舰载光电跟踪系统跟踪不稳定故障分析与快速诊断.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：张弛（1986），男，安徽蚌埠人，本科，助教，研究方向为故障分析与诊断。-71-舰载光电跟踪系统跟踪不稳定故障分析与快速诊断 张 弛 宋春霞 赵晨曦 殷浩洋 海军士官学校，安徽 蚌埠 233012 摘要：摘要：为满足舰载光电跟踪系统维修快速性和准确性的要求，针对舰载光电跟踪系统跟踪不稳定故障，通过分析舰载光电跟踪系统工作原理建立故障树，定位故障位置进行排除，分析故障原因并制定改进措施。针对舰载光电跟踪系统线缆故障检测与诊断困难的特点，分析了线缆故障产生的原因，提出了采用数字信号对线缆进行快速检测，具有操作方便和效率高的特点。关键词：关键词：舰载光电跟踪系统；故障树；故障诊断；间歇故障 中图分类号：中图分类号：V271.4 舰载光电跟踪系统是一种具有高探测能力和精密跟踪性能，在目标动态测量、轨迹跟踪记录、侦查监视、定位通信、制导瞄准等军事领域广泛应用的设备1，不仅是舰炮武器系统的重要探测设备2，也可用于为舰载近中程防空导弹提供目标指示，是舰艇主炮武器系统对岸火力支援唯一可用的跟踪器。舰载光电跟踪系统采用被动式光电传感器探测目标，不易受电磁干扰，并且低仰角跟踪能力强，可对付低空和海面目标，是实施精确打击来袭目标的必要保障3。舰载光电跟踪系统能够通过红外、电视两路传感器分别向指挥台提供目标图像，实现对目标的角跟踪，通过激光测距单元测量目标距离，实现了对目标的距离跟踪。舰载光电跟踪系统因其良好的成像能力和隐蔽性，成为舰艇日常观测的主力手段。当光电跟踪系统出现故障，势必对舰艇的作战能力造成影响。本文采用故障树的分析手段对舰载光电跟踪系统跟踪不稳定故障进行分析，提出采用数字信号对线缆故障进行快速诊断。1 舰载光电跟踪系统工作原理 舰载光电跟踪系统是一种远距离监视、跟踪与火力打击装置，主要由光电指向器和控制机柜组成 3。光电指向器内安装有电视摄像机、红外热像仪和激光测距机 3 个光电传感器。舰载光电跟踪系统是利用电视、红外等光电传感器将目标的光信号转换为电信号，使用图像处理技术实时获取被跟踪目标的图像和角坐标，与光电指向器的角度进行比较，通过取差器获得高低和方位偏差，驱动伺服电机控制光电指向器转动，始终指向目标，将目标锁定在视场中央，工作原理如图 1 所示。光电指向器图像处理取脱靶量方位取差器方位伺服电机高低伺服电机目标+高低取差器控制计算机控制计算机 图 1 舰载光电跟踪系统工作原理图 当目标 P 发生运动，偏离视轴 角度，相应会在图像上产生偏差（X，Y），X 和Y 由控制计算机从电视摄像机或者红外热像仪输出的图像提取，如图 2 所示。PX1X2Y1Y2yx 图 2 计算目标偏差量示意图 中国科技期刊数据库 工业 A-72-目标 P 被波门套住后，通过存入的目标特征值，统计出目标在 X 和 Y 方向上的最前沿附近的数值和最后沿附近的数值，再进行求和平均运算，X 为：2121XXX（1）Y 为：2121YYY（2）已知光学镜头的焦距为 f，则目标偏离视轴的角度 为：fYXarctan22（3）控制计算机依据脱靶量，控制伺服系统进行校正，使目标视频信号始终同光轴中心重合，目标处于显示器的中心位置，实现稳定跟踪。图像处理求取脱靶量过程由控制计算机中的视频处理板和取差器模块进行处理。2 舰载光电跟踪系统跟踪不稳定故障分析与排除 2.1 舰载光电跟踪系统故障现象 舰艇使用舰载光电跟踪系统电视传感器对海上运动目标进行捕获跟踪，在跟踪过程中电视视频图像出现闪烁，无法稳定跟踪目标。当目标运动到左弦 90位置，显示器黑屏，无视频图像显示。光电指向器归零，设备重启后故障消失。2.2 建立故障树模型 故障树分析是以某一系统所不期望发生的事件（故障）作为研究对象，按照该系统的功能及结构关系，先找出导致这一事件（顶事件）发生的全部因素，再将这些因素作为第二级事件（中间事件），找出第二级事件发生的全部因素，依次类推，逐级地查找至系统最末端的直接因素（底事件）4。根据舰载光电跟踪系统工作原理，建立以舰载光电跟踪系统跟踪不稳定为顶事件的故障树，如图 3 所示。故障树按照由上到下，由左到右的原则，列出可疑故障点，并根据故障点制定相应的排查方案。2.3 故障分析 根据故障树对舰载光电跟踪系统跟踪不稳定故障排查过程如下：2.3.1 A 事件电视传感器故障排查 操作手控制光电指向器旋转至左弦 90，显示器无电视视频图像输出，利用专用光电单体加电工装，单独为电视传感器加电，电视视频在工装上显示正常，持续 1 小时未发现异常，使用万用表测量光电指向器供电正常，故可排除电视传感器故障的可能性。