有源相控陣雷達狀態(tài)監(jiān)測與健康管理技術

高洪青

(南京電子技術研究所，南京 210039)

?

有源相控陣雷達狀態(tài)監(jiān)測與健康管理技術

高洪青

(南京電子技術研究所，南京 210039)

狀態(tài)監(jiān)測和健康管理技術作為新一代測試與診斷技術，是裝備自主式保障的核心系統(tǒng)之一，在保障武器裝備戰(zhàn)備完好性，提高作戰(zhàn)效能，降低全壽命周期費用等方面具有重要作用;從有源相控陣雷達的狀態(tài)監(jiān)測與健康管理入手，構建了分層式健康管理系統(tǒng)框架，以作用距離和副瓣電平等指標進行信息融合和健康評估,實現(xiàn)了有源相控陣雷達的狀態(tài)監(jiān)測和健康管理。

狀態(tài)監(jiān)測；健康管理；相控陣天線；雷達系統(tǒng)

0 引言

狀態(tài)監(jiān)測與健康管理技術作為對裝備傳統(tǒng)BIT(機內自檢)功能的進一步拓展，承擔著對武器裝備狀態(tài)的監(jiān)控和健康評估，并將原來由事件主宰的維修(事后維修)或時間相關的維修(定期維修)被基于狀態(tài)的維修(視情維修)所取代，該技術是壓縮維修保障費用，減小保障規(guī)模，降低維修費用，降低雷達壽命周期費用的重要手段。[1-3]

在大型相控陣雷達設計、研制過程中，運用現(xiàn)代測試理論并結合計算機網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等先進技術手段，同步開展測試性設計、故障預測與健康管理技術研究，建立雷達狀態(tài)監(jiān)測與健康管理系統(tǒng)軟硬件平臺，可保障雷達系統(tǒng)運行安全，提高其作戰(zhàn)效能，對促進雷達系統(tǒng)視情維修工作的順利開展，減少盲目檢修、維修次數(shù)，避免傳統(tǒng)維修體制所造成的資源浪費，提高保障資源利用率等都有十分重要的意義。[4]

1 有源相控陣雷達健康管理系統(tǒng)框架

1.1 分層式健康管理體系結構

本文采用的健康管理系統(tǒng)結構是一種分層式的體系，該體系結構的功能要素及相互關系如圖1所示。[5-7]

圖1 分層式PHM框架

1)數(shù)據(jù)獲取層，通過該層獲取狀態(tài)信息。

2)數(shù)據(jù)處理層，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計分析等功能。

3)狀態(tài)監(jiān)測層，特征數(shù)據(jù)與期望值比較，輸出狀態(tài)指示(如低、中、高等)。

4)健康評估層，監(jiān)測系統(tǒng)、分系統(tǒng)、模塊的健康情況。

5)信息融合層，完成多種信息源的融合。

6)接口層，健康管理系統(tǒng)的用戶界面和與其他系統(tǒng)的接口。

1.2 健康管理功能分類

健康管理技術是對雷達傳統(tǒng)BIT和狀態(tài)監(jiān)控功能的進一步拓展，使雷達能診斷自身的健康狀況，在事故發(fā)生前預測故障，并采用最少的維修活動實現(xiàn)維修。主要包括下列功能：①故障檢測；②故障診斷；③故障隔離；④性能監(jiān)測；⑤資源與信息管理；⑥重構支持[8-10]。

根據(jù)某雷達的維護體制、使用維護需求等特點，將雷達的健康管理分為在線健康管理和離線健康管理共兩類，其各自的主要功能如下：

在線健康管理以雷達各種BIT方式為主要信息來源，獲取各模塊的狀態(tài)信息和雷達功能參數(shù)，進行快速的故障診斷和隔離。同時根據(jù)故障隔離結果及任務需求進行模塊重構，實現(xiàn)最大限度的任務可靠性。主要功能包括：①故障檢測與隔離(以BIT為主)；②性能監(jiān)測；③資源與信息管理；④重構支持。

