(中國人民解放軍77156部隊 技術(shù)維護室，寧夏回族自治區(qū) 吳忠 751102)

0 引言

現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)快速發(fā)展，設(shè)備綜合戰(zhàn)術(shù)性也不斷提高，系統(tǒng)也越來越復(fù)雜，隨之產(chǎn)生的故障概率也不斷增加，許多故障問題僅憑工作人員經(jīng)驗檢測已經(jīng)不能完成。雷達(dá)T/R組件在獲取高發(fā)射率同時產(chǎn)生大量熱損耗，因此，組件熱管冷卻故障診斷系統(tǒng)設(shè)計是雷達(dá)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵步驟[1]。目前雷達(dá)T/R組件熱管是一種體積小、高效率傳熱的元件，而冷卻方法主要有強迫風(fēng)冷、液冷和蒸發(fā)冷等，由于雷達(dá)使用功率逐漸增大，其發(fā)熱密度也大大增加，因此，T/R組件冷卻方式選擇效率高的方向發(fā)展。隨著雷達(dá)向高精度數(shù)控方向發(fā)展，對于組件運行提出了越來越高的要求。影響雷達(dá)T/R組件熱管冷卻故障因素較多，如主軸系統(tǒng)熱變形使主軸發(fā)熱更為嚴(yán)重，導(dǎo)致組件熱管冷卻效果較差。采用傳統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)能逐步引導(dǎo)用戶對組件進(jìn)行測試，但執(zhí)行效率較低，為此設(shè)計了基于自適應(yīng)LS-SVM的雷達(dá)T/R組件熱管冷卻故障診斷系統(tǒng)，是一種比較理想的經(jīng)濟節(jié)能型診斷系統(tǒng)。

1 雷達(dá)T/R組件熱管冷卻工作原理

雷達(dá)T/R組件熱管冷卻是一種高效工作組件，主要是由輸液芯片和重力熱管組成[2]。重力熱管是由導(dǎo)熱率較高的金屬制作而成，將其內(nèi)部熱管抽成真空，并注入適量工作液，再密封，將其從下至上的加熱，內(nèi)部工作液汽化，形成蒸汽。蒸汽受到壓力差影響，向上端流動，在上端受到冷卻影響，使蒸汽冷凝為液體形式，經(jīng)過重力作用再次流回加熱端[3]。如此往復(fù)，管內(nèi)封存的工作液會經(jīng)過加熱轉(zhuǎn)化為氣體，再經(jīng)過冷卻轉(zhuǎn)換為液體進(jìn)行相變循環(huán)。根據(jù)該工作原理，可設(shè)計成如圖1所示的熱管冷卻系統(tǒng)。

圖1 T/R組件熱管冷卻系統(tǒng)

將加熱階段和冷卻階段設(shè)計成標(biāo)準(zhǔn)化形狀和尺寸，使雷達(dá)T/R組件熱管冷卻系統(tǒng)內(nèi)部的相變循環(huán)在溫差較小的情況下，快速將熱量從熱管內(nèi)傳送到冷卻階段，進(jìn)而得到冷卻與溫度均一化的效果[4]。

目前，最常用的雷達(dá)T/R組件功率放大器是由半導(dǎo)體器件實現(xiàn)的，將晶體管視為主要發(fā)熱元件，可使單個脈沖能源耗散功率達(dá)到300W[5]。在雷達(dá)結(jié)構(gòu)中，一旦該組件出現(xiàn)問題，那么每當(dāng)晶體管溫度上升10攝氏度時，可靠性就會降低50%，因此對其進(jìn)行故障診斷是具有必要性的。

