高 峰,叢天孺,丁 鼎

(中國船舶集團(tuán)有限公司第七二三研究所,江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

雷達(dá)接收機(jī)是雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分,其健康狀況對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的性能有著極其重要的影響。隨著故障預(yù)測(cè)與健康管理(PHM)系統(tǒng)在雷達(dá)接收機(jī)系統(tǒng)中的研究和應(yīng)用日趨廣泛,其在雷達(dá)接收機(jī)系統(tǒng)健康狀態(tài)的評(píng)估以及實(shí)施視情維修領(lǐng)域的重要性也得到了設(shè)計(jì)者的認(rèn)可。有針對(duì)性地研究雷達(dá)接收機(jī)的PHM設(shè)計(jì)技術(shù),能夠有效提高其可靠性、保障性和維修性水平。邵凡麒等[1]從接收機(jī)信號(hào)流的角度分析各模塊BIT信息,利用各模塊間功能相關(guān)性,深度挖掘其中包含的接收機(jī)健康狀況信息,并結(jié)合系統(tǒng)工作狀態(tài),綜合研判得出接收機(jī)的健康狀況;胡國光等[2]在機(jī)載雷達(dá)接收機(jī)射頻鏈路中加入監(jiān)測(cè)點(diǎn),并對(duì)檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行數(shù)字量化處理,實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻鏈路的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè);李保東等[3]提出了接收機(jī)PHM健康評(píng)估與預(yù)測(cè)的定義,分析了健康參數(shù)偏離次數(shù)、偏離概率影響接收機(jī)健康狀態(tài)的評(píng)估方法;郝洋等[4]在模糊理論的基礎(chǔ)上,結(jié)合雷達(dá)接收機(jī)的故障特點(diǎn),提出采用分階段動(dòng)態(tài)調(diào)整權(quán)系數(shù)的綜合法建立模糊矩陣,建立了雷達(dá)接收機(jī)模糊故障診斷系統(tǒng);陳世杰等[5]利用多信號(hào)流圖模型建立了雷達(dá)接收機(jī)的故障診斷模型,得到了反映故障源和測(cè)試結(jié)果之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的故障依賴矩陣,在此基礎(chǔ)上結(jié)合故障源先驗(yàn)故障概率信息推導(dǎo)了一種計(jì)算故障源貝葉斯最大后驗(yàn)概率的算法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)雷達(dá)接收機(jī)系統(tǒng)的在線多故障實(shí)時(shí)診斷。

而在PHM系統(tǒng)中,傳感器的配置是收集系統(tǒng)健康信息最直接的方式,決定了故障診斷和預(yù)測(cè)是否有效。傳感器的優(yōu)化配置主要解決兩個(gè)基本問題:一是傳感器類型選擇問題,當(dāng)PHM進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí),測(cè)量參數(shù)的選擇對(duì)故障診斷和預(yù)測(cè)結(jié)果影響較大,在滿足裝備性能參數(shù)的基礎(chǔ)上,從眾多類型中選擇理想的傳感器顯得尤為重要;二是傳感器數(shù)量問題,傳感器數(shù)量越多,越有利于狀態(tài)評(píng)估的準(zhǔn)確性,但會(huì)造成分析和處理的信息量增大,影響系統(tǒng)的效率和質(zhì)量,傳感器數(shù)量過少,則會(huì)造成獲取信息不全,可能引發(fā)虛警和漏檢等問題[6]。本文將在構(gòu)建雷達(dá)接收機(jī)傳感器配置模型的同時(shí),以提高PHM系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性為原則,充分考慮傳感器配置帶來的額外成本及失效情況,對(duì)雷達(dá)接收機(jī)配置模型進(jìn)行優(yōu)化,解決傳感器類型和數(shù)量的選擇問題。

1 傳感器配置模型

PHM系統(tǒng)中傳感器優(yōu)化配置的目的是:如果傳感器未檢測(cè)到故障發(fā)生,那么要使其造成的危害程度最小;使用盡可能少的傳感器,使該系統(tǒng)的故障檢測(cè)成本最小。傳感器優(yōu)化配置的目標(biāo)函數(shù)為:

f=ω1M1+ω2M2

(1)

式中:ω1、ω2分別為漏檢危害程度和總成本的權(quán)重系數(shù),其具體數(shù)值大小可由決策人員根據(jù)實(shí)際情況而定;M1為以漏檢造成的危害程度總和最小為目標(biāo)函數(shù);M2為以傳感器系統(tǒng)的總成本最小為目標(biāo)函數(shù),其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

(2)

式中:p為各故障模式的先驗(yàn)概率;h為各故障模式的漏檢危害程度;c為各類型傳感器的成本;q為各類型傳感器安裝的數(shù)量;pfdi為故障fi被傳感器檢測(cè)到的概率:

(3)