圖2 在線健康管理框架

離線健康管理以雷達狀態(tài)信息數(shù)據(jù)庫為核心，以便攜式維修輔助設備PMA和BIT方式為信息來源，對雷達狀態(tài)進行深層次的檢測，通過各種信息進行綜合診斷，對雷達狀態(tài)進行準確的健康評估，同時對獲取的各種雷達工作參數(shù)，通過預測模型進行故障預測。主要功能包括：①故障檢測與隔離(結合BIT與地面維護設備)；②多信息綜合診斷；③性能監(jiān)測；④健康評估。

圖3 離線健康管理框架

2 信息融合與健康評估技術

對有源相控陣雷達來說，由于組合了多個模塊、分系統(tǒng)，其運行狀況復雜，影響因素眾多，同一種故障可能有不同的表現(xiàn)形式。工程上對雷達狀態(tài)監(jiān)測過程中，不存在對所有故障敏感的特征參量，而同一種故障現(xiàn)象又常常是若干種故障共同作用的結果。故障的多樣性、不確定性和各種故障之間聯(lián)系的復雜性構成了雷達狀態(tài)評價與故障診斷的難點，僅靠單一的故障特征量和診斷方法已無法完成診斷任務。本文采用數(shù)據(jù)集成與信息融合技術來克服這一困難。

相控陣雷達由若干組件、模塊、分系統(tǒng)組成，其信息融合一般分為3種模式，即數(shù)據(jù)級融合、特征級融合和決策級融合。數(shù)據(jù)級融合是最基本的融合，通過對各種原始測試數(shù)據(jù)進行綜合、分析與融合；特征級融合是把原始測試數(shù)據(jù)先經(jīng)特征提取，再進行數(shù)據(jù)關聯(lián)和歸一化等處理，進行分析、處理和融合，實現(xiàn)雷達系統(tǒng)的健康評估；決策級融合從雷達作戰(zhàn)任務的需求出發(fā)，充分利用特征級融合所提取的特征信息，采用適當?shù)娜诤霞夹g來實現(xiàn)。

3 有源相控陣雷達天線健康管理

某雷達天線系統(tǒng)為多功能有源相控陣系統(tǒng)，能實現(xiàn)探測、干擾、高速數(shù)據(jù)通信等功能。使用過程中，TR組件的故障會導致雷達作用距離、副瓣電平等指標的變化。天線陣面健康狀態(tài)管理基于有源相控陣天線的可測試性設計，實現(xiàn)對天線TR組件的狀態(tài)進行故障檢測與隔離，判斷出每個TR組件的狀態(tài)，通過天線陣面的仿真模型，評估天線陣面的健康狀態(tài)。

3.1 作用距離評估

雷達距離方程如下：

(1)

根據(jù)雷達作用距離方程可知，雷達作用距離的下降會隨著平均發(fā)射功率PAV、發(fā)射天線增益Gt、接收天線增益Gr的變化相關。

設在雷達工作一段時間后，發(fā)射通道失效比例為α，接收通道失效比例為β，因此，失效后的發(fā)射功率

(2)

失效后的發(fā)射天線增益

(3)

失效后的接收天線增益

(4)

失效后的作用距離

(5)

因此，雷達接收增益、發(fā)射增益、輻射功率、作用距離隨TR組件通道失效的變化趨勢分別如圖4～6所示。

圖4 增益變化趨勢

圖5 輻射功率變化趨勢

圖6 雷達作用距離變化趨勢

3.2 副瓣電平評估

天線的波瓣形式體現(xiàn)了雷達能量在空間的分布情況，副瓣電平為天線波瓣的一個重要指標。副瓣電平尤其是空域平均副瓣電平直接影響雷達的抗干擾能力、干擾能力和雜波抑制處理能力，從而影響雷達目標觀測性能。天線發(fā)射或接收通道的部分失效除了對天線增益有較大影響以外，對天線的副瓣電平也存在不可忽視的影響。

雷達工作一段時間后，發(fā)射通道失效比例為α，接收通道失效比例為β。天線在發(fā)射情況下采用均勻加權，由于天線單元數(shù)量較多，發(fā)射時最大副瓣電平受通道失效的影響較小，平均副瓣電平的變化如圖7。

