基于固態發射機的遠程老練考機系統分析

陳洲 王十佳

作者簡介：陳洲（1982— ），男，江蘇南京人，工程師，本科；研究方向：雷達系統工程化設計。

摘要：隨著固態器件的普及，固態發射機逐步在高功率微波發射領域全面替代真空管發射機。文章以固態發射機為研究對象，介紹了其系統組成和考機過程；分析了固態發射機在考機過程中的各類風險類型，并設計了針對這些風險的緊急故障處理方法。另外，文章以考機過程中涉及的考機指標為對象，介紹了一種用于考機風險識別的門限設計和計算方式，該方式可在避免虛警與有效保護之間得到平衡。以一臺固態發射機為例，介紹了該固態發射機老練考機系統的設計使用方法。經驗證，該方法可有效降低考機風險與人力成本，提高老練考機效率。

關鍵詞：固態發射機；老練考機；自動測試系統

中圖分類號：TP319中圖分類號 文獻標志碼：文獻標志碼A

0 引言

隨著固態功率放大器件的不斷普及，如今越來越多發射機采用固態放大器作為主要放大單元，利用功率合成或逐級放大等方式代替落后的電子管與真空管放大器。目前，固態發射系統在投入使用前，需要經過指標測試及老練考機試驗。性能指標測試存在項目多，測試時間長，數據量大等問題，但通過自動測試系統的建立已基本解決，而老練考機試驗是固態放大器生產過程的重要環節，也是提高固態發射系統質量、減少故障率的重要手段之一，但老練考機試驗的時間動輒幾十小時、上百小時，考機過程中存在各種風險，考機環境惡劣，需要人員長時間值守，對人力資源造成嚴重浪費，因此，需要開發一款可以自動處理異常狀況及告警的遠程考機系統。

1 固態發射機組成與考機需求分析

固態發射機由電源、放大、激勵、控制和輸出組成，如圖1所示。本文所述固態發射機既包括復雜系統中的固態發射子系統，也包括組成復雜固態發射機的組件。因此，一些組件和子系統可能不具備自激設備、電源系統和獨立的控制系統［1］。

針對固態發射機系統組成，考機系統應該充分遍歷各系統的功能。以激勵系統為例，若激勵為調頻信號，則設備應采用掃頻方式在可用頻帶內循環考機；若激勵為調制信號，則設備應遍歷所有工作比。需要指出的是，固態發射機的考機目標主要為設備中大功率輸出的模塊或子系統。若激勵中包含相位編碼功能，則該功能對設備中的固態發射部分——放大系統與電源系統來說，工作狀態沒有區別。如為簡化考機系統，可在激勵中去除該功能。總之，固態發射機考機系統應使固態發射機中的涉及固態發射輸出的模塊與器件在正常工作模式中可能出現工作狀態下連續工作一定的時長。

2 考機風險分析

對固態發射機，尤其是處于研制狀態和少量生產的固態發射機來說，其考機系統應充分考慮考機過程中的各類風險。如某些放大器件因為外圍設備異常造成失效，引起功率合成端的功率失衡；如電源模塊失效導致的系統內存在短路；如因設備內某部分存在溫度過高造成的設備損壞等。對固態發射機來說，出現上述故障不僅會導致設備或考機系統的損壞，造成經濟損失，還存在高壓觸電、爆炸和失火的風險。因此，選擇設備工作狀態異常的判據和設計緊急停機的異常處理功能對于固態發射機考機系統是非常必要的。

考機系統為避免人力浪費，應考慮自動告警與緊急故障處理。關于異常狀態的判定將于本文3.2中進行討論，而緊急故障處理方法可以分為切斷激勵法和斷電法。

對于僅出現在放大系統內部，可以采用切斷激勵的方法，如圖2所示。若設備為自激類型，應在自激模塊后設置開關，考機系統可以通過控制該開關達到切斷激勵的目的。對于出現短路的故障，應采取切斷電源的方法。對電源系統的切除既可以處在設備的電源系統與放大系統之間設置開關完成，也可以直接切斷外部能源與電源系統直接的聯系。對于一些低壓大電流設備，可以考慮采用斷路器與真空開關，對珍貴設備的保護還可采用選相的方法切斷電流［2］。

3 考機指標測量與響應

3.1 考機指標

為了考機過程中的安全考慮，設置考機指標是非常必要的。例如設備的輸入電流、輸出功率的異常都可作為停止考機的判據。考機過程會遍歷系統所有的工作狀態，為了提高效率，也可以將系統的檢驗過程并入考機，在考機過程中對需要驗收的指標進行記錄。考機系統為保證系統的可靠性并減少虛警，應盡可能地合并相關指標、減少監測指標、減少硬件以確保系統的穩定性；應用考機指標作為風險措施的判據時，應設置多階段、多門限以避免考機過程因一些小的擾動頻繁斷電、保護或重啟。

