劉應剛，于興偉

(1. 解放軍95921部隊，　山東 蒙陰 276216)

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雷達健康管理的性能評估方法

劉應剛，于興偉

(1. 解放軍95921部隊，山東 蒙陰 276216)

摘要：針對相控陣雷達，分析了陣面性能對雷達戰(zhàn)術指標的影響，提出了利用相控陣多通道實時監(jiān)測信息評估雷達戰(zhàn)術指標的方法。仿真結果顯示：利用該方法可有效評估相控陣雷達陣面的健康狀態(tài)以及陣面性能惡化對雷達技術指標的影響，實現(xiàn)雷達健康管理與維修保障的有機結合，提升雷達全壽命周期保障的智能化程度。同時，對提高雷達作戰(zhàn)效能和戰(zhàn)斗力快速生成具有重要意義。

關鍵詞：雷達；綜合保障；性能評估；預測與健康管理

0引言

進入21世紀后，為滿足對隱身飛機、彈道導彈和臨近空間目標等新型威脅目標的探測需求，相控陣、數(shù)字化等新技術在雷達中獲得廣泛應用，雷達設備規(guī)模顯著增加，面臨的維修保障任務越來越復雜。故障預測與健康管理(PHM)是用于武器裝備維修保障的一項新技術，已在美軍聯(lián)合攻擊戰(zhàn)機(JSF)等武器裝備中成功應用。在雷達裝備中也迫切需要使用這項新技術，以便提升雷達維修保障的能力。

PHM技術是對復雜系統(tǒng)傳統(tǒng)使用的機內測試(BIT)和狀態(tài)(健康)監(jiān)控能力的進一步擴展，它是從設備狀態(tài)監(jiān)控向健康管理的轉變，這種轉變引入了對系統(tǒng)未來可靠性的預測能力，借助這種能力識別和管理故障的發(fā)生、規(guī)劃維修和供應保障，其主要目的是降低使用與保障費用，提高系統(tǒng)安全性、完好性和任務成功性，從而以較少的維修投入，實現(xiàn)視情維修和自主式保障。

雷達健康管理[1]是指利用雷達BIT的測試數(shù)據(jù)、故障診斷結果、維修資源信息以及其他相關信息，對雷達系統(tǒng)的健康狀態(tài)和執(zhí)行任務的能力進行實時分析評估，并根據(jù)分析評估結果自動進行維修決策，以實現(xiàn)雷達全壽命周期維修保障的自主化和智能化。

在現(xiàn)代相控陣雷達系統(tǒng)中，陣面分系統(tǒng)設備量大、成本高，是雷達最關鍵的分系統(tǒng)，其健康狀態(tài)對整個雷達系統(tǒng)有很大影響。如何評估陣面分系統(tǒng)的健康狀態(tài)以及陣面性能惡化對雷達技術指標的影響是雷達健康管理技術的重要研究內容。本文在分析相控陣陣面性能對雷達戰(zhàn)術指標的影響的基礎上，提出了利用相控陣多通道實時監(jiān)測信息評估雷達戰(zhàn)技術性能的方法，并利用計算機仿真驗證方法，分析了陣面不同故障狀態(tài)對天線方向圖參數(shù)和雷達性能參數(shù)的影響，給出了陣面分系統(tǒng)和整個雷達系統(tǒng)的健康評價參數(shù)。

1雷達健康管理的原理

雷達綜合保障信息系統(tǒng)[2-3]利用計算機技術，以雷達裝備履歷為信息管理主線，以裝備維修業(yè)務管理為重點，對裝備相關保障信息進行自動分析與處理，實現(xiàn)雷達裝備技術保障、供應保障、維修保障等業(yè)務的網絡化、透明化、科學化、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)雷達實時運行狀態(tài)(雷達健康管理系統(tǒng)提供)、故障(自動測試獲得)和按技術資料規(guī)定的維護要求等保障需求，制定維修與維護計劃，實現(xiàn)預測性維修；并通過裝備性能分析，為保障方案和裝備性能進行適用性評估，提供改進信息。

在綜合保障信息化系統(tǒng)引入PHM技術，可實現(xiàn)雷達由預防性維修向預測性維修轉變，實現(xiàn)雷達全壽命周期保障的自主化、智能化。雷達PHM技術能使雷達在線診斷自身的健康狀況，并能通過最少的維修活動實現(xiàn)維修。通過健康管理將雷達系統(tǒng)健康狀態(tài)和雷達維修保障統(tǒng)籌考慮，打破裝備與保障之間的界限，使信息在雷達系統(tǒng)與保障信息管理系統(tǒng)之間傳遞更加流暢。

雷達健康管理的主要任務包括信息采集、特征參數(shù)計算、性能評估、故障預測等。在設計時，主要包括如下工作：

(1)分析和確定設備組件的失效模式，根據(jù)PHM指標確定健康監(jiān)測內容；

(2)確定健康標準和健康診斷邏輯；

(3)設計BIT的狀態(tài)與故障實時監(jiān)測能力；

(4)設計對故障的隔離、修復和容錯能力；

(5)確定主要特征參數(shù)及雷達性能評估方法；

(6)設計雷達系統(tǒng)健康信息的處理與預測維修流程及方法。

2雷達陣面對雷達戰(zhàn)術性能影響分析

根據(jù)雷達威力方程[4]和角度測量方程，相控陣雷達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雷達探測威力、探測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)