圖7 發(fā)射最大副瓣電平

天線在接收時采用低副瓣加權，接收通道失效對天線的最大副瓣和平均副瓣有較大的影響，其變化趨勢如圖8和圖9。

圖8 接收最大副瓣電平

圖9 接收平均副瓣電平

雷達使用過程中，可以根據(jù)作用距離、副瓣電平的變化給出天線陣面的健康評估以及雷達性能指標的健康狀況，并可劃定陣面正常、次要、臨界、惡化、嚴重等各種健康狀況的報警線，對天線陣面的健康狀況進行評估。

4 總結

本文以某雷達有源相控陣天線為應用背景，研究相控陣天線的狀態(tài)監(jiān)測與健康管理技術，實現(xiàn)動態(tài)掌握雷達現(xiàn)場使用狀況及其健康狀態(tài)發(fā)展趨勢，為相控陣雷達天線的保障工作提供及時、可靠、有效的解決方法，對推動系統(tǒng)由“反應式”維修保障向“預防式”維修保障轉變，對全面提升雷達的保障技術水平有重大意義。

[1] 連光耀, 呂曉明, 黃考利,等. 基于PHM的電子裝備故障預測系統(tǒng)實現(xiàn)關鍵技術研究[J]. 計算機測量與控制, 2010, 18(9): 1959-1961.

[2] 張寶珍. 預測與健康管理技術的發(fā)展及應用[J]. 測控技術, 2008, 27(2): 5-7.

[3] 韓國泰. 航空電子的故障預測與健康管理技術[J]. 航空電子技術, 2009, 40(1): 30-38.

[4] Mackey R., Iverson D., Pisanich G., etal. Integrated System Health Management (ISHM) Technology Demonstration Project Final Report[R]. California, USA: National Aeronautics and Space Administration, 2006.

[5] 趙寧社,翟正軍,王國慶.新一代航空電子綜合化及預測與健康管理技術[J].測控技術. 2011, 30(1): 1-5.

[6] 曾聲奎，Michael G. Pecht，吳 際. 故障預測與健康管理(PHM)技術的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].航空學報.2005(5):626-632.

[7] 潘全文，李 天，李行善.預測與健康管理系統(tǒng)體系結構研究[J].電子測量與儀器學報.2007年增刊.

[8] Jason Hines. Cost-Benefit Analysis Trade-Space Tool as a Design-Aid for the U.S. Army Vehicle Health Management System (VHMS) Program[C]. Annual Conference of the Prognostics and Health management Society, 2009.

[9] Balaban E, Saxena A. Airborne electro-mechanical actuator test stand for development of prognostic health management systems [A]. Annual Conference of the Prognostics and Health Management Socidty [C].2010.

[10] 王志鵬，呂 琛，等.飛機PHM演示驗證平臺設計技術研究[J].南京理工大學學報，2011(5)：250-255.

[11] 李 爽,李 培. 基于信息融合的校車自動變速器故障診斷新平臺與方法[J]. 西南師范大學學報(自然科學版), 2015(9):49-54.

[12] 胡 蓉,譚紅斌,馮志宇,等. GA-BP網(wǎng)絡與D-S證據(jù)相結合的多傳感器信息融合[J].重慶郵電大學學報(自然科學版),2011(2):220-230.

[13]李文輝,倪洪印. 一種改進的Adaboost訓練算法[J]. 吉林大學學報(理學版), 2011(3):498-504.

Research on Architecture of Condition Monitoring and Health Management of Active Electronically Scanned Array Radar

Gao Hongqing

(Nanjing Research Institute of Electronic Technology, Nanjing 210039, China)

As the new technology of test and diagnosis, condition monitoring and health management has been the core system of autonomous logistics of military equipment, and it has important role in ensuring the combat readiness, improving the operational effectiveness and reducing the total cycle cost of equipment. Focused on the condition monitoring and health management of active electronically scanned array antenna radar, the layered architecture of health management is constructed. By information fusion and health assessment of the character of radar range and antenna side-lobe level, the condition monitoring and health management of AESA radar is realized.

condition monitoring; health management; AESA; radar

2016-01-30；

2016-07-28。

高洪青(1975-)，男，江蘇省靖江市人，高級工程師，主要從事健康管理、綜合保障方向的研究。

1671-4598(2016)09-0146-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.040

TP393

A