基于故障樹的航空相機檢測技術＊

秦碩

(1．空軍航空維修技術學院，湖南長沙410200；2．湖南省飛機維修工程技術研究中心，湖南長沙410200）

1 引言

航空偵察具有時效性強、準確度高、偵察范圍寬廣深遠、機動靈活、針對性強的特點，既可克服地面?zhèn)刹焓艿厍蚯屎偷匦握系K物對視線的限制，又可彌補衛(wèi)星偵察時效不足，在戰(zhàn)術偵察、防災救災和商業(yè)城建等方面廣泛應用[1]。航空相機作為航空偵察的主要手段，隨著光電技術以及微處理技術的發(fā)展與應用，進入了快速發(fā)展階段。傳統的航空相機以膠片為感光載體，由相機本體、操縱器、信號交聯設備等組成，系統相對獨立，與飛機平臺信號交聯少，因此傳統航空相機的地面保障裝備也相對獨立，與飛機的交叉維護工作量低。新型的航空相機以傳輸型航空相機為主，由光電器件取代感光材料感光成像，航空圖像質量大幅提高，航空相機的工作與多功能顯示器、機載圖傳設備、電源系統、機載總線、綜合控制板等航空電子設備進行交聯，航空相機不再是獨立系統，逐步成為了綜合航電的任務子系統，因此，相機的維護涉及特設、航電、機械等專業(yè)，傳統的按專業(yè)維護的模式在航空相機維護效率和排故的準確性上越來越難以滿足要求。

另外，為滿足全天候偵察要求，航空相機種類較多，包括紅外成像設備、微波成像設備、CCD成像設備、全景照相機、紅外行掃儀和畫幅相機等[2-3]，各類偵察設備維護工藝和要求各不相同，導致外場保障設備較多、操作復雜，外場維護工作量大。本文基于航空總線和虛擬儀器技術，設計了一款適合外場維護和內場排故的航空偵察系統的通用化檢測設備，通過編寫基于故障樹模型的測試軟件，降低航空相機維護難度，減少排故工作量和時間。

2 測試需求分析

新型的航空相機要接收外部系統大量的控制指令，如開/關機、準備、拍照、自檢、圖測、圖傳、重傳等[4-7]，同時向機載系統反饋狀態(tài)信息、匹配信息、設備故障等信息，這些信號一般由偵察任務管理系統管理，并通過總線、模擬量、離散量等形式與慣導、雷達、火控系統、多功能顯示器、大氣機等進行交聯，輔助飛行員有效完成飛行和航拍任務，某型航空相機部分測試信號需求如表1所示。

表1 航空相機部分測試信號需求

從表1可以看出，航空相機交聯信號類型多樣、種類復雜，每一類型的信號需要設計對應的硬件和軟件檢測資源，測試較為復雜。

3 軟硬件設計原理

根據航空相機測試需求分析，為實現對航空相機的檢測和排故，檢測設備需要模擬航空電子設備與相機的交聯信號，包括各種離散量信號、模擬信號、總線信號和圖像數據，并依據這些信號判斷相機的故障位置，航空相機檢測儀的軟硬件設計如下。

3.1 硬件設計

為降低測試設備的功耗、體積，以PC104總線為測試總線，運用模塊化的設計思想，采用PC104嵌入式計算機作為核心平臺，采用堆疊式結構，在PC104主板上擴展其他功能板卡，測試設備的硬件結構如圖1所示。

圖1中，航空相機檢測儀采用PC104 嵌入式計算機，選用標準的A/D、D/A、DIO 模塊，并與輔助外圍接口電路配合工作，模擬與航空相機交聯的外部系統接口信號，如開/關機、準備、拍照、自檢、圖測、圖傳、擺動等控制指令，完成信號測量、激勵產生、狀態(tài)控制、數字量發(fā)送和接收、系統自檢等操作，使航空相機脫離飛機控制系統還可以進行工作，并完成檢測。1553B總線用于模擬任務計算機向相機發(fā)送飛機高度、速度和目標高度修正等參數[8]；圖像數據接口與相機硬盤相連，采用高速數據傳輸方式，讀取相機圖像信息，相機檢測完成后，進行離位拍攝，檢測儀通過硬盤數據接口直接讀取相機圖片數據，檢測相機成像質量好壞，實現航空相機檢測的閉環(huán)[9-11]。

圖1 基于總線的航空相機檢測儀硬件結構圖

以DA輸出信號生成為例，闡述相機擺動控制信號的生成方法。信號生成原理框圖如圖2所示。

圖2 航空相機擺動控制信號生成原理框圖

PC104 總線信號經FPGA 芯片譯碼后，數據信號發(fā)送至DA 轉換芯片，再經過運放和功率驅動電路，控制航空相機穩(wěn)定子系統的工作，驅動航空相機擺動。當相機的型號不同時，通過更換對應的功放電路板，實現設備的通用化[12-13]。

根據硬件設計原理，檢測儀實物如圖3所示。

圖3 某型航空相機測試設備實物圖

3.2 基于故障樹的測試軟件設計

為提高測試和排故效率，設計了基于故障樹的自動化測試軟件，軟件結構如圖4所示。

圖4 測試軟件結構圖

系統啟動自檢結束后，測試程序進入主界面。主程序界面包含了通訊狀態(tài)實時顯示、測試狀態(tài)實時顯示、測試模式選擇、自動測試過程實時顯示、測試結果數據庫查詢、圖像處理與視頻回放等功能。為了提高各子任務的實時性，測試程序采用多任務多線程模式運行。該測試軟件的圖像處理功能使設備從維修到使用形成一個閉環(huán)，減少了維護環(huán)節(jié)，提高了工作效率。

為了提高排故效率，建立了航空相機的故障樹模型[14-15]，根據航空相機故障征兆參數的性質，將航空相機的故障與最基本的故障原因(底事件)之間建立一個邏輯圖表，各層事件的關系通過“或”邏輯運算符號聯系起來。得到航空相機故障樹模型如圖5所示。

圖5 航空相機故障樹模型

根據圖5故障樹模型，采用“IF-THEN”規(guī)則，建立知識庫。當航空相機故障時，測試軟件通過測試知識庫，從故障現象出發(fā)，逐步向下推導，在最底層找出對應的故障原因，使故障定位到電路板級，大大提高了排故效率，降低了相機的維護難度。

檢測儀軟件部分界面如圖6所示。

圖6 模擬信號生成界面

圖6上部是顯示模擬信號的虛擬儀表，下部是調節(jié)激勵信號大小的滑動模塊，該軟件根據激勵信號的種類可以靈活配置和剪裁。

4 結束語

隨著航空相機與飛機交聯關系原來越復雜，航空相機的維護、保障難度越來越大。本文基于虛擬儀器技術，設計了一款航空偵察相機的檢測設備，針對航空相機的多樣化，該設備采用模塊化設計思想，以PC104總線模塊為硬件測試平臺，開發(fā)相應的信號調理電路板，配備可剪裁式測試軟件，可實現對多種航空相機的檢測；為提高排故效率，設計了相機的故障樹模型，提高了檢測儀自動化程度，使故障定位到電路板級，該檢測技術為航空相機的維護保障提供了一套可靠、高效的方法。