胡文華 ，朱常安，2，薛東方 ，趙喜 ，楊瑞

（1. 陸軍工程大學(xué) 石家莊校區(qū)， 河北 石家莊 050003；2. 中國人民解放軍61035 部隊，北京 100094；3. 中國人民解放軍75180 部隊，廣西 桂林 541000）

0 引言

雷達是機、電、光、液等學(xué)科互相協(xié)同，微波、計算機、信號處理、傳感器、精密傳動等技術(shù)深度融合的復(fù)雜電子系統(tǒng)［1］，高新技術(shù)密集，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多元，性能越來越好。新技術(shù)的應(yīng)用極大改變了雷達的結(jié)構(gòu)和性能，不僅有傳統(tǒng)的發(fā)射接收裝置，更融合了目標(biāo)探測識別、測速測距、跟蹤定位等數(shù)據(jù)信號處理單元，使得雷達裝備故障機理十分復(fù)雜［2］，有現(xiàn)象明顯的硬故障，也有電子元件內(nèi)部燒蝕、性能退化、軟件失效等軟故障。隨著雷達系統(tǒng)任務(wù)需求的提升，對其完好性和質(zhì)量狀態(tài)評估提出了更高要求，準(zhǔn)確掌握其性能狀態(tài)和質(zhì)量情況對雷達應(yīng)用和維修保障具有重要意義［3］。因此，如何采用新的理論方法和技術(shù)手段，設(shè)計狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測電路工作狀態(tài)、分系統(tǒng)與整機性能指標(biāo)變化，結(jié)合雷達機內(nèi)測試（built-in test，BIT）信息及其履歷信息，對雷達系統(tǒng)性能進行綜合評估變得非常迫切。

1 目前雷達監(jiān)測與評估中存在的問題

雷達狀態(tài)監(jiān)測與故障定位中，通常情況下能將故障定位到最小可更換單元［4-5］，為雷達的故障修復(fù)提供了很好的幫助。但傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測只能監(jiān)測雷達的工作狀態(tài)參數(shù)，如電壓、電流、頻率、波形、相位、功率等基本參數(shù)，在雷達系統(tǒng)無明顯故障現(xiàn)象的情況下不能監(jiān)測與顯示其性能指標(biāo)的變化。雷達的性能指標(biāo)如發(fā)射機功率、接收靈敏度、噪聲系數(shù)、改善因子、幅頻特性、天線性能的變化等直接影響雷達的作用距離、跟蹤性能等［6-7］，因此對雷達的性能指標(biāo)進行有效的監(jiān)測非常重要。目前，總線技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)［8］、自動測試設(shè)備（automatic test equipment，ATE）技術(shù)［9］都得到了長足發(fā)展，使雷達的性能指標(biāo)監(jiān)測有了技術(shù)支撐。

雷達質(zhì)量與性能評估方面，傳統(tǒng)的評價方式主要是依據(jù)貯存時間、使用年限、維修次數(shù)及根據(jù)質(zhì)量檢測結(jié)果，人工判定質(zhì)量等級［10］，未能充分利用雷達系統(tǒng)實時狀態(tài)測試信息和實際任務(wù)剖面下的狀態(tài)信息，無法很好地確定雷達的實際退化狀態(tài)，主觀性較大，具有一定的局限性。雷達質(zhì)量狀態(tài)評估過程中，現(xiàn)階段由于受測試設(shè)備能力的限制，測試結(jié)果只能確定裝備是否通過檢測，即只能判斷測試時刻系統(tǒng)是完好還是故障，無法確定其具體性能狀態(tài)。由于質(zhì)量狀態(tài)評估結(jié)果不能體現(xiàn)其性能狀態(tài)，據(jù)此就無法掌握裝備性能的變化過程和規(guī)律，無法預(yù)知哪些部組件將要發(fā)生故障及故障發(fā)生的時間，無法采取針對性的預(yù)防措施，只能進行故障后維修和定期預(yù)防性維修，視情維修工作開展不充分，大大降低了雷達系統(tǒng)完好率。