2 基于自適應(yīng)LS-SVM故障診斷系統(tǒng)設(shè)計

將系統(tǒng)分解成三個相對獨立的層面，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布數(shù)據(jù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系平面，系統(tǒng)總體架構(gòu)是由故障數(shù)據(jù)采集處理層、診斷層和發(fā)布層組成的，其中故障數(shù)據(jù)采集處理層主要負(fù)責(zé)多數(shù)字信號處理器采集和特征提取總線嵌入式網(wǎng)絡(luò)模件之間的數(shù)據(jù)通信，供故障診斷系統(tǒng)中硬件和軟件的選型，能夠保證整個系統(tǒng)更加可靠；診斷層是由遠(yuǎn)程監(jiān)測和診斷為核心，在可視化操作平臺上進(jìn)行的，在遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)測神經(jīng)中樞內(nèi)分析軟件包，通過圖形化軟件環(huán)境為信息集成提供環(huán)境。根據(jù)設(shè)備狀態(tài)信息，按照不同用戶個性化需求，動態(tài)顯示設(shè)備運行狀態(tài)；發(fā)布層是將現(xiàn)場采集到的設(shè)備數(shù)據(jù)實時、動態(tài)發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上，用戶可直接通過瀏覽器進(jìn)行訪問[6]。經(jīng)過身份驗證登錄系統(tǒng)，并根據(jù)不同身份劃分不同訪問權(quán)限，對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行修改與編輯[7]。

根據(jù)層次劃分結(jié)果，充分考慮實際運行環(huán)境的便攜性要求，使硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計能即插即用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳輸。軟件程序是在Win8系統(tǒng)平臺上建立的，采用模塊化設(shè)計理念，針對某個位置故障研發(fā)相應(yīng)程序集。

2.1 故障診斷系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計

故障診斷系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)是由兩部分組成的，分別是前端設(shè)備和后端設(shè)備[8]。其中前端設(shè)備是經(jīng)過前置處理，再經(jīng)過數(shù)字信號處理器將消息轉(zhuǎn)換為模擬信號形式，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，可從大量信號中快速提取故障特征；而后端設(shè)備主要負(fù)責(zé)內(nèi)部模件與外部的通信，設(shè)備結(jié)構(gòu)圖設(shè)計如圖2所示。

圖2 設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

針對故障診斷系統(tǒng)各部件不同，采用基于自適應(yīng)LS-SVM技術(shù)能夠完成對大多數(shù)組件的診斷工作，內(nèi)部設(shè)置AC/DC電壓、電流以及二極管診斷功能，可在電路板卡部分使用具有150 KHz采樣頻率、32 K字的FIFO存儲器，通過USB纜線，可直接與計算機相連接，實現(xiàn)對整個電路的故障診斷[9]。

2.1.1 數(shù)字化收發(fā)芯片設(shè)計

數(shù)字化收發(fā)芯片是由單片微波集成電路MMIC驅(qū)動、限幅器、射頻收發(fā)和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片組成的，為了提高芯片通用性，將鏈路濾波器外置，提高集成度[10]。采用有源變頻方式對鏈路進(jìn)行上下變頻，并分別對雷達(dá)回波信號進(jìn)行低噪放和一中下變頻，而對二次激勵信號進(jìn)行一中上變頻。接收中頻輸入的模數(shù)混合信號，同時根據(jù)信號帶寬要求，產(chǎn)生相應(yīng)脈沖壓縮雷達(dá)信號。

2.1.2 VXI總線多DSP并行處理模塊設(shè)計

VXI總線具有即插即用功能，是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入的總線控制，主要由嵌入式硬件驅(qū)動、WINDOES操作系統(tǒng)、實時數(shù)據(jù)庫組成的。多DSP器件中并行處理部分是由計算模塊、VXI總線模塊和局部數(shù)據(jù)模塊組成的，負(fù)責(zé)完成故障位置計算任務(wù)，該模塊中包含多個DSP芯片電路，不同電路之間使用數(shù)據(jù)總線相連接，實現(xiàn)DSP模塊和VXI總線間的時序轉(zhuǎn)換。該模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 并行處理模塊結(jié)構(gòu)框圖

