化的具體數(shù)值，填入表2，主方向圖如圖4所示。

圖4試驗(yàn)1天線失效單元分布和方向圖

表2　天線方向圖參數(shù)的實(shí)時(shí)計(jì)算值

從計(jì)算結(jié)果看出：通道失效模型隨機(jī)分布，失效單元相對(duì)數(shù)量較少時(shí)，對(duì)天線增益和副瓣電平影響較大，對(duì)波束寬度和波束指向參數(shù)幾乎沒有影響。

3)雷達(dá)性能計(jì)算與評(píng)估

表3中第二列數(shù)據(jù)是雷達(dá)的設(shè)計(jì)指標(biāo)值，第三列數(shù)據(jù)是在不影響任務(wù)執(zhí)行情況下，雷達(dá)指標(biāo)允許下降的限值，第四列數(shù)據(jù)是雷達(dá)工作情況下，由于陣面通道失效引起的天線指標(biāo)實(shí)時(shí)下降值?？梢钥闯觯弘S機(jī)失效情況下，當(dāng)失效單元通道數(shù)量較少時(shí)，基本不影響雷達(dá)性能指標(biāo)。

4.2仿真試驗(yàn)2

1)仿真條件

天線總單元數(shù)為3 000個(gè)，均勻分布的通道：幅度均方根誤差為0.5 dB，相位誤差為5°，故障通道數(shù)(收發(fā)同時(shí)失效)為825個(gè)，通道失效模型為非均勻分布。

2)方向圖計(jì)算

劣化的方向圖參數(shù)具體數(shù)值見表4，主方向圖如圖5所示。

表4　天線方向圖參數(shù)的實(shí)時(shí)計(jì)算值

從計(jì)算結(jié)果看出：通道失效模型非均勻分布，失效通道數(shù)量較多時(shí)，不僅對(duì)天線增益和副瓣電平影響較大，還影響波束寬度。當(dāng)失效通道分布嚴(yán)重偏向一側(cè)時(shí)，如仍然按照原陣面加權(quán)，波束形狀變形嚴(yán)重，導(dǎo)致波束中心指向出現(xiàn)偏差。

圖5試驗(yàn)2天線失效單元分布和方向圖

3)雷達(dá)性能計(jì)算與評(píng)估

從表5中可以看出：當(dāng)非均勻失效模式下，失效單元通道數(shù)量較大時(shí)，將嚴(yán)重影響雷達(dá)性能指標(biāo)。

表5　雷達(dá)性能實(shí)時(shí)評(píng)估記錄表

注：假設(shè)雷達(dá)測(cè)角精度0.2°，約為波束寬度的1/12。

5結(jié)束語(yǔ)

本文在分析影響相控陣?yán)走_(dá)性能主要因素的基礎(chǔ)上，提出了利用相控陣多通道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息準(zhǔn)確計(jì)算雷達(dá)戰(zhàn)技術(shù)性能的方法，仿真計(jì)算表明：該方法可有效評(píng)估雷達(dá)健康狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)PHM和維修保障的有機(jī)結(jié)合，提升雷達(dá)全壽命周期保障的智能化程度，對(duì)提高雷達(dá)作戰(zhàn)效能和戰(zhàn)斗力快速生成具有重要意義。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]石君友．測(cè)試型設(shè)計(jì)分析與驗(yàn)證[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社, 2011.

Shi Junyou. Testability design analysis and verification[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2011.

[2]曹振華．雷達(dá)綜合保障信息系統(tǒng)研究[J]．現(xiàn)代雷達(dá)，2013,35(10)：9-12.

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Skolmik M I. Radar handbook[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2006.

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Zhang Guangyi，Zhao Yujie.Techniques of phased array radar[M]. Beijing：Publishing House of Electronics Industry, 2006.

劉應(yīng)剛男，1974年生，工程師。研究方向?yàn)槌袚?dān)雷達(dá)裝備管理工作。

于興偉男，1983年生，工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)裝備管理與維修。

·信號(hào)/數(shù)據(jù)處理· DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.11.005

·總體工程· DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.11.004

Performance Evaluation Method for Radar Health Management

LIU Yingang，YU Xingwei

(The Unit 95921 of PLA,Mengyin 276216, China)

Abstract：Aiming at phased array radar system, the impact of antenna′s performance on radar's tactical and technical characteristics is analyzed, and then a novel method is proposed to evaluate radar's tactical and technical characteristics employing the phased array multi-channel real-time monitoring data. It is indicated by the simulation result that the proposed method could effectively evaluate the health state of phased array radar′s antenna and the impact of antenna′s performance declination on radar′s tactical and technical characteristics. The methodology realized the organic combination between radar's health management and maintenance support, which would produce significant meaning to improve the intelligence level of life-cycle integrated logistic support, and enhance radar's battle efficiency and effectiveness.

Key words：radar; integrated logistic support; performance evaluation; prognostics and health management

收稿日期：2015-07-14

修訂日期：2015-09-29

通信作者：劉應(yīng)剛Email：894310988@qq.com

中圖分類號(hào)：TN958.92

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-7859(2015)11-0012-04