某相控阵雷达天线测试性建模与指标优化研究.pdf

:./.收稿日期:修回日期:基金项目:国防科工局技术基础科研“十三五”第五批项目()某相控阵雷达天线测试性建模与指标优化研究张 宇赵 宁唐 环李芸倩黄大荣(.中国船舶集团有限公司第八研究院南京.北京可维卓立科技有限公司北京.重庆交通大学重庆)摘 要:以某相控阵雷达天线面阵为分析对象基于相关性模型对天线面阵进行测试性建模仿真得到故障检测率、故障隔离率等指标 根据仿真结果分析冗余测试与不可检测故障完成测试性模型优化改进 与优化前的结果相比故障隔离率有了明显提高从而验证了测试性优化的有效性可为其他产品测试性建模与优化设计提供参考关键词:相控阵雷达天线面阵测试性建模相关性模型故障隔离率中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:引 言相控阵雷达具有功能结构复杂、系统组成庞大等特点对故障诊断能力提出了更高的要求 测试性能够帮助及时准确地确定设备状态得到故障检测率、故障隔离率等数据并隔离其内部故障通过测试性手段确定故障是一种行之有效的方式可以帮助降低排故难度 好的测试性不仅可以与可靠性相辅相成还能提高装备的战备完好性减少维修时间和维修费用因此很有必要在研制阶段对装备进行测试性分析、评估与验证文献 分析了不同装备对象的测试性但研究主要针对故障检测率的提高鲜少涉及故障隔离率 为了完成相控阵雷达天线面阵的测试性分析并进一步提高测试性设计水平本文首先以相关性模型为理论基础通过分析、组件故障联系、故障故障联系、故障测试联系建立天线面阵的系统测试性模型并进行仿真分析然后根据仿真结果通过分析冗余测试、改进优化测试模型等方式建立优化后测试第 卷 第 期 年 月雷达与对抗 .性模型最后通过测试性仿真验证了故障隔离率指标是否得到改善 测试性指标测试性指标包括故障检测率、故障隔离率、虚警率、平均故障检测时间、平均故障隔离时间、平均诊断时间等其中故障检测率和故障隔离率是最常用的两个指标 故障检测率用能够检测出的故障与设备总体故障的比值表示故障隔离率用能够被隔离出的故障与可以被检测出的故障的比值表示.故障检测率故障检测率数学模型可以表示为()式中 表示在时间 内的故障总数 为被检测到的故障数当故障率 为常数时式()可以改写为 ()式中 为所有能被检测出的故障模式的故障率之和 为实际存在的所有故障模式故障率之和 为检测出第 个故障模式的故障率 为本身第 个故障模式的故障率.故障隔离率故障隔离率数学模型可以表示为()式中 为隔离到小于等于 个可更换单元的故障数 为检测到的故障数也可以用故障率替换表示为 ()式中 为隔离到小于等于 个可更换单元故障模式的总故障率 为检测出的所有故障模式总故障率为可隔离到小于等于 个可更换单元的故障中第 个故障模式故障率 为隔离组内的可更换单元数也称为模糊度 测试性建模与仿真流程测试性建模与仿真流程图如图 所示:()明确产品的功能与原理得到整体组成与功能表()根据产品本身设计与实际分析需求确定产品的隔离与分析层次画出产品层级关联图()通过测试性信息表的输入信息与 明确组件间、组件故障、故障间的信号流向关系得到信息流向关系图等信息()确定各层级的测试点位置与类型分析故障测试的相关性得到相关性图示模型与 矩阵()进行基于 软件的测试性仿真建模与分析并在分析结果的基础上优化测试性模型图 测试性建模与仿真流程图 实例分析与指标优化选取某相控阵雷达天线面阵为分析对象依照图 完成测试性建模分析与评估.明确产品功能与原理天线面阵主要组成为电源组件、频综组件、/组件、组件、定时模块等其中电源组件负责将高电压隔离转换为低电压并给其他组件供电频综组件为面阵提供相参时钟和本振信号/组件负责信号的接收和发射、接收波束预处理等 组件分为三级与二级组件主要完成接收波束合成等功能定时模块主要完成波形、频率等控制功能.确定分析与隔离层级基于天线功能原理和结构组成分析确定分析和隔离的层次确定的层次就是最后要对应故障模式的层次 图 为相控阵雷达天线层级划分依据项目要求 确定需要分析隔离的层次为 级雷达与对抗 年 第 期图 相控阵雷达天线层级划分图.