針對上述問題，本文著眼雷達系統(tǒng)綜合評估現(xiàn)實需求，采用智能測試與診斷、現(xiàn)代信號與數(shù)據(jù)處理、信息融合評估等技術(shù)，通過采集雷達工作狀態(tài)數(shù)據(jù)和性能變化情況，綜合分析雷達的自身性能因素、環(huán)境和任務(wù)剖面，從監(jiān)測得到的性能指標(biāo)信息、工作狀態(tài)信息、雷達BIT（built in test）信息和裝備履歷信息等出發(fā)，選擇適用的評估方法，評定雷達的質(zhì)量性能。

2 監(jiān)測與評估系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由主控計算機單元、監(jiān)測控制計算機單元、雷達性能指標(biāo)監(jiān)測模塊、工作狀態(tài)監(jiān)測模塊、ATE 與虛擬儀器模塊等組成。雷達狀態(tài)監(jiān)測與性能綜合評估系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 雷達狀態(tài)監(jiān)測與性能綜合評估系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig. 1 Overall structure of radar condition monitoring and comprehensive performance evaluation system

2.1 主控計算機單元

主控計算機單元是整個監(jiān)測評估系統(tǒng)的核心部分，內(nèi)含雷達綜合評估軟件系統(tǒng)。該綜合評估系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)雷達質(zhì)量評估主要體現(xiàn)服役年限、故障時間、存儲環(huán)境、維修情況等履歷數(shù)據(jù)和環(huán)境因素的局限性，增加了雷達工作狀態(tài)數(shù)據(jù)、性能指標(biāo)參數(shù)及雷達BIT 信息作為質(zhì)量評估的重要依據(jù)。主控計算機單元通過網(wǎng)絡(luò)交換機（或系統(tǒng)總線）獲取雷達性能指標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)及雷達BIT 監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合雷達自身的履歷信息，依靠雷達綜合評估軟件，按獲取指標(biāo)數(shù)據(jù)、計算指標(biāo)權(quán)重、導(dǎo)入評估模型、綜合評估計算、確定質(zhì)量等級等流程進行相關(guān)計算，最后通過人機界面顯示綜合性能評估結(jié)果，并給出雷達故障信息提示與相應(yīng)的維修方式引導(dǎo)。

2.2 監(jiān)測控制計算機單元

監(jiān)測控制計算機單元用于控制性能指標(biāo)監(jiān)測模塊、工作狀態(tài)監(jiān)測模塊、ATE 與虛擬儀器模塊等，對各模塊指標(biāo)數(shù)據(jù)采集處理，輸入主控計算機單元，共同完成雷達性能指標(biāo)與工作狀態(tài)的監(jiān)測。

2.2.1 雷達性能指標(biāo)監(jiān)測

雷達監(jiān)測控制計算機根據(jù)需要可調(diào)用性能監(jiān)測模塊，該部分由系統(tǒng)總線，微波信號源、微波功率計、函數(shù)發(fā)生器、頻率計等專用虛擬儀器模塊以及萬用表、示波器、I/O、A/D 等通用儀器（采集卡）模塊等組成，雷達發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)等通過信號采樣及調(diào)理電路與性能指標(biāo)監(jiān)測模塊相連接。監(jiān)測控制計算機通過系統(tǒng)總線對各種通用、專用儀器模塊進行控制，通過與性能指標(biāo)監(jiān)測軟件的有機結(jié)合，構(gòu)建了良好的人機交互環(huán)境，實現(xiàn)對雷達功率、靈敏度、跟蹤性能、幅頻特性、改善因子、天線性能、暫態(tài)特性等性能指標(biāo)的監(jiān)測。

2.2.2 雷達工作狀態(tài)監(jiān)測

與雷達性能指標(biāo)監(jiān)測類似，雷達各分系統(tǒng)關(guān)鍵監(jiān)測部位設(shè)置了相應(yīng)的傳感器與信號調(diào)理電路。為了獲得雷達工作狀態(tài)參數(shù)，監(jiān)測控制計算機通過各種儀器模塊實現(xiàn)對雷達各分系統(tǒng)工作狀態(tài)的信號采集與分析，完成電源電壓、脈沖寬度、重復(fù)頻率、檢波電流、本振電壓等工作狀態(tài)參數(shù)的實時監(jiān)測與顯示。

