基于健康管理的有源相控陣雷達威力性能評估方法

(南京電子技術研究所，南京 210039)

0 引言

近年來，隨著部隊實戰(zhàn)化訓練要求以及設備復雜性增加，裝備保障任務急劇增加，對裝備保障和使用部門帶來極大的壓力。有源相控陣雷達作為作戰(zhàn)系統(tǒng)的核心傳感器，擔負戰(zhàn)備任務多、使用頻率高，必須時刻保持良好的作戰(zhàn)狀態(tài)，迫切需要采用故障預測和健康管理(PHM)方法，提高自主式保障能力，降低保障的壓力，提升保障效率。

故障預測與健康管理技術早在2000年就被列入美國《軍用關鍵技術》報告，美國國防部將嵌入式診斷和預測技術視作降低壽命周期費用和實現(xiàn)最佳戰(zhàn)備完好性的基礎，明確確立了裝備健康管理是實現(xiàn)武器裝備戰(zhàn)備完好性和經(jīng)濟性的重要地位。目前故障預測與健康管理已經(jīng)成為美國國防部采購武器系統(tǒng)一項要求，是下一代艦船、車輛特別是飛機等系統(tǒng)設計和使用的極為重要一部分。健康管理的內涵主要包含以下幾個方面：

1)故障檢測技術:通過對設備的狀態(tài)監(jiān)視，并結合專業(yè)的測試手段以及系統(tǒng)級測試、分析，獲得故障檢測結果。

2)綜合診斷技術:通過收集和處理關鍵設備的性能信息(單點故障等)，預計部件壽命并為預防性維修提供技術支撐，為備件籌備提供理論依據(jù)。

3)基于數(shù)據(jù)的決策技術:建立歷史故障信息的故障庫，通過專家支持系統(tǒng)分析，提供預測結果并并對可用資源和使用需求提供決策，即實現(xiàn)裝備健康管理。

1 傳統(tǒng)雷達的BIT設計

雷達BIT的任務就是故障檢測與故障隔離( 隔離到可更換單元) ，能夠及時發(fā)現(xiàn)整機及各子系統(tǒng)的故障, 迅速、準確地將故障隔離到最小可更換單元。BIT系統(tǒng)結構層次一般由LRU級BIT、分機級BIT和整機級BIT形成。LRU級BIT是這種分層式設計BIT的最底層，是整個系統(tǒng)的基礎；各級BIT之間通過總線連接。雷達工作后，雷達分機監(jiān)測模塊自動工作，低一級的BIT將其結果傳給上一級的BIT和整機BIT進行分析；整機BIT綜合分析各子系統(tǒng)級BIT的信息，通過邏輯判斷給定相應的故障信息和隔離信息，得出最終結論。傳統(tǒng)雷達BIT結構框圖如下圖1所示。

圖1 雷達系統(tǒng)BIT結構示意圖

在流程的設計上，一般情況下雷達BIT設計包括加電BIT、周期BIT、啟動BIT 和故障隔離程序：加電BIT 是在系統(tǒng)開機之初對雷達各系統(tǒng)進行的詳細檢測，以確定雷達是否進入正常工作狀態(tài)；周期BIT是定期對雷達各系統(tǒng)的設定點進行測試和檢查, 以確定雷達在運行過程中的狀態(tài)；啟動BIT是在加電BIT和周期BIT的基礎上，對各系統(tǒng)及功能模塊進行的檢測，粗略進行故障隔離和定位，為故障隔離BIT提供可靠的依據(jù)；故障隔離程序是在啟動BIT無法將故障定位到最小可更換單元時，通過啟動運行故障隔離程序，精確定位故障。