采用TMS302VC5409型號芯片設(shè)計的DSP并行處理模型，具有64K靜態(tài)存儲器供程序使用，內(nèi)部設(shè)置的加載程序能夠應(yīng)用不同場合。對缺少上拉電阻的中斷輸入口設(shè)置8個引腳，分別是INT1外部中斷1引腳、INT2外部中斷2引腳、INT3外部中斷3引腳、數(shù)據(jù)輸入準(zhǔn)備引腳、保持輸入引腳、不可屏蔽中斷引腳，防止干擾因素導(dǎo)致并行處理意外中斷現(xiàn)象發(fā)生。

2.1.3 控制電路設(shè)計

在實際使用過程中，一旦雷達(dá)T/R組件出現(xiàn)故障，無需更換組件即可對故障進(jìn)行檢測，在不拆除T/R組件情況下隔離出故障組件，進(jìn)而實現(xiàn)快速診斷。TR組件一般是由供電電路、視頻電路和控制電路組成的，信號在饋線網(wǎng)絡(luò)端口集中發(fā)射，經(jīng)過天線單元輻射到空間中；陣面所有TR組件處于接收狀態(tài)，經(jīng)過控制移相器移相，傳送至饋線網(wǎng)絡(luò)端口。

由于每個TR組件受限于系統(tǒng)控制，波控組合接收雷達(dá)傳送過來波束，并指向代碼、頻率點和定時信號，先將數(shù)據(jù)指令轉(zhuǎn)換成波控協(xié)議同步數(shù)據(jù)，再將該數(shù)據(jù)和定時信號通過電纜傳送至陣面上波控組合中。通過計算移相控制碼傳送至驅(qū)動電路中，由驅(qū)動電路完成組合控制，最終實現(xiàn)雷達(dá)波束控制，為故障診斷提供約束環(huán)境。

2.1.4 故障診斷電路設(shè)計

故障診斷是對雷達(dá)T/R組件熱管冷卻異常情況作出判斷，將診斷結(jié)果作為系統(tǒng)故障恢復(fù)的依據(jù)。在系統(tǒng)電路正常運行條件下，采用霍爾元件對電路進(jìn)行診斷，如圖4所示。

圖4 故障診斷電路設(shè)計

通過L1導(dǎo)磁體診斷雷達(dá)T/R組件熱管冷卻電流大小，能夠?qū)崿F(xiàn)過流和短路診斷；L2導(dǎo)磁體在正常狀態(tài)時，磁通和為0，霍爾開關(guān)元件無輸出，此時可以診斷單端對地短路和漏電所引發(fā)的冷卻功能失效故障；L1和L2導(dǎo)磁體不需要繞成線圈，因為霍爾開關(guān)元件輸出屬于自動輸出，不適合使用模擬量進(jìn)行診斷，通過調(diào)整兩個導(dǎo)磁體不之間距離，實現(xiàn)靈敏度診斷。為了避免動作錯誤，需加入延遲濾波電路，由此完成故障診斷系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)功能設(shè)計是由I/O接口、驅(qū)動軟件和開發(fā)環(huán)境這三個部分組成的，其中I/O接口和驅(qū)動軟件是整個系統(tǒng)的低層軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)硬件之間的通信與控制；應(yīng)用開發(fā)環(huán)境是用戶自定義的開發(fā)工具，通過分層次模塊化理念，可設(shè)計出不同功能子程序，進(jìn)而完成大型復(fù)雜診斷任務(wù)。

由于雷達(dá)表面存在振動信號，在對其進(jìn)行特征提取之前需先進(jìn)行降噪預(yù)處理，去除部分噪聲信號，以此提高T/R組件熱管冷卻信號的信噪比。采用自適應(yīng)LS-SVM童趣故障特征向量：(1)對降噪后信號進(jìn)行分解，并從低頻到高頻頻率成分中提取信號特征；(2)對分解系數(shù)重構(gòu)，提取各個頻帶范圍信號；(3)求解頻帶信號總耗能；(4)構(gòu)造新能量，以此作為故障樣本特征。

根據(jù)故障樣本特征構(gòu)建故障診斷模型，在非線性情況下建立回歸函數(shù)，用回歸函數(shù)來估計訓(xùn)練樣本集。將原始空間映射到一個高維 Hilbert 特征空間，引用自適應(yīng)加權(quán) LS-SVM，根據(jù)該誤差變量，選擇權(quán)系數(shù)，以此權(quán)衡訓(xùn)練誤差變量。