2.3 雷達BIT 信息模塊

隨著科技的發(fā)展，機內(nèi)測試（BIT）技術(shù)在電子裝備測試性、維修性方面得以廣泛應(yīng)用［11］?，F(xiàn)代雷達一般都設(shè)計了比較完善的BIT 系統(tǒng)，能夠?qū)走_各分系統(tǒng)的開關(guān)機狀態(tài)、工作狀態(tài)（如雷達搜索與跟蹤、寂靜與發(fā)射）、故障狀態(tài)等進行實時監(jiān)測。例如瑞士厄利空-康特拉夫斯公司生產(chǎn)的防空衛(wèi)士火控雷達，不但性能世界一流，而且BIT 設(shè)計相當(dāng)完備，在國際武器市場上成為搶手貨［12］。該雷達設(shè)置了測試A、測試B、測試C 等，分別對恒虛警（constant false-alarm rate，CFAR）性能、角誤差斜率、接收機靈敏度等性能進行有效的在線測試與監(jiān)測。主控計算機通過系統(tǒng)總線讀取雷達BIT 數(shù)據(jù)和履歷信息，與雷達工作狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、性能指標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)一起參與雷達質(zhì)量性能的分析計算，以獲得更加全面科學(xué)的評估結(jié)果。

3 雷達智能狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

雷達智能狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)從硬件結(jié)構(gòu)上由監(jiān)測控制計算機單元、ATE 與虛擬儀器模塊、性能指標(biāo)監(jiān)測模塊、雷達分系統(tǒng)傳感器與信號調(diào)理電路等組成，如圖1 所示。雷達狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)依靠引導(dǎo)軟件完成智能監(jiān)測與自動測試，圖2 為其軟件監(jiān)測流程。

雷達開機工作，各分系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)之后就會啟動實時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，自動調(diào)用監(jiān)測控制程序及相關(guān)虛擬儀器（或ATE），依次進行距離跟蹤性能、幅頻特性等指標(biāo)的自動監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果會在主控計算機終端界面上顯示出來。

由于整機狀態(tài)監(jiān)測的指標(biāo)參數(shù)較多，下面以接收機距離跟蹤性能的監(jiān)測為例介紹其基本工作原理。

3.1 雷達距離跟蹤原理

如圖3 中所示，雷達距離跟蹤系統(tǒng)部分由時間鑒別器、控制器與跟蹤脈沖產(chǎn)生器組成，其工作原理如下［13］。

圖3 雷達距離跟蹤監(jiān)測原理框圖Fig. 3 Monitoring principle of radar range tracking

目標(biāo)回波信號（高頻信號）經(jīng)接收機與信號處理系統(tǒng)處理后得到目標(biāo)回波脈沖，時間鑒別器用來比較目標(biāo)回波脈沖與雷達跟蹤脈沖之間的延遲時間差Δt=t-t′，其中t為雷達回波脈沖的中心，t′為跟蹤脈沖的中心，時間鑒別器輸出的誤差信號為

控制器的作用是把誤差信號進行變換后，用其輸出去控制跟蹤脈沖（波門）移動，即改變t′使其朝著減小uε的方向運動，最終的目的是使t′=t。用最簡單的線性關(guān)系表示，控制器的輸出為

而控制器的輸出是用來改變跟蹤脈沖的延遲時間的，用簡單的線性關(guān)系表示為

實際工作過程中控制器采用積分器件，則E與uε的關(guān)系可表示為

由式（1），（3），（4）可得到由時間鑒別器、控制器與跟蹤脈沖產(chǎn)生器組成的閉環(huán)系統(tǒng)的性能為

跟蹤脈沖產(chǎn)生器根據(jù)控制器輸出的控制信號大小，產(chǎn)生所需延遲時間為t′的雷達跟蹤脈沖，從而實現(xiàn)距離的閉環(huán)自動跟蹤。