傳統(tǒng)的雷達BIT設計，主要是通過對關鍵的LRU功能進行監(jiān)視、測量對設備狀態(tài)好壞進行判斷，機內BIT對于一些性能指標很難進行定量檢測或檢測深度不夠，同時缺乏對整個裝備的系統(tǒng)性能評估和支持，可能出現(xiàn)在BIT無明顯故障征兆的情況下而整機性能的變化(下降)，這直接影響著雷達的作戰(zhàn)能力[1]。如在一般的監(jiān)視雷達中，如果通道一致性不好會使雷達對目標的跟蹤發(fā)生偏差，導致測高不準；在制導雷達中，類似的故障現(xiàn)象會導致目標無法實現(xiàn)正常的跟蹤，導致作戰(zhàn)系統(tǒng)無法實現(xiàn)目標打擊。因此基于整個雷達系統(tǒng)關鍵性能技術指標(天線增益、發(fā)射功率、噪聲靈敏度)監(jiān)控極為重要，通過關鍵指標的測量，從而實現(xiàn)對諸如威力、精度以及系統(tǒng)改善因子等整機性能評估。相控陣雷達作為復雜的電子系統(tǒng)，健康管理系統(tǒng)通過雷達BIT的測試數(shù)據(jù)分析挖掘，提供故障診斷結果，實現(xiàn)對雷達系統(tǒng)的狀態(tài)進行實時分析評估，并根據(jù)分析評估結果自動進行維修決策，提高裝備效能。

圖2 典型雷達系統(tǒng)BIT處理流程示意圖

2 有源相控陣雷達健康管理方案

對于有源相控陣雷達裝備而言，健康管理需要實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)視(BIT)、健康評估以及故障預測，按照健康管理觀點，有源相控陣雷達健康管理的系統(tǒng)框架如圖3。雷達關鍵性能的監(jiān)視是健康管理的基礎，通過綜合診斷的分析完成對雷達性能的評估。相控陣雷達的健康設計考慮如下：

1)確定健康標準和健康診斷邏輯；

2)確定狀態(tài)實時監(jiān)測能力，設置監(jiān)測指標和監(jiān)測點及；

3)設計對故障的隔離、修復能力；

4)確定主要特征參數(shù)及雷達性能評估方法；

5)設計雷達系統(tǒng)健康信息的處理與預測維修流程及方法。

圖3 相控陣雷達系統(tǒng)健康管理架構設計

2.1 有源相控陣雷達的健康標準和方法

裝備的健康狀態(tài)描述了裝備及其組成執(zhí)行功能的能力。裝備的健康狀態(tài)一般是通過測試數(shù)據(jù)來表征的，測試數(shù)據(jù)偏離標準值的程度越大，其健康狀態(tài)越差，因此裝備的健康狀態(tài)在一定程度上可表現(xiàn)為測試數(shù)據(jù)偏離標準值的程度。對于地面有源相控陣雷達探測而言，雷達的威力和探測精度是核心指標，而這兩個指標需要通過輻射功率、系統(tǒng)靈敏度、天線增益(波束寬度)、脈沖寬度以及通道處理的損失等關鍵指標進行測量評估，如果考慮到雜波抑制以及抗干擾性能，還需要增加系統(tǒng)穩(wěn)定性、天線副瓣電平、動態(tài)范圍、發(fā)射的諧波雜散等指標。此外，有些指標進行精確測量需要非常高的環(huán)境條件，譬如天線增益精確值，有源相控陣的靈敏度等，因此需要綜合考慮指標測量與實際設計的折中，除了基本的LRU完好信息判斷外，按照關鍵要素測量值與指標的偏離度健康標準。

對于已實際服役的有源相控陣雷達而言，考慮到設計的余量和監(jiān)視系統(tǒng)的復雜度，一般有源相控陣雷達狀態(tài)健康狀態(tài)的判別標準如下：

1)設備監(jiān)視的LRU狀態(tài)正常，主要功能性能符合指標要求，此時雷達狀態(tài)為“良好”；

2)考慮到設備冗余設計，設備監(jiān)視的主要LRU狀態(tài)正常，且雷達功能性能符合設計要求，此時雷達狀態(tài)為“合格”；這里的冗余重點考慮的是有源相控陣雷達天線陣面、陣面電源以及備份的發(fā)射、處理鏈路。

3)設備監(jiān)視主要LRU狀態(tài)正常(無單點故障)，雷達功能性能參數(shù)有一定的下降，例如由于有源天線陣面的慢性退化特性，功率孔徑積降低1 dB，改善因子惡化相對于指標不超過1 dB等，此時雷達可判定為有條件的“可使用”。