引入拉格朗日函數(shù)，求解該問題：

(1)

公式(1)中：w，s，k分別表示權(quán)向量、偏差量、誤差變量；J(w，k)表示函數(shù)泛化能力；xi、yi表示訓(xùn)練樣本集；βi表示格朗日乘子。

為了達(dá)到最優(yōu)解，需在極值點對w，s，k，βi求偏導(dǎo)并令其等于零，如果矩陣是可逆的，可求出偏差量和格朗日乘子，由此得到加權(quán)LS-SVM 回歸函數(shù)。

根據(jù)加權(quán)LS-SVM 回歸函數(shù)，對故障類型進(jìn)行分類，具體步驟如下所示。

步驟一：采集雷達(dá)信號，并輸入待測電路之中，提取相關(guān)數(shù)據(jù)，建立樣本集；

步驟二：確定雷達(dá)T/R組件故障診斷模型，求解拉格朗日乘子，在加權(quán)自適應(yīng)LS-SVM 回歸函數(shù)中，訓(xùn)練多個樣本，并按照大小進(jìn)行排列，將較小的訓(xùn)練樣本去除，再次使用 LS-SVM進(jìn)行訓(xùn)練，并排列，直到用泛化能力達(dá)到最低為止；

步驟三：訓(xùn)練樣本，并得到拉格朗日乘子，構(gòu)建最優(yōu)決策超平面，求出樣本決策輸出值，并進(jìn)行判斷分類，確定故障類型。

經(jīng)過兩個周期數(shù)據(jù)采樣，可將差分傳輸線正負(fù)端交換，這樣兩次周期采樣方向是完全相反的，如果相反，則說明數(shù)據(jù)接收正常，T/R組件無故障問題出現(xiàn)；反之，則說明T/R組件異常。根據(jù)故障類型，設(shè)計故障診斷具體實現(xiàn)流程，如下所示：

①系統(tǒng)初始化；

②電壓與射頻信號檢測；

③驗證信號是否正常？如果是，則需自行檢查命令。如果不是，則說明診斷不通過顯示故障代碼；

④驗證ID號是否顯示？如果顯示，則需控制線測試命令。如果不是，則說明診斷不通過顯示故障代碼；

⑤根據(jù)步驟④，錄取交叉前后控制字；

⑥查看控制字是否反相？如果是，則診斷通過組件的功能是否正常。如果不是，則說明診斷不通過顯示故障代碼；

⑦繼續(xù)工作，重復(fù)上述步驟。

依據(jù)該流程，實現(xiàn)雷達(dá)T/R組件熱管冷卻故障診斷。

3 測試驗證

為驗證基于自適應(yīng)LS-SVM的雷達(dá)T/R組件熱管冷卻故障診斷系統(tǒng)設(shè)計的有效性，通過MATLAB 軟件仿真模擬各種故障類型，對比分析提出的自適應(yīng)LS-SVM系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)性能。

3.1 數(shù)據(jù)說明

T/R組件熱管冷卻最常出現(xiàn)的故障是射頻信號無輸出或有輸出，但輸出結(jié)果不正確，表1所示T/R組件信號輸入輸出說明。

表1 振動加速度傳感器的主要參數(shù)

通過分析T/R組件輸入輸出信號判斷熱管冷卻是否出現(xiàn)故障。

3.2 測試結(jié)果與分析

為了驗證故障診斷系統(tǒng)設(shè)計有效性，需先對雷達(dá)T/R組件熱管冷卻情況進(jìn)行分析。

3.2.1 冷卻效果測試與分析

在不同風(fēng)速下，對熱源溫度隨功率變化情況展開分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同風(fēng)速下熱源溫度隨功率變化情況