式中:λj為傳感器自身發(fā)生故障的概率;E為人為經(jīng)驗(yàn)影響因子;dij表示故障fi能否被傳感器sj檢測(cè)到,dij=1表示檢測(cè)到,dij=0表示檢測(cè)不到。

被檢測(cè)系統(tǒng)的故障檢測(cè)率、故障隔離率、虛警率的數(shù)學(xué)表達(dá)式分別為:

(4)

式中:PFD為系統(tǒng)故障檢測(cè)率指標(biāo)要求;PFI為系統(tǒng)故障隔離率指標(biāo)要求;PFA為系統(tǒng)虛警率指標(biāo)要求。

PHM系統(tǒng)中傳感器優(yōu)化配置的目的是在滿足故障檢測(cè)率、故障隔離率和虛警率,即條件式(4)的情況下,使故障漏檢危害程度和傳感器總成本,即目標(biāo)函數(shù)(1)取得最小值。

2 雷達(dá)接收機(jī)故障模式及傳感器檢測(cè)能力分析

PHM系統(tǒng)以減低使用和保障費(fèi)用、提升裝備完好性和任務(wù)成功率為目的,其效果很大程度上依賴于傳感器獲取的狀態(tài)信息。為確保傳感器對(duì)裝備故障狀態(tài)的全面覆蓋和有效辨別,必須對(duì)影響裝備可靠與安全運(yùn)行的因素進(jìn)行故障模式與影響分析(FMEA),主要內(nèi)容包括:各系統(tǒng)的功能、故障模式、故障原因和故障影響等[7]。通過FMEA所提供的故障信息,明確各關(guān)鍵部位可能會(huì)發(fā)生何種故障,設(shè)計(jì)師找出可能發(fā)生的原因及位置,并結(jié)合傳感器檢測(cè)方式及能力,就此確定系統(tǒng)故障模式與傳感器的相關(guān)性[8]。

2.1 雷達(dá)接收機(jī)故障模式與影響分析

雷達(dá)接收機(jī)的主要功能是從天線所接收到的眾多電磁信號(hào)中選出相關(guān)目標(biāo)回波信號(hào),經(jīng)過放大、變頻后形成中頻信號(hào)輸出至信號(hào)處理系統(tǒng)。典型的雷達(dá)接收機(jī)一般采用超外差式結(jié)構(gòu),這種接收機(jī)結(jié)構(gòu)能夠較好地解決“靈敏度”與“選擇性”的問題。超外差雷達(dá)接收機(jī)一般由預(yù)選濾波器、低噪聲放大器、混頻器、濾波器、本振信號(hào)源等組成,其基本原理框圖如圖1所示。在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中,可以視情進(jìn)行調(diào)整與增減,譬如在有抗功率燒毀要求時(shí),可以在前級(jí)增加限幅器;在噪聲系數(shù)要求較高時(shí),可以將預(yù)選濾波器放置到低噪聲放大器之后;在有靈敏度時(shí)間控制(STC)要求時(shí),可以在相應(yīng)的位置增加STC電路;在有手動(dòng)增益控制(MGC)或自動(dòng)增益控制(AGC)要求時(shí),可以在相應(yīng)的位置增加MGC或AGC電路。

圖1 超外差雷達(dá)接收機(jī)原理框圖

圖1所示的超外差雷達(dá)接收機(jī)的每個(gè)組成模塊都可能在設(shè)備工作時(shí)發(fā)生故障,對(duì)裝備可靠與安全運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。表1就各模塊的功能、故障模式、故障原因、故障影響、嚴(yán)酷度、故障概率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。從表1中可以發(fā)現(xiàn),超外差雷達(dá)接收機(jī)的各模塊出現(xiàn)故障時(shí),均會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)乃至雷達(dá)整機(jī)出現(xiàn)性能下降或無法正常工作。

表1 雷達(dá)接收機(jī)常見故障模式與影響分析表

2.2 傳感器檢測(cè)能力分析

為對(duì)表1所列的常見故障進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估,根據(jù)雷達(dá)接收機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn),需要對(duì)多種特征參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),一般可采取電壓、電流、溫度、功率等類型傳感器進(jìn)行配置。表2對(duì)常用傳感器的檢測(cè)方式、檢測(cè)范圍、檢測(cè)精度、檢測(cè)成本、缺點(diǎn)等方面進(jìn)行了分析。從表2中可以看出,這幾種常用傳感器的共同特點(diǎn)是檢測(cè)精度不高,有檢測(cè)缺點(diǎn),不適合單獨(dú)配置使用;但其成本低、可靠性高的優(yōu)勢(shì)可以使設(shè)計(jì)者必要時(shí)在系統(tǒng)中適當(dāng)增加傳感器的種類和數(shù)量,以增加檢測(cè)信息的獲取量,減少虛警和漏檢的概率。