2.2 有源相控陣雷達狀態(tài)監(jiān)視和參數(shù)獲取設計思路

在裝備健康管理概念中，綜合診斷是核心，故障信息和性能參數(shù)獲取是基礎，因此傳統(tǒng)的LRU功能監(jiān)視、測量仍然需要。有源相控陣雷達的綜合診斷系統(tǒng)首先統(tǒng)籌有源相控陣關鍵性能保證要求和成本約束，按照各個典型分系統(tǒng)或者設備組成及其FMEA的分析結果設計各分系統(tǒng)LRU監(jiān)視，進行分系統(tǒng)LRU功能監(jiān)視和性能參數(shù)的獲取。其次，按照整個雷達的信號流程構建關鍵系統(tǒng)測量點，同時從系統(tǒng)的角度獲取系統(tǒng)關鍵參數(shù)，因而必須要求在系統(tǒng)設計測量、監(jiān)視系統(tǒng)。因此，對于關鍵分系統(tǒng)，在系統(tǒng)角度上設計的監(jiān)視測試說明如下。

天線陣面：假設每個天線陣面的LRU均自身設計監(jiān)視邏輯，則設備比較復雜且成本頗高，此時需要從系統(tǒng)的角度設計內監(jiān)測/外監(jiān)測系統(tǒng)，考慮到外部環(huán)境影響以及參數(shù)的獲取有效性，一般有源天線陣面采用內監(jiān)測設計。

陣面電源：陣面電源設計故障和電壓電流的監(jiān)視測量系統(tǒng)，有源相控陣雷達陣面電源模塊采用冗余設計，通常設計的冗余量在1個模塊以上(一般超過10%)，實現(xiàn)功能的冗余。

發(fā)射通道：有源相控陣雷達的發(fā)射鏈路一般是從低功率的信號產(chǎn)生，讓后進行固態(tài)放大放大，然后再通過陣面的發(fā)射網(wǎng)絡分配到每個T/R通道，考慮到可靠性因素，對該節(jié)點進行監(jiān)視，同時在固態(tài)放大這一級進行雙冗余設計。

接收：天線接收饋線網(wǎng)絡形成的信號在接收機進行放大、STC控制、混頻以及數(shù)字化處理，考慮到接收狀態(tài)監(jiān)視和系統(tǒng)參數(shù)的獲取，考慮在工作休止期，注入測試信號進行通道的判別和處理，同時設計冗余的通道進行熱備份。

信號處理：在每個功能模塊的LRU設計監(jiān)視，同時利用系統(tǒng)的模擬信號進行性能參數(shù)的獲取。

2.3 故障預測方法

根據(jù)對雷達獲取狀態(tài)的監(jiān)測、功能性能測試以及預測模型，得出可能出現(xiàn)的故障及相關保障用信息。對可能出現(xiàn)的故障，提出“預先”維修、保養(yǎng)的方法，將傳統(tǒng)的事后維修轉變?yōu)橐暻榫S修，從對故障的被動反應到主動預防，實現(xiàn)裝備自主式保障。對于電子設備的組成元器件壽命通過一定計算方法進行評估，從而實現(xiàn)對整個電子設備的未來進行剩余使用壽命的預估。通過大數(shù)據(jù)、人工智能的方法實現(xiàn)輔助決策，減少全壽命周期的各項費用。

3 有源相控陣雷達性能評估方法

雷達方程(見公式1)決定了雷達威力的約束條件，在不考慮常數(shù)、目標RCS以及環(huán)境的約束下，取決于雷達自身參數(shù)主要是發(fā)射功率Pt，脈沖寬度τ，天線的收發(fā)增益Gt、Gr，波長λ(工作頻率)，噪聲溫度Ts，適配損失CB, 系統(tǒng)損耗Ls；為簡化系統(tǒng)評估，檢測因子Dx(n)(系統(tǒng)的檢測因子，可看作常數(shù))，方向圖因子Ft、Fr，方向圖因子暫時不考慮。

(1)

