黃友猛

（江蘇金陵機械制造總廠，江蘇 南京 210000）

0 引 言

雷達電源是為雷達作業(yè)與運行提供電力的裝置和系統(tǒng)，隨著雷達技術(shù)在市場相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的推廣使用，相關(guān)雷達電源故障的研究越來越多[1]。為了確保雷達在多領(lǐng)域的應(yīng)用性能，對不同型號雷達運行出現(xiàn)故障的原因展開分析，發(fā)現(xiàn)其中由于電源故障導(dǎo)致的雷達故障數(shù)量占總故障數(shù)量的半數(shù)之多[2]。為解決檢測臺在投入使用后的缺陷，科研單位設(shè)計了基于輸入/輸出（Input/Output，I/O）交互技術(shù)的故障檢測方法和基于MATLAB/Simulink 軟件的故障檢測方法，但顯而易見的是，現(xiàn)有的方法在投入使用后一直無法在故障檢測中發(fā)揮預(yù)期效果[3]。對此，本文將在此次研究中引進灰色聚類算法，設(shè)計一種針對雷達電源故障的全新診斷方法，旨在通過此次設(shè)計實現(xiàn)對雷達電源故障信號的分選，實現(xiàn)對故障的精準(zhǔn)識別與檢測。

1 雷達電源異常信號分選

為實現(xiàn)對雷達電源故障的檢測，開展研究前，需要做好對雷達電源中異常信號的分選。在此過程中，先采集雷達電源在運行中的輸入電壓、輸出電壓、電流、功耗等參數(shù)，對雷達電源信號中的脈沖描述字（Pulse Description Word，PDW）流進行處理，找出信號集合中滿足PDW 流或與PDW 流具有相同特征的雷達電源信號，通過對信號脈沖個數(shù)的分析，實現(xiàn)對雷達電源信號中異常信號的分選[4]。在雷達電源信號中，每一個PDW流中都包含脈寬（Pulse Width，PW）信號、射頻（Radio Frequency，RF）信號、波達方向（Direction Of Arrival，DOA）、脈沖到達時間（Time of Arrival，TOA）[5]。先進行雷達電源信號的數(shù)字正交插值處理，處理過程為

式中：x(t)為t時刻下采集的雷達電源信號；n為脈沖次數(shù)；F1為雷達電源信號中的上變頻信號頻率；F2為雷達電源信號中的下變頻信號頻率[6]。對F2、F1進行計算，計算公式為

式中：F為雷達電源信號的采樣頻率；k為信號帶寬；f為混頻信號。完成上述處理后，對采集的雷達電源傳輸信號進行均衡處理，通過對脈沖的壓縮與濾波，進行雷達電源信號的預(yù)處理[7]。處理過程為

式中：D為雷達電源信號的預(yù)處理；p為等效低通濾波系數(shù)；N為雷達電源信號脈沖壓縮系數(shù)。按照上述方式，完成雷達電源信號的預(yù)處理后，讀取可信的PDW 流，將其作為待分選的PDW 流。此時，PDW流的第一個脈沖信號到達方向?qū)⒆鳛槔走_電源信號的聚類中心[8]。在此基礎(chǔ)上，讀取PDW流的下一個脈沖，選擇下一個脈沖信號的聚類中心，掌握雷達電源異常信號的容錯范圍[9]。

2 基于灰色聚類算法的雷達電源信號特征提取

完成上述研究后，引進灰色聚類算法，設(shè)計雷達電源信號特征的提取[10]。在此過程中，將分選后的雷達電源異常信號錄入終端濾波處理設(shè)備中，設(shè)定信號的論域，對雷達電源可能出現(xiàn)的故障進行編碼?？紤]到部分信號在雷達電源故障表述中具有一定模糊性，因此對信號在空間中進行映射處理。在映射過程中，設(shè)定針對雷達電源異常信號特征的辨識指標(biāo)，通過此種方式將異常信號中攜帶的故障元素映射到灰色聚類空間中。此過程的計算公式為

式中：O為雷達電源異常信號中故障元素的映射；R為映射空間；j為第j個故障元素；u為雷達電源異常信號中故障元素的辨識指標(biāo)；η為白化權(quán)函數(shù)。完成上述計算后，在映射空間中對呈現(xiàn)離散化狀態(tài)的雷達電源信號進行灰色聚類，此過程的計算公式為

式中：b為雷達電源信號的灰色聚類；X為灰色聚類區(qū)間；X0為灰色聚類變量。

3 雷達電源故障檢測與診斷

完成上述研究后，設(shè)計雷達電源故障的檢測與診斷。在此過程中，引進雷達電源狀態(tài)圖，對雷達電源在作業(yè)過程中可能出現(xiàn)的不同狀態(tài)及其當(dāng)前狀態(tài)進行描述。在確保雷達電源當(dāng)前運行狀態(tài)為穩(wěn)態(tài)的情況下，評估電源某項參數(shù)或技術(shù)條件發(fā)生變化時，電源的輸出參數(shù)是否會存在異常變化。將雷達電源輸出條件的變化過程作為設(shè)備狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)移的過程，對此過程進行檢測，即可實現(xiàn)對雷達電源故障的診斷。