图 3 舰载光电跟踪系统跟踪不稳定故障树 2.3.2 B 事件取差器故障排查 取差器由方位取差器和高低取差器组成，为工业模块化设计，更换备用取差器后，故障仍然存在，可排除取差器故障。如无备用取差器，可将红外取差器和电视取差器互换，故障仍然存在，也可排除取差器故障。2.3.3 C 事件显示类故障排查（1）C1 事件显示器故障排查。检查显示器电源工作指示灯正常，断电后使用万用表检测电源供电正常，显示器自带信号菜单显示正常，排除显示器电源故障。将备用显示器更换后，故障仍然存在，排除显示器故障。（2）C2 事件视频图像处理板故障排查。视频图像处理板位于控制机柜内，用于数字图像处理和脱靶量提取，为插板模块化设计，更换备用视频图像处理板后，故障未消失，排除视频图像处理板故障。光电跟踪系统跟踪不稳定B:取差器故障C:显示单元故障B1:方位取差器故障B2:高低取差器故障C1:显示器故障 C2:视频图像处理板 故障A:电视传感器故障D:信号传输电缆故障1中国科技期刊数据库 工业 A-73-2.3.4 D 事件信号传输线缆故障排查 舰艇光电跟踪系统中光电指向器属于舱外设备，接线箱和控制机柜放置在舱内设备室，取差器和显示单元位于控制机柜内，设备之间通过线缆进行信息传输。电视摄像机将光学信号转换为电信号，经光电指向器内部线缆传输至指向器接口，经舱室线缆传输至接线箱，由取差器获取脱靶量后，将信号传输至显示单元，如图 4 所示。光电指向器接线箱取差器显示单元 图 4 舰载光电跟踪系统信号传输示意图 根据舰载光电跟踪系统信号传输流程，建立以 D事件信号传输线缆故障为顶事件的故障树，如图 5 所示。D:信号传输线缆故障D2:接线箱线缆故障D3:取差器线缆故障 D2.1:接线箱上端线缆故障 D2.2:接线箱内部线缆故障 D2.3:接线箱下端线缆故障 D3.1:取差器输入线缆故障 D3.2:取差器输出线缆故障1D1:光电指向器线缆故障 D1.1:光电指向器内部线缆故障 D1.2:光电指向器下端线缆故障 图 5 信号传输线缆故障树 舰艇光电跟踪系统一般采用多芯线缆在短距离内输送电能以及传递控制信号，任何一部分损坏都将影响光电跟踪系统的正常工作。针对这种情况，将线缆低事件按照线缆的工作环境恶劣程度以及受到的应力情况进行排序，如表 1 所示。按照基本故障事件的故障概率高低，先对高概率事件排除。光电指向器旋转至左弦 90，显示器无电视视频图像输出，拆下线缆两端使用万用表进行通断测试，发现线缆导体有断裂情况，但线缆和单根线路的绝缘层均完好，指向器归零时，断裂处以点接触的方式继续工作。将断裂芯线焊接后故障消失，舰载光电跟踪系统正常工作。2.4 故障原因及改进措施 2.4.1 故障原因 线缆弯曲半径约为 1cm,远小于规定数值 10cm，导致线缆导体受力断裂，同时线缆长期弯曲过小半径还会导致绝缘层破损，影响其绝缘性能，缩短使用寿命。（2）线缆绝缘层受到盐分腐蚀，抵抗机械应力能力下降，光电指向器长期转动，应力施加于线缆中的导体，导致芯线内部导体断裂。2.4.2 改进措施（1）定期系统排查装备问题，做好应急预案。建立定期检查制度，将线缆及线缆插头弯曲半径列入检查范围，确保连接牢固可靠，根据故障原理和现象，统计底事件发生概率，便于快速排除故障。（2）加强对于高盐高温环境设备的保护。对于容易受到盐分腐蚀的线缆，将线缆暴露部分添加保护层，定期检查其受到的机械应力，提高更换线缆的频次。3 舰载光电跟踪系统跟踪不稳定故障快速诊断 快速诊断故障原因，准确定位故障位置，对于恢复装备性能，提高部队战斗力有显著作用。舰载光电跟踪系统大部分部件采用模块化设计，为快速定位及排除故障提供了便利，但是线缆故障存在检测空间狭小、隐蔽性强等特点，定位及排除都比较困难。3.1 故障树快速诊断 对于舰载光电跟踪系统内部同一设备或部件，通过建立故障树按照由外至内，由简单到复杂，由频发故障到少发故障的原则，分析其故障原因。在排除故表 1 线缆故障底事件发生概率 底事件 是否处于高盐环境 是否处于高温环境 是否受到应力 故障概率 D1.2:光电指向器下端线缆故障 是 是 是 高概率 D2.1:接线箱上端线缆故障 是 是 是 高概率 D2.3:接线箱下端线缆故障 是 是 否 中等概率 D3.1:取差器输入线缆故障 是 是 否 中等概率 D3.2:取差器输出线缆故障 是 是 否 中等概率 D1.1:光电指向器内部线缆故障 否 是 否 低概率 D2.2:接线箱内部线缆故障 否 是 否 低概率 中国科技期刊数据库 工业 A-74-障的过程中，结合舰载光电跟踪系统工作原理，以异常现象为依据，分析故障和检查定位。