3.2 距離跟蹤性能監(jiān)測方法

監(jiān)測雷達的距離跟蹤性能，核心問題就是模擬距離可變的雷達高頻回波信號，其組成框圖如圖3中監(jiān)測控制系統(tǒng)部分：監(jiān)測控制計算機編制相關(guān)軟件用來產(chǎn)生勻速、加速、減速、盤旋、俯沖等各種參數(shù)的距離信號，通過系統(tǒng)總線控制函數(shù)發(fā)生器，函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生與雷達脈沖同步的測試脈沖信號。微波信號源用于產(chǎn)生對應(yīng)波段的高頻連續(xù)波信號，經(jīng)高頻調(diào)制器進行脈沖調(diào)制，變換為模擬高頻回波信號。雷達正常工作時接收機接入目標(biāo)回波信號，用于雷達的正常測距與距離跟蹤；當(dāng)系統(tǒng)處于監(jiān)測模式時，接收機接入模擬回波信號到距離跟蹤回路，此時可對雷達不同回波的跟蹤性能進行測試。需要說明的是距離跟蹤性能監(jiān)測時，監(jiān)測模式與正常工作模式不能同時使用。監(jiān)測控制計算機典型的信號編輯界面如圖4 所示。

圖4 監(jiān)測控制計算機信號編輯界面Fig. 4 Signal editing interface of monitoring and control computer

雷達跟蹤波形如圖5 所示，該圖通過距離顯示器呈現(xiàn)，圖中上半部分為粗掃描線（A 顯），下半部分為精掃描線（R 顯）。1 為粗掃描線上雷達回波脈沖，此時目標(biāo)運動的距離約為距離約為27 km；2 為精掃描線上展寬后的雷達回波脈沖；粗掃描線上凹下去的部分3 為雷達跟蹤脈沖，此時雷達跟蹤脈沖正好捕獲到雷達回波脈沖并一直鎖定。

圖5 雷達距離跟蹤波形圖Fig. 5 Waveform of radar range tracking

3.3 距離跟蹤性能計算過程

雷達距離跟蹤性能包括距離跟蹤精度、截獲概率、時間響應(yīng)特性、時間鑒別器誤差斜率等，下面以距離跟蹤精度為例說明其計算方法。步驟如下：

（1） 接通距離信號模擬器，輸出模擬目標(biāo)并使其處于某一距離上。

（2） 雷達距離跟蹤回路置于開環(huán)狀態(tài)，將跟蹤波門對準(zhǔn)模擬目標(biāo)。

（3） 閉合距離跟蹤回路，穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)后，錄取回路輸出的跟蹤距離Ri和對應(yīng)的目標(biāo)模擬器裝定的距離RDi，并記錄測試結(jié)果。

（4） 按上述步驟重復(fù)測試20 次以上。

（5） 數(shù)據(jù)處理

式中：Ri為第i個樣本的距離跟蹤回路輸出的跟蹤距離；RDi為第i個樣本的目標(biāo)模擬器裝定的距離。

根據(jù)跟蹤誤差樣本均值和方差，可以判斷雷達跟蹤性能情況。所得均值和方差越小，說明雷達跟蹤精度越高。另外，狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對每次監(jiān)測的的值都會記錄下來，并把相應(yīng)的結(jié)果發(fā)送給主控計算機單元，該單元會長時間記錄的變化情況。如果變化較大則說明系統(tǒng)異常，會給出相應(yīng)的故障信息提示。

4 雷達性能綜合評估系統(tǒng)設(shè)計

常用的評估方法有層次分析評估法、信息熵法、粗糙集法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等［14］。為較好地評估雷達性能狀態(tài)，選擇雷達的監(jiān)測數(shù)據(jù)（包括性能指標(biāo)數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)數(shù)據(jù)）、雷達BIT 信息、履歷數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等，構(gòu)建雷達綜合評估指標(biāo)體系。由于雷達指標(biāo)體系較為復(fù)雜，存在一定不確定性，符合模糊數(shù)學(xué)特性，因此選擇模糊評判的方法［15］設(shè)計評估系統(tǒng)。在評估設(shè)計中，引入熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，避免權(quán)重分配的主觀性。