明确信息流向关系分析电源组件、频综组件、组件、定时模块以及/组件的故障信息包括故障信息流向、故障位置、故障模式、故障严酷度和故障发生概率首先分析组件间关系得到组件之间信号流向关系然后分析各组件内部的故障传播关系得到各组件内部故障与组件输入输出的信息流向关系最后分析组件内部故障与故障之间的传播关系.组件间信息流向关系以定时模块为例编制信号流向关系表如表 所示包括输入/输出端口、信号名称、信号来源/去向等内容厘清各 输入输出信号以及相互之间的信号流向关系表 定时模块信号流向关系序号端口方向信号名称信号来源/去向输入 电源面阵时钟频综组件光纤数据入面阵光纤网络入面阵输出触发信号三级 组件光纤数据发三级 组件光纤网络发三级 组件光纤数据发频综组件.组件故障间的信息流向关系以电源组件为例根据分析得到的组件自身具有的故障与输入输出信号的关系编制 级的故障信息表如表 所示包括 名称、故障率、故障模式、故障影响的输出信号与相关输入信号等内容表 电源组件故障信息表名称故障率/(/)故障模式故障影响的输出信号相关输入信号电源.电源组件输出异常 电源 电源电源组件无法开机 电源.故障间的信息流向关系故障的传播与组件相关某个故障的发生也可能引起其他 个或多个故障的发生如图()、()所示而多个故障同时发生也许会导致某个故障产生如图()所示因此须明确各 故障模式间的关系图 故障间传播方式以定时模块为例编制定时模块故障模式表如表 所示表 定时模块故障模式 名称故障模式代号定时模块模块供电功能异常模块定时处理功能异常模块网络异常模块发送(面阵下行)数据异常模块接收数据异常 以定时模块 个故障模式代号为横纵坐标可以得到故障与故障的相关性矩阵如表 所示表 故障模式相关性矩阵相关性.明确测试点位置与类型仍然以定时模块为例明确使用的测试方法与测试手段编制测试信息表如表 所示表 测试信息表测试类型测试的本模块故障模式测试方法代号人工测试模块供电功能异常仪表测量自动测试模块定时处理功能异常软件采集数据自动测试模块网络异常网络抓包自动测试模块发送数据异常软件采集数据自动测试模块接收数据异常软件采集数据张 宇 等 某相控阵雷达天线测试性建模与指标优化研究.建立相关性图示模型以及 矩阵利用上述定时模块故障模式与测试点信息绘制故障与测试的相关性模型如图 所示 根据图 可得到对应的 矩阵如表 所示图 定时模块故障测试相关性图示模型表 定时模块故障测试的 矩阵.基于 的测试性建模仿真与分析依据上述步骤开展天线面阵的测试性建模仿真工作电源组件和定时模块故障模式关系模型分别如图()、图()所示()电源组件()定时模块图 故障模式关系模型 对测试性模型进行仿真分析设定分析层次为 级 选择所有测试种类 得到故障检测率为.故障隔离率在模糊度为、时均为.查看仿真分析结果报表主要分析其中的不可检测故障和冗余测试组如表、表 所示表 不可检测故障序号不可检测故障面阵组件数字板不工作()表 冗余测试序号冗余测试模糊度数字板工作异常组件所有收发模块不工作二级 模块 处理功能异常模块接收数据异常模块发送数据异常三级 模块 处理功能异常模块接收数据异常模块发送数据异常 由表 可知整个测试性模型仅有 内部的 个故障模式不可检测由表 可知在 个/组件中各有两个测试点对整个测试模型是冗余的二级 与三级 也各有 个测试点是冗余的形成模糊度为 的冗余测试组(模糊组)这表明测试性模型存在设计不合理应该采取相应措施进行设计优化.