相控陣雷達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)評估。

圖2　相控陣雷達天線方向圖形成原理

(4)

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

3雷達健康狀態(tài)評估方法

雷達健康評估涉及到對雷達陣面、接收機、發(fā)射機、信號處理、數(shù)據(jù)處理和顯控等多個分系統(tǒng)的評估。由于相控陣雷達陣面設備量大，少量通道故障不會顯著影響雷達性能，在不同作戰(zhàn)任務剖面下，評估雷達能否有效完成作戰(zhàn)任務是當前亟需解決的問題。本文選取相控陣雷達的陣面性能對雷達系統(tǒng)的健康狀態(tài)影響進行評估。

雷達性能實時評估流程如圖3所示。

圖3雷達性能評估流程

首先，收集相控陣天線陣面監(jiān)測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)實時計算天線方向圖，定量計算性能劣化后的雷達探測威力、測角精度和雷達天線副瓣抗干擾自衛(wèi)距離。最后，根據(jù)不同作戰(zhàn)任務剖面，判定雷達是否具備完成任務能力，給指揮員提供定量判定雷達完成任務能力的依據(jù)，為裝備維修保障人員制定維修任務計劃提供支撐。

根據(jù)雷達擔負作戰(zhàn)任務的剖面要求，制定執(zhí)行任務時雷達性能指標劣化的允許下限值，將指標設計值、實時計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能否有效執(zhí)行該項任務，技勤人員以此為依據(jù)制定維修計劃，確保雷達具有較高的戰(zhàn)勤完好率。

表1　雷達性能實時評估記錄表

4雷達健康仿真評估

為檢驗雷達性能評估方法的有效性，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，仿真分析天線指標對雷達性能的影響，判定雷達性能實時評估的有效性。

4.1仿真試驗1

1)仿真條件

天線總單元數(shù)為3 000個，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)同時失效)為296個，通道失效模型為隨機分布。

2)方向圖計算

根據(jù)式(4)計算天線失效后的方向圖，并計算方向圖參數(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)的實時計算值

從計算結果看出：通道失效模型隨機分布，失效單元相對數(shù)量較少時，對天線增益和副瓣電平影響較大，對波束寬度和波束指向參數(shù)幾乎沒有影響。

3)雷達性能計算與評估

表3中第二列數(shù)據(jù)是雷達的設計指標值，第三列數(shù)據(jù)是在不影響任務執(zhí)行情況下，雷達指標允許下降的限值，第四列數(shù)據(jù)是雷達工作情況下，由于陣面通道失效引起的天線指標實時下降值?？梢钥闯觯弘S機失效情況下，當失效單元通道數(shù)量較少時，基本不影響雷達性能指標。

4.2仿真試驗2

1)仿真條件

天線總單元數(shù)為3 000個，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)同時失效)為825個，通道失效模型為非均勻分布。

2)方向圖計算

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)的實時計算值

從計算結果看出：通道失效模型非均勻分布，失效通道數(shù)量較多時，不僅對天線增益和副瓣電平影響較大，還影響波束寬度。當失效通道分布嚴重偏向一側時，如仍然按照原陣面加權，波束形狀變形嚴重，導致波束中心指向出現(xiàn)偏差。

圖5試驗2天線失效單元分布和方向圖

3)雷達性能計算與評估

從表5中可以看出：當非均勻失效模式下，失效單元通道數(shù)量較大時，將嚴重影響雷達性能指標。

表5　雷達性能實時評估記錄表

注：假設雷達測角精度0.2°，約為波束寬度的1/12。

5結束語

本文在分析影響相控陣雷達性能主要因素的基礎上，提出了利用相控陣多通道實時監(jiān)測信息準確計算雷達戰(zhàn)技術性能的方法，仿真計算表明：該方法可有效評估雷達健康狀態(tài)，實現(xiàn)PHM和維修保障的有機結合，提升雷達全壽命周期保障的智能化程度，對提高雷達作戰(zhàn)效能和戰(zhàn)斗力快速生成具有重要意義。

參 考 文 獻

[1]石君友．測試型設計分析與驗證[M]．北京：國防工業(yè)出版社, 2011.

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

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

Cao Zhenhua. A study on integrated logistic support information system of radar equipment[J]. Modern Radar, 2013, 35(1): 9-12.

[3]宋太亮. 裝備保障性工程[M]. 北京：國防工業(yè)出版社, 2002.

Song Tailiang. Equipment supportability engineering[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2002.

[4]Skolnik M I. 雷達手冊[M]. 北京：電子工業(yè)出版社, 2006.

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

[5]張光義，趙玉潔. 相控陣雷達技術[M]. 北京：電子工業(yè)出版社, 2006.

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

劉應剛男，1974年生，工程師。研究方向為承擔雷達裝備管理工作。

于興偉男，1983年生，工程師。研究方向為雷達裝備管理與維修。

·信號/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：劉應剛Email：894310988@qq.com

中圖分類號：TN958.92

文獻標志碼：A

文章編號：1004-7859(2015)11-0012-04