隸屬度反映了評估因素和評價等級之間的關(guān)系，正確選擇隸屬度函數(shù)才能確保模糊綜合評判的良好效果。常見的隸屬度函數(shù)有正態(tài)分布、梯形分布、π 形分布等，按其分布形式可以分為偏小型、偏大型和中間型3 種。為避免單一隸屬函數(shù)可能出現(xiàn)隸屬度突變的問題，本文采用組合隸屬函數(shù)的方法計算指標(biāo)等級的隸屬度?？紤]雷達系統(tǒng)的數(shù)據(jù)特性、評價因素和評語等級，選擇中間型的隸屬函數(shù)更符合指標(biāo)數(shù)據(jù)的普適性。因此本文選擇梯形、雙S 形和π 形3 種中間型的函數(shù)分別計算指標(biāo)隸屬度，而后運用方差-協(xié)方差法計算組合隸屬度，以增加評估結(jié)果的可信度。

根據(jù)以上要求設(shè)計雷達性能綜合評估軟件，置于主控計算機單元。通過對獲取的指標(biāo)數(shù)據(jù)定性分析和定量計算，對雷達的綜合性能進行模糊評判，得到最終評估結(jié)果。雷達性能綜合評估流程如圖6 所示，主要有6 個實施步驟。

圖6 雷達性能綜合評估流程Fig. 6 Comprehensive evaluation process of radar performance

步驟1： 依據(jù)雷達功能特性進行性能指標(biāo)分析，收集獲取雷達的性能指標(biāo)數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)數(shù)據(jù)、雷達BIT 信息、履歷數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等，由此確定雷達裝備的底層指標(biāo)因素。

步驟2： 對獲取的底層指標(biāo)因素進行分類，構(gòu)造雷達性能綜合評估指標(biāo)體系，然后根據(jù)雷達功能特性和應(yīng)用情況確定雷達性能狀況評價等級。

步驟3： 根據(jù)雷達綜合評估指標(biāo)體系，運用熵權(quán)法自下而上逐層計算各指標(biāo)元素的熵值和熵權(quán)，確定指標(biāo)權(quán)重。

步驟4： 對于能夠監(jiān)測的定量指標(biāo)，確定其邊界值和實測值，采用組合隸屬函數(shù)的方法求解指標(biāo)的組合隸屬度；對于不能測試的定性指標(biāo)，通過專家打分求平均值的方式確定指標(biāo)隸屬度。

步驟5： 基于各層次指標(biāo)的權(quán)重和隸屬度，構(gòu)造模糊評判矩陣，按照自下而上的層次，逐個進行模糊評判計算，得到最終的性能評價結(jié)果向量。

步驟6： 根據(jù)最終計算的模糊評判結(jié)果向量，依據(jù)最大隸屬度原則，確定雷達系統(tǒng)的綜合性能評估等級。

按上述步驟對某典型雷達進行監(jiān)測評估實例分析，驗證了該系統(tǒng)的有效性與實用性，系統(tǒng)軟件界面如圖7 所示。該系統(tǒng)軟件配合相關(guān)計算機自動檢測硬件共同完成雷達狀態(tài)監(jiān)測與性能綜合評估的任務(wù)，可以分別顯示工作狀態(tài)監(jiān)測、性能指標(biāo)監(jiān)測、綜合性能評估結(jié)果、故障信息提示、維修方式引導(dǎo)等相關(guān)界面，用戶可以根據(jù)自身需要調(diào)用相關(guān)結(jié)果。

圖7 雷達監(jiān)測評估系統(tǒng)軟件界面Fig. 7 Software interface of radar monitoring and evaluation system

5 結(jié)束語

本文采用智能監(jiān)測與診斷、BIT 與ATE 結(jié)合等技術(shù)，實現(xiàn)了雷達裝備工作狀態(tài)和性能變化監(jiān)測與數(shù)據(jù)獲??；運用模糊綜合評判的方法，設(shè)計了以監(jiān)測數(shù)據(jù)為主，融合雷達BIT 信息、履歷數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)的質(zhì)量狀態(tài)綜合評估系統(tǒng)，實現(xiàn)了客觀精確評估雷達性能與質(zhì)量狀態(tài)的目的。本文選取典型雷達系統(tǒng)開展研究，驗證了系統(tǒng)設(shè)計與相關(guān)算法的有效性，對雷達裝備操作應(yīng)用和維修保障具有一定參考價值。