在外圍手段良好的條件下，可采用直接方法驗證，例如觀察固定的球或者反射體進行雷達威力性能評估；也可采用相對直觀的測試方法驗證，例如采用系統(tǒng)靈敏度測試和上行功率孔徑積的方法對雷達關鍵性能進行測試驗證(轉發(fā)器測靈敏度、功率孔徑積)；但是對于一般部署的雷達而言，上述手段需要的條件比較難以滿足，而且不靈活。通過雷達系統(tǒng)自身的采集數(shù)據(jù)，通過間接的方法可以對雷達威力性能進行比較可靠的評估，是解決健康管理的有效途徑之一。

3.1 天線陣面性能(含脈沖寬度)參數(shù)的獲取

天線陣面的故障判別和參數(shù)獲取采用統(tǒng)一設計，并采用按照2.1的設計的天線陣面監(jiān)測方式為內監(jiān)測模式。在天線陣面生產(chǎn)調試過程中，特別是在暗室環(huán)境條件下，對監(jiān)測網(wǎng)絡進行校準，取得標準的數(shù)據(jù)；在雷達產(chǎn)品使用時，陣面監(jiān)測的數(shù)據(jù)按照校準的結果進行調整和補償。利用天線陣面收發(fā)數(shù)據(jù)的監(jiān)測結果，獲得陣面的收發(fā)幅度、相位的分布數(shù)據(jù)，進而通過計算獲得遠場的等效方向圖，因此可以得出天線的發(fā)射、接收增益，波束寬度，天線副瓣電平等關鍵參數(shù)(監(jiān)測時可以通過波束指向配置移相器的數(shù)值，從而達到天線陣面的波束掃描特征)。對于脈沖寬度測量，可以在陣面發(fā)射監(jiān)測或者發(fā)射工作時，采用監(jiān)測通道接收的T/R組件發(fā)射信號進行信號分析的方式實現(xiàn)測量。通過對收發(fā)增益、脈沖寬度精確測量以及天線副瓣電平的參數(shù)獲取(也通過和差波瓣圖獲得角敏曲線，評估測角精度的影響)。從而或整個雷達的健康情況和威力性能。下圖設計了一個約3000點的陣面，天線在狀態(tài)完好時的性能參數(shù)與一定故障率條件下的參數(shù)可以清晰的比對，同時在維護時結合單元在陣面中的權值情況，可將部分在陣面中間的故障單元調整至陣面邊緣，提高雷達的性能。

圖4 正常天線的幅度分布天線波瓣圖

圖5 故障模式下天線的幅度分布和天線波瓣圖

3.2 系統(tǒng)靈敏度(噪聲溫度Ts)參數(shù)的獲取

對有源天線陣面而言，系統(tǒng)的靈敏度測試是比較復雜的難題。一般情況下通過測試T/R通道、主接收機靈敏度以及固定的饋線網(wǎng)絡損耗來綜合計算整個系統(tǒng)的靈敏度結果，或者采用遠場等效的方式整體測量(含天線接收增益)。本設計考慮的方式是二種，第一種方式是采用陣面監(jiān)測通道注入系統(tǒng)的模擬信號，通過陣面內監(jiān)測網(wǎng)絡接收信號的功率(幅度)(網(wǎng)絡的調整補償應用于該模式)，在暗室環(huán)境或者凈空環(huán)境條件下進行測量校準，然后，通過雷達的信號處理得到標準的信噪比做參照，此方式相對復雜一些。第二種方式是在主接收機的射頻加耦合通道，在接收通道內耦合模擬目標信號，在主接收機的休止期工作，實時對通道的測試信號信噪比進行監(jiān)視。當然上述兩種模式下，均包含了處理通道的損耗，特別是適配損耗、采樣損耗，脈壓展寬損耗等。兩種方式，第一種相對復雜，但是可以得到含陣面在內靈敏度結果，可用于工作維護時啟用，第二種簡單，可以應用于在線BIT方式中，實時獲得處理結果(T/R通道和網(wǎng)絡采用系統(tǒng)設計的參數(shù)計算替代，可用于威力性能的間接評估)。