3.2 线缆快速诊断 舰载光电跟踪系统线缆出现故障的原因包括外力损伤、腐蚀、过热、绝缘老化变质等5，舰艇在海面上航行，受到风浪的影响会产生摇摆，同时光电指向器为跟踪飞机、导弹等快速移动目标，会产生较大的角度加速度，使得连接的线缆受到应力的作用而产生损伤，同时舱面设备的线缆容易受到海水中盐分的腐蚀。3.2.1 线缆故障现象（1）断路故障，线缆不同线路之间或对地电阻达到规定数值，但是工作电压不能传输到对端，单根线路发生断路。（2）短路故障，线缆受到海水中盐分的腐蚀，电阻绝缘层发生破损，线缆不同线路之间或对地的绝缘电阻小于规定数值。（3）间歇故障，此类故障是在故障发生后，不经维修可以自行恢复其功能的故障6，其特点是线缆在应力的环境中，故障时有时无，脱离环境后自动恢复。从故障现象分析，舰艇光电跟踪系统信号传输线缆故障属于间歇故障，当光电指向器转到固定的角度时产生应力，线缆断裂，光电指向器归零时，由于应力的消失，故障消失。间歇故障的检测与诊断都十分困难，为有效找出故障点，必须在光电指向器转动，线缆有应力的环境下复现出间歇故障。3.2.2 传统的线缆故障检测方法 目前舰艇上常用排除线缆故障有两种方法：一是使用万用表按照信号的流向，逐段对线缆的通断进行检测，适合排除断路故障；二是使用兆欧表测量线缆不同线路之间或对地的绝缘电阻，用于排除短路故障。传统的线缆故障检测方法随着武器装备复杂性的提高，适用性越来越差，通常用于故障简单、检测环境好的情景。排除部分间歇故障时，需要设备持续转动对故障进行复现，无法使用传统的检测方法对线缆进行检测。3.2.3 数字信号快速检测方法 舰载武器系统的线缆检测不同于电力线缆的检测，设备虽然分布在不同的舱室，但是线缆长度有限，具备两端同时检测的条件，所以可以采用数字信号对线缆进行检测。假设待测线缆的芯数为 8 根，把发射信号的端口设为 Ai，接收信号的端口设为 Bj，芯线编码为 1-8，依次在 A 端发送数字信号 A1（00000001）、A2（00000010）、A3（00000100）、A4（00001000）、A5（00010000）、A6（00100000）、A7（01000000）、A8（10000000）。当 i=j,在接收端收到对应的 Ai=Bj，则代表 i 根芯线为正常，否则为断开。假设待测线缆的芯数为 n 根,A 端发送的数字信号为 f(ai),B 端接收的数字信号为 f(bj),则有公式：niafii1,2)(1（4）则线缆无故障的充要条件为：jibfafji),()(（5）如果线缆第 i 根芯线发生断裂，则：jibfbfafjji,0)(),()(且（6）排查设备线缆间歇故障时，使用上位机在线缆 A端持续发送数字信号，设备持续转动复现故障，下位机在线缆 B 端接收数字信号。上位机与下位机之间建立通讯，将发送的信号与接收的信号进行对比，如 A端与 B 端信号不同，线缆存在故障，对比显示出故障的线路编号，如 A 端与 B 端信号相同，若线缆不存在故障。4 结束语 武器装备的稳定性是其衡量其性能的重要指标。现代武器装备自动化程度高，各部件之间协调配合过程较为复杂，导致故障定位难、排故时间长。本文根据舰载光电跟踪系统工作原理，建立了以舰载光电跟踪系统跟踪不稳定为顶事件的故障树，按照故障树模型对引起故障原因进行排查，快速定位了故障原因，提出了改进措施。针对舰载武器设备线缆间歇故障检测与诊断困难的特点，提出了采用数字信号对线缆进行检测，具有操作方便和效率高的特点。参考文献 1王 珏.基于改进干扰观测器的舰载光电跟踪系统重复控制J.舰船电子工程,2017(11):138-142.中国科技期刊数据库 工业 A-75-2罗兵,冯瑜,金晓宇.舰载光电跟踪仪应用及发展J.激光与红外,2015,10(45):1171-1174.3仲维彬.舰载光电跟踪与火控系统发展J.应用光学,2022,7(4):557-564.4王飞.基于故障树的雷达故障诊断方法研究J.信息化研究,2016,42(3):59-62.5刘红,周国忠.线缆故障检测方法J.计算机测量与控制,2020,28(12):41-47.6邓冠前,邱静,李智等.间歇故障诊断技术研究综述J.兵工自动化,2015(01):15-20.