表2 常用傳感器檢測(cè)能力分析

3 雷達(dá)接收機(jī)傳感器優(yōu)化配置

通過表1、表2的分析,對(duì)典型雷達(dá)接收機(jī)故障模式與傳感器配置建立相關(guān)性矩陣,如表3所示。表3中故障模式fi后括號(hào)內(nèi)的故障代碼來自表1中的故障模式識(shí)別號(hào),傳感器S1(V)為二次電源電路輸出電壓傳感器,檢測(cè)輸出電壓;S2(I)～S5(I)為電流傳感器,分別對(duì)應(yīng)檢測(cè)二次電源電路輸出電流、低噪聲放大器工作電流、一中放大器工作電流、二中放大器工作電流;S6(P)～S8(P)為功率傳感器,其中S6(P)～S7(P)為一本振信號(hào)和二本振信號(hào)功率檢測(cè)傳感器,S8(P)依賴后端信號(hào)處理設(shè)備檢測(cè)接收機(jī)噪聲功率。

表3 典型雷達(dá)接收機(jī)故障模式與傳感器相關(guān)性矩陣

由此建立的接收機(jī)故障模式與傳感器相關(guān)性矩陣記為D=[dij],i=1,2,…,16,j=1,2,…,8。其中,D為布爾矩陣,dij表示故障fi能否被傳感器Sj檢測(cè)到,dij=1表示能被檢測(cè)到,dij=0表示不能被檢測(cè)到。矩陣中第i行向量fi=[di1,di2,…,di8]描述了故障fi發(fā)生時(shí)8種傳感器檢測(cè)的結(jié)果,可以看作是故障fi發(fā)生的征兆;第j列向量Sj=[d1j,d2j,…,d16j]描述了傳感器Sj檢測(cè)到的故障結(jié)果,可以看作是傳感器Sj的檢測(cè)能力。故障模式與傳感器相關(guān)性矩陣描述了雷達(dá)接收機(jī)系統(tǒng)中的故障模式與相應(yīng)傳感器之間的相關(guān)性,是進(jìn)行傳感器優(yōu)化配置的基礎(chǔ)。

結(jié)合一個(gè)雷達(dá)接收機(jī)系統(tǒng)的具體實(shí)例,假設(shè)其故障檢測(cè)率指標(biāo)為95%,故障隔離率指標(biāo)為90%(1個(gè)LRU),虛警率指標(biāo)為5%,此為條件函數(shù)式(4)的約束要求。結(jié)合專家知識(shí)基礎(chǔ)庫信息,綜合考慮影響傳感器故障檢測(cè)能力的主要因素,如靈敏度、信噪比和動(dòng)態(tài)范圍等,對(duì)表3中的傳感器的檢測(cè)能力dij進(jìn)行適當(dāng)賦值,由表1中故障模式嚴(yán)酷度分級(jí)對(duì)表3中的故障模式fi(ij)進(jìn)行危害程度的賦值,最后加入傳感器Sj的經(jīng)濟(jì)成本以及核算后的故障率的量化值,得到改進(jìn)的雷達(dá)接收機(jī)故障模式與傳感器相關(guān)性矩陣,如表4所示。

表4 改進(jìn)的雷達(dá)接收機(jī)故障模式與傳感器相關(guān)性矩陣

將故障檢測(cè)率、故障隔離率、虛警率指標(biāo)作為條件函數(shù)式(4)的約束要求,將表4中的傳感器故障檢出概率、經(jīng)濟(jì)成本、故障率以及故障模式的危害程度代入條件函數(shù)式(4),結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本總目標(biāo),即可完成雷達(dá)接收機(jī)傳感器的優(yōu)化配置。

此外,由于半導(dǎo)體元器件普遍具有工作參數(shù)隨溫度變化的特性,因此在工程應(yīng)用中對(duì)故障檢測(cè)信息進(jìn)行處理時(shí),需對(duì)專家知識(shí)基礎(chǔ)庫信息進(jìn)行溫度修正。具體措施是在雷達(dá)接收機(jī)系統(tǒng)中心區(qū)域及邊緣區(qū)域配置溫度傳感器,收集系統(tǒng)工作時(shí)的溫度信息,建立溫度/電流、溫度/功率變化曲線的專家知識(shí)基礎(chǔ)庫,提高故障檢測(cè)的準(zhǔn)確度。

4 結(jié)束語

本文在面對(duì)雷達(dá)接收機(jī)傳感器配置問題時(shí),基于面向PHM的故障模式與傳感器相關(guān)性的理論,對(duì)典型雷達(dá)接收機(jī)傳感器種類特性進(jìn)行了分析,綜合考慮傳感器的檢測(cè)能力、故障率、成本等因素,形成傳感器配置目標(biāo)函數(shù),再結(jié)合雷達(dá)接收機(jī)系統(tǒng)的故障檢測(cè)率、故障隔離率、虛警率具體指標(biāo)以及各故障模式的先驗(yàn)概率和危害程度,經(jīng)傳感器配置條件函數(shù)優(yōu)化約束,得到傳感器的優(yōu)化配置方法。