通常，考機系統的開發與搭設應該同步于產品或者設備的研發。在確定特定考機對象的考機指標時，應充分參考設備的設計指標。所有的質量指標都應納入考機指標內，如輸出功率、功率因數、頻譜質量、相位等。考機過程中這些數據的變化充分反映了產品的質量與特性，是后期質量分析的重要依據；早期批次的考機數據也有助于產品設備的設計改進和完善。考機指標中應包含必要的安全指標，如輸入電流、一些關鍵位置如功率合成部件等的溫度、除濕機和散熱系統等保障系統的濕度溫度等關鍵指標等。

3.2 指標監測

考機系統指標監測應采用高可靠性、可耐長時間工作的傳感器，對安全指標監測的傳感器應兼顧高采集率和準確率以避免虛警和漏報［3］。其中采集的模擬信號，或對應電子型號的傳感器，考慮到傳輸過程中的損耗和干擾，應在考機平臺就近設計MCU集中數據，與具有通信功能的儀表如功率計、頻譜儀等通過GPIB、光纖等方式連接工控機，如圖3所示。同時可通過光纖、無線等方式連接遠程監控面板或上位機，達到遠程考機監控的目的。

有些待考機設備具有高頻、高壓的特點，對傳感器通信提出了特別要求。其中高頻干擾會對數字通信有較大影響，而高壓大電流設備尤其是瞬時大電流會將地線電勢拉高，當考機平臺與設備共地時通信會受到較大影響。當設計安全指標監測的傳感器外圍電路時，應考慮與設備地線分開，同時應采取一定的屏蔽措施，如設置鐵盒、通線處采用磁珠屏蔽等。也可考慮在傳感器就近處設計硬件電路完成門限監測，輸出不易受到干擾的穩定高低電平代替模擬信號或數字信號，或可直接采用光纖通信避免通信干擾。

3.3 告警與故障數據處理

在考慮考機過程中異常處理設計時，通常通過對安全指標設置門限，當指標達到門限時，進行異常處理手段動作的方式。該方式對安全指標的監測傳感器要求較高，同時單一安全指標數據的異常即會引起虛警，導致考機中斷；一些異常處理手段為不可重復或破壞性動作，造成較大損失，可以采取歐式幾何的方式［4］，將各指標合成。假設有指標a，b，c，d…，其中指標a的額定值為a1，上限為a2。將測量值做a=a-a1a2-a1的標幺化處理，同時所有指標都進行相同計算，最后，對所有指標l=a2+b2+c2+…做合成化處理。通過計算可知，任意指標達到門限時，l都將大于1，若此時將l值大于1設置為合成指標的門限，任意單指標達到門限或指標較大都會觸發異常處理手段。若將l值門限設置稍大于1，將有效避免虛警。需要指出的是，這些指標也可以是非安全性指標。如指標f，g…為普通運行指標，首先通過上述標幺化處理后，可以通過對其加權l=a2+b2+c2+…+αf2+βg2+…做合成化處理。通過合理的指標權重與門限設置，可以使避免虛警與有效保護得到平衡。

在考慮考機過程中風險措施的判據時，加權指標相較于單指標更具優勢。通常在安全事故發生的情境中，一些指標的輕微改變不會觸發單指標的閾值，而這些輕微的指標偏離在多指標加權后會更加明顯，因此可以更早地發現故障。為了消除虛警，可以同時采取兩種指標。以加權指標設立一個相對嚴格閾值，該閾值觸發后不會停止考機，而是會采取相對溫和的措施，如提高采樣率、增加采集指標如溫度、限流等，如故障進一步發展并觸發單指標閾值，再采取切斷激勵、斷電等保護措施。從加權指標閾值觸發到單指標閾值觸發階段的考機數據可以更好地表征故障發生初時設備的運行狀況，且限流等措施也可以防止故障惡化。

4 考機案例分析

4.1 系統組成

選取一款典型的固態發射機進行驗證，該發射機主要由冷卻系統、功放系統、電源系統、分配合成系統組成，具備遙控開關機功能和BIT功能，可上報故障信號和功率指示信號，具有一定的保護功能。

考機系統主要由老練數據采集控制系統和自行開發的自動測試系統組成。數據采集控制系統主要包括溫度采集模塊、流量采集模塊、開關機控制模塊、電流采集模塊、通信模塊。自動測試系統主要有工控機極其控制軟件、信號源、功率計、頻譜儀、示波器等儀表設備組成，基于C#程序通過GBIP對儀表設備進行控制為發射機提供激勵信號以及指標的測試。并通過485總線將數據采集控制系統的各項數據進行采集。通過CAN總線收集發射系統BIT信息，如圖4所示。