测试性模型优化首先对测试性模型进行 追踪如图 所示查看不可检测故障与模糊组的形成区域见其中虚线连接部分图 /组件中异常联系雷达与对抗 年 第 期图 二级 组件中异常联系图 三级 组件中异常联系通过 追踪得到故障模式的传播关系相关测试点如表 所示表 工作异常关联测试点表故障模式关联 关联测试点模糊度数字板工作异常()二级 三级 由图 可知大型模糊组主要由各 故障模式之间的传播关系造成最大是模糊度为 的模糊组如表 所示这种大的模糊组在实际检修排故中将带来不小的阻碍因此有必要对现有的测试性模型进行合理性优化改进 针对模糊组和不可检测故障主要集中部分 /组件、组件分析各故障模式实际发生的合理性、故障模式之间连接合理性以及测试点设置与连接合理性形成测试性模型的改进优化策略:对于 组件根据供电异常可以直接被检测到去除“模块供电异常”故障模式与其余所有故障模式的相连根据数据传输需要利用光纤的特性添加“光纤传输异常”故障模式作为“模块接收数据异常”、“模块发送数据异常”的并发模式分别两两共用 个测试点测试类型为 根据实际测试“模块供电异常”、“处理功能异常”测试类型改为 对于/组件以故障模式“组件通道上行异常”、“组件通道下行异常”、“组件通道上下行异常”为一组首先明确各故障模式可通过检测直接区分开排除测试点共用情况但在“组件通道上行异常”、“组件通道下行异常”的发生为或、与关系的前提下删减掉“组件通道上下行异常”故障模式并通过“组件通道上行异常”、“组件通道下行异常”共用一个测试点来表征删除故障模式的特性以三级 组件为例优化前后的三级 测试性模型如图 所示()优化前()优化后图 三级 测试点优化前后对比对优化后的模型进行测试性分析优化后的故障模糊组如表 所示 分析层次选择同样的 层级选择所有测试种类得到优化后故障检测率与隔离率指标如表 所示表 优化后模糊组序号模糊组成员模糊度面阵三级 三级模块接收数据异常()面阵三级 三级模块发送数据异常()面阵定时模块定时模块接收数据异常()面阵定时模块定时模块发送数据异常()面阵二级 模块接收数据异常()面阵二级 模块发送数据异常()张 宇 等 某相控阵雷达天线测试性建模与指标优化研究表 优化后测试性指标(单位:)故障隔离率(模糊度为)故障隔离率(模糊度为)故障隔离率(模糊度为)对比优化前后模糊组、不可检测故障、测试性指标利用优化策略最高模糊度由 降低至 故障隔离率由.提高到了 消除了不可检测故障从而表明了优化策略的有效性 结束语本文建立了以相控阵雷达天线面阵为对象的测试性模型分析了故障模式、测试点与信号流向的关系得到优化策略对比分析测试性模型优化前后指标验证了模型优化的有效性当产生大的模糊组时应关注模糊组的范围注意故障模式之间的连接关系是否合理 可采用跟踪模式凸显某个故障模式在整个模型中的信息流向关系也可利用关联模式查找出与此故障模式关联的测试点然后围绕此故障模式的关联关系分析其设置的合理性并加以改进从而达到精简关系结构、提高测试性指标精度的目标参 考 文 献 汪庆雷黄宏伟高强.基于层次分析法的导弹发射车测试性指标分配方法研究.质量与可靠性():.林冠陆锡江.一种气象雷达测试性试验方法.环境技术():.董正琼袁顺刘佳等.雷达发射机测试性验证试验方案样本 量 优 化 .电 子 测 量 技 术 ():./:.作者简介:张 宇 男 年高级工程师硕士研究方向:舰船电子系统六性设计赵 宁 男 年高级工程师研究方向:舰船电子系统六性设计唐 环 男 年硕士研究方向:装备通用质量特性设计与分析李芸倩 女 年硕士在读研究方向:动态系统故障诊断与容错控制、可靠性工程黄大荣 男 年教授博士研究方向:动态系统故障诊断与容错控制、复杂系统设计、可靠性工程(上接第 页)结束语单站无源定位是一种新式高效目标定位技术相对于多站时差与测向交叉等无源定位系统具有系统简单、高效等特点 本文针对机载应答/模式信号特点分析并总结相关识别方法工程实用性较强在此基础上推导并仿真了基于方位、俯仰测角信息与高程信息的单站无源定位算法可为单站无源定位系统的设计和工程应用提供参考参 考 文 献 孙仲康周一宇何黎星.单多基地有源无源定位技术.北京:国防工业出版社.黄赓.非合作/应答解码及识别.现代电子技术():.沈金良.机场场面无源多点定位系统研究.舰船电子对抗():.张鹏王运锋.机载应答机/模式应答信号的识别方法.信号处理():.陈明福戴琳琳.无源定位系统在航管中的应用.现代雷达():.作者简介:王俊文 男 年生高级工程师博士研究方向:电子对抗总体技术周浩天 男 年生高级工程师博士研究方向:电子对抗技术王盼盼 女 年生高级工程师博士研究方向:电子对抗技术雷达与对抗 年 第 期