3.3 其他參數(shù)的獲取

3.3.1 陣面電源參數(shù)的獲取意義

陣面發(fā)射通道監(jiān)測時，一般采用逐一工作的模式開展，進而僅能說明發(fā)射通道具備正常工作的能力，需要設定特定的占空比工作，觀察整個陣面電源的功率，輔助確認發(fā)射通道能否具備發(fā)射功率的條件。

3.3.2 設備自身的損耗及工作波長

波長這一參數(shù)通過工作頻率體現(xiàn)，通過目標模擬即可以精確的判斷；關于設備自身引起的損耗，上行的主要是發(fā)射鏈路損耗，這一參數(shù)可通過陣面發(fā)射監(jiān)測實現(xiàn)；設備的處理通道損耗按照3.2的說明可以統(tǒng)一在方程中計算。關于系統(tǒng)設計的雷達檢測損耗主要決定于設計，當然也可以采用機內模擬注入的方式進行評估；電波傳輸?shù)膿p耗取決于環(huán)境，波束交疊的損耗取決于波束形狀和設計，可通過天線內監(jiān)測獲取的波瓣信息判斷損失。

3.4 雷達威力性能評估實例

按照雷達方程規(guī)定的要求以及3.1、3.2、3.3參數(shù)獲取的結果可對有源相控陣雷達的威力性能進行評估。下面通過實例說明威力的評估的結果。

設定一部有源相控陣雷達頻率工作在3 GHz，對于RCS為2 m2的目標，天線陣面法向威力在280 km，天線陣面尺寸約2.1 m×3.8 m，其他構成包括接收機(含頻率源)、陣面電源、發(fā)射、信號處理、顯示終端。系統(tǒng)參數(shù)如下：天線陣面的收發(fā)增益分別為38.7 dBi、39.6 dBi，單個通道輻射功率為70 w，脈沖寬度為200 μs，檢測信噪比設定為18 dB(發(fā)現(xiàn)概率：0.8，虛警10-6)，系統(tǒng)損耗9.2 dB(發(fā)射(0.5 dB)，采樣、波形匹配和檢測損耗為3 dB)，噪聲系數(shù)4 dB,則整部雷達的自由空間威力為288 km。

設實際參數(shù)的獲取的結果如下：收發(fā)增益分別為38.59 dBi、39.47 dBi，單個通道有效輻射功率為66 w(含發(fā)射損耗的結果)，脈沖寬度為199.7 μs。天線陣面接收的模擬目標信號功率為-20 dB(扣除耦合損耗)，按照設計損耗和噪聲功率，其理論信噪比應為88 dB；實際參數(shù)獲得的信噪比為87.3 dB。通過實際參數(shù)得到的威力估算結果為277 km，估算結果相當于理論計算的96%，與實際要求基本相當?？梢哉f明性能評估的有效性。如果其他因子有改變，則可以通過雷達方程進行推算，從而掌握各參數(shù)對雷達的性能影響的信息，作出預防性維修的建議。

4 關于有源相控陣雷達健康管理中的性能評估方法的進一步思考

根據(jù)第3章節(jié)的說明，通過系統(tǒng)診斷設計，獲取關鍵參數(shù)，可對有源相控陣雷達威力進行評估。當然雷達的性能不僅僅是威力，還包括距離、角度和速度精度，雜波抑制以及抗有源干擾能力等等。針對上述性能評估可以通過模擬目標注入、分析波瓣圖特性部分解決，當然還需要仔細分析上述性能特征實現(xiàn)的途徑和設備特征，對于核心的參數(shù)獲取需要從系統(tǒng)實現(xiàn)的邏輯設計監(jiān)視診斷系統(tǒng)。

通過對雷達LRU監(jiān)視以及關鍵參數(shù)的獲取等手段得到整個雷達性能的評估結果是未來雷達裝備健康管理發(fā)展的必然要求。完好的裝備狀態(tài)是裝備實現(xiàn)可用性和實戰(zhàn)能力必備條件；后續(xù)將進一步優(yōu)化整個雷達裝備的健康管理和關鍵性能的評估方法設計，實現(xiàn)雷達裝備效能發(fā)揮和全壽命周期的費用減低。