檢測過程中，將所有用于描述雷達電源的異常信號與信號特征參數(shù)錄入終端，根據(jù)信號的采集時間與對應(yīng)時段，建立針對雷達電源故障的模擬電路，根據(jù)模擬電路的復(fù)雜度、密集度，進行雷達電源故障元件的辨識。辨識中，需要做好對雷達電源中不同故障元件作為參數(shù)的分析，將辨識結(jié)果與診斷結(jié)果錄入學(xué)習(xí)庫，當(dāng)其他雷達電源出現(xiàn)相同的故障形式或特征后，可以將故障信號與學(xué)習(xí)庫中的內(nèi)容進行對比，根據(jù)對比結(jié)果，判定雷達電源在運行與供電過程中的故障類型。通過此種方式，實現(xiàn)對雷達電源故障的檢測與診斷，完成基于灰色聚類算法的雷達電源故障檢測方法設(shè)計。

4 對比實驗

實驗前，考慮到雷達電源的供電與運行過程會受到電磁兼容、作業(yè)環(huán)境等因素的影響，可能會出現(xiàn)信號被屏蔽、接地不穩(wěn)定、散熱不合理等方面的問題。為避免在實驗過程中相關(guān)因素對雷達電源檢測結(jié)果造成影響或惡劣的實驗環(huán)境造成雷達電源損壞，需要根據(jù)實驗的需求進行測試環(huán)境的調(diào)試，使用24 V 直流電源進行雷達的供電。

實驗過程中，雷達電源系統(tǒng)的終端計算機屏幕上將呈現(xiàn)供電運行指示燈、不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）實時輸出電壓值、輸入電壓變化量、輸出電壓變化量、AC 失電指示燈等。

根據(jù)雷達電源的運行需求，電源的輸入電壓應(yīng)當(dāng)控制在交流90 ～280 V，此時輸出的電源電壓應(yīng)為220（1±1.5%）V。當(dāng)輸出電壓不滿足220（1±1.5%）V時，說明雷達電源存在故障。

實驗時，保證雷達電源輸入電壓在交流90 ～280 V 范圍內(nèi)持續(xù)供電3 min，保證雷達電源輸出穩(wěn)態(tài)后，調(diào)節(jié)雷達電源輸入電壓小于交流90 ～280 V，使用本文設(shè)計的基于灰色聚類算法的雷達電源故障檢測方法，對雷達電源的異常運行過程進行檢測，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 雷達電源輸入電壓調(diào)整前后的故障檢測結(jié)果

從上述圖1 所示的實驗結(jié)果可以看出，使用本文設(shè)計的方法進行雷達電源故障檢測，檢測結(jié)果中，前3 min 雷達電源的輸出電壓在220（1±1.5%）V 范圍內(nèi)變化，說明前3 min 雷達電源的運行無故障。3 min 后調(diào)節(jié)雷達電源的輸入電壓，調(diào)節(jié)后雷達電源的輸出狀態(tài)不在220（1±1.5%）V 范圍內(nèi)變化，說明3 min 后雷達電源的運行存在故障。將檢測的結(jié)果與預(yù)設(shè)的條件進行對比后發(fā)現(xiàn)，檢測結(jié)果與預(yù)設(shè)條件一致，說明使用本文設(shè)計的基于灰色聚類算法的故障檢測方法可以實現(xiàn)對雷達電源故障的檢測。

完成對本文方法在實際應(yīng)用中可行性的測試后，引進基于I/O 交互技術(shù)的故障檢測方法、基于MATLAB/Simulink 軟件的故障檢測方法。將提出的2種方法作為傳統(tǒng)方法1 與傳統(tǒng)方法2，使用本文方法與2 種傳統(tǒng)方法進行雷達電源故障的檢測。將3 種方法接入測試終端，當(dāng)檢測結(jié)果為“雷達電源存在故障”時，電源系統(tǒng)的指示燈亮起，此時觸發(fā)雷達電源運行預(yù)警；當(dāng)檢測結(jié)果為“雷達電源無故障”時，電源系統(tǒng)的指示燈不發(fā)生任何變化，未觸發(fā)雷達電源運行預(yù)警。選擇若干個不同型號存在故障與無故障的雷達電源，使用3 種方法對其進行故障檢測。電源系統(tǒng)指示燈亮起為“故障”，未亮起為“無故障”，分別用“Y”和“N”表示，具體的檢測結(jié)果如表1 所示。

表1 雷達電源故障檢測結(jié)果

根據(jù)上述表1 所示的實驗結(jié)果可以看出，使用本文設(shè)計的方法進行雷達電源故障檢測，所有存在故障的雷達電源檢測后的指示燈全部亮起，無故障的雷達電源檢測后指示燈全部未亮起。而使用傳統(tǒng)方法1與傳統(tǒng)方法2 進行雷達電源故障檢測后，無法實現(xiàn)將檢測結(jié)果與雷達電源故障狀態(tài)進行適配。

5 結(jié) 論

本文通過雷達電源異常信號分選、基于灰色聚類算法的雷達電源信號特征提取、雷達電源故障檢測與診斷，設(shè)計了一種針對雷達電源故障的全新診斷方法。完成對該方法的設(shè)計后，引進基于I/O 交互技術(shù)與基于MATLAB/Simulink 軟件的故障檢測方法作為傳統(tǒng)方法，使用本文方法與傳統(tǒng)方法進行對比。對比后，證明了相比傳統(tǒng)方法，本文設(shè)計的基于灰色聚類算法的雷達電源故障檢測方法可以在實現(xiàn)對雷達電源輸出電壓異常精準(zhǔn)識別的基礎(chǔ)上，提高雷達電源故障檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。