由圖5可知：在不同功率下，熱管具有不同溫度控制效果，在風(fēng)速較強情況下，熱源溫度控制效果明顯好于低風(fēng)速下控制效果。

3.2.2 導(dǎo)熱系數(shù)變化規(guī)律

根據(jù)晶體管的耗散功率范圍，模擬T/ R組件功率，在風(fēng)速較強情況下，對熱源、蒸發(fā)段、冷凝段溫度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 熱源、蒸發(fā)段、冷凝段溫度

隨著加熱功率不斷增加，熱源、蒸發(fā)段、冷凝段溫度也在不斷升高，但由于風(fēng)速較大，蒸發(fā)段和冷凝段溫度出現(xiàn)差異。

在該數(shù)據(jù)支持下，將自適應(yīng)LS-SVM系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)對雷達(dá)T/R組件熱管冷卻故障診斷精度進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表2所示。

表2 2種系統(tǒng)故障診斷精度

由表2可知：2種系統(tǒng)故障診斷精度差別較大，在風(fēng)速較強情況下，T/R組件熱管冷卻蒸發(fā)段和冷凝段溫度出現(xiàn)差異，采用傳統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)對該故障情況診斷精度較差，而自適應(yīng)LS-SVM系統(tǒng)對該故障情況診斷較好。在1樣本下，自適應(yīng)LS-SVM系統(tǒng)位置1比傳統(tǒng)系統(tǒng)位置1的故障診斷精度高出0.4960；自適應(yīng)LS-SVM系統(tǒng)位置2比傳統(tǒng)系統(tǒng)位置2故障診斷精度高0.4896；自適應(yīng)LS-SVM系統(tǒng)位置3比傳統(tǒng)系統(tǒng)位置3故障診斷精度高0.4144。同樣，在2樣本下，自適應(yīng)LS-SVM系統(tǒng)位置1、2、3比傳統(tǒng)系統(tǒng)位置1、2、3故障診斷精度依次高0.5485、0.5833、0.4038；在3樣本下，自適應(yīng)LS-SVM系統(tǒng)位置1、2、3比傳統(tǒng)系統(tǒng)位置1、2、3故障診斷精度依次高0.4946、0.5865、0.4183；在4樣本下，自適應(yīng)LS-SVM系統(tǒng)位置1、2、3比傳統(tǒng)系統(tǒng)位置1、2、3故障診斷精度依次高0.5005、0.4746、0.4376；在5樣本下，自適應(yīng)LS-SVM系統(tǒng)位置1、2、3比傳統(tǒng)系統(tǒng)位置1、2、3故障診斷精度依次高0.5518、0.6271、0.4688。

3.3 實驗結(jié)論

通過實驗數(shù)據(jù)分析可知，T/R組件熱管冷卻容易出現(xiàn)故障是在風(fēng)速較強情況下，蒸發(fā)段和冷凝段溫度出現(xiàn)較大差異導(dǎo)致的，將2種系統(tǒng)對此情況進(jìn)行診斷，由對比結(jié)果可知，自適應(yīng)LS-SVM系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)診斷精度要好，且最高診斷精度可達(dá)到0.9820，最低也可達(dá)到0.9217，因此，基于自適應(yīng)LS-SVM的雷達(dá)T/R組件熱管冷卻故障診斷系統(tǒng)設(shè)計是有效的。

4 結(jié)束語

設(shè)計的自適應(yīng)LS-SVM的雷達(dá)T/R組件熱管冷卻故障診斷系統(tǒng)具有通用性強、使用方便、安全性高特點，不同功能下的適配器能夠與測試模塊相結(jié)合，使故障、隔離檢測能夠在同一平臺上實現(xiàn)。而所有功能模塊在安裝過程中，可借助輔助拔插結(jié)構(gòu)完成，設(shè)計有導(dǎo)向孔避免裝置誤配，使操作者方便拔插。設(shè)計高效診斷系統(tǒng)不僅可以用于雷

達(dá)組件冷卻和熱均衡，還可對組件高精度化起著重要作用。通過實驗可知，該系統(tǒng)診斷精度較好，將會迅速得到推廣應(yīng)用。