4.2 考機風險與監測

在本案例中，考機風險主要有兩個：4︰1功率合成器4個合成接口采用的硬連接，裝配要求極高。考機老練過程中，存在打火的風險。由于打火情況出現在連接處內部，無法直接及時發現打火情況。但打火發生時一般伴隨打火嘯叫聲、打火處溫度快速升高等情況；采用水冷散熱的固態發射機非常依賴外循環水的流量穩定，若出現外循環水供水流量減小導致發射組件中散熱差時，對溫度敏感的功率放大管壽命會大大減少甚至立即燒壞。

針對以上考機風險，須采集的指標包括合成器的4個合成口進行溫度、冷卻系統外循環水流量及溫度、內循環水溫度以及設備總電流。其中溫度傳感器采用鉑電阻、流量采用渦輪傳感器、電流采用電流鉗采集。考機風險措施由三步組成：當考機風險指標觸發閾值時，首先通過自動考機系統檢測BIT功能識別危險類型，并通過設備的遙控開關機功能控制設備關機；若關機失敗，則自動考機系統控制設備激勵——信號發生器斷開激勵信號；若激勵信號斷開后指標仍惡化，則控制斷路器工作，斷開設備總電源。

4.3 安全指標門限設計

依據3.3所介紹方法，設計考機合成指標，首先，合成器口打火故障的特點主要為兩個：合成器口溫度的絕對值或相互之間的差值過大。依據該特點，4個合成器口溫度分別記為a1、a2、a3、a4，計算出4個溫度的平均值a-′=a1+a2+a3+a44和差值a′·=Max{|ai-aj||i，j=1，2，3，4}平均，依據設備特性，對其進行標幺化處理，計算出標幺化后的a-與a·。其次組件發熱主要有兩種特征，內循環水箱水溫高和外循環水流量低，其中前者為結果后者為原因，兩者相關且短時間內水溫升高量不明顯，內循環水箱水溫記為b1，室溫記為b2，外循環水流量記為d。設計指標b′=b2-b1d，對其標幺化后得到溫度流量指標b。該指標可以有效地衡量水箱水溫因外循環水流量降低所造成的溫升。同時將水箱水溫進行標幺化處理，記為b·1。設備總電流記為c，若其多次采樣結果都超出閾值，則可排除干擾等因素，判定設備出現短路故障。計算連續三次電流采樣的平均值c-′=Max{ci+ci-1+ci-23|i=1，2，3，4……}，并通過標幺化處理為c-。

綜合上述指標，設計考機風險判據為l=a-2+a·2+b2+b·12+c-2，其閾值設置為1.1。當觸發閾值后，考機系統將激活考機風險措施及光聲報警并通過上位機呼叫人員處理。

另外根據端口打火時升溫迅速的特點，采樣得到某一時刻合成器1端口的溫度加速度a1t=T1（t+1）－T1（t－1）9t2，其中t為溫度采樣周期，T為某一時刻合成器端口溫度，當合成器端口出現打火時，其對應的溫度加速度將出現短暫的連續上升，且遠超其他3個合成器端口。將以上因素綜合考慮，得出合成器端口1相較于其他3個合成器端口溫度加速度的差值a-1（t）=a－a2（t）+a3（t）+a4（t）3。p=∑tt－9q，q=1，a1t＞0｜a1（t）＞00，其他，該式計算鄰近的9個采樣周期中合成器端口溫度上升，且高于其余3個端口平均的個數，若p≥7，則判定該端口存在打火現象。通過端口的溫度加速度可以快速及時地發現端口打火問題，避免大功率打火造成的損失。

4.4 上位機設計

除風險判斷與處理外，考機平臺上位機監測如圖5所示，考機系統上位機還可對考機中的儀表設置、考機流程、考機指標等實時顯示，并可遠程更改儀表設置、遙控考機開關等。

5 結語

本文以固態發射機為研究對象，首先介紹了其系統的組成，分析了考機需求及考機風險類型，并介紹了幾類處理固態發射機考機故障的方法，考機過程中指標的選取與監測方法以及通過考機指標判別考機風險的方法，并針對考機過程中存在的虛警與漏報問題，通過采用合成指標方法有效降低考機故障的虛警與漏報，在避免虛警與有效保護方面得到平衡。通過該方法實現考機系統的自動化、遠程化，提高老練考機系統及設備的安全性、可靠性，改善老練考機的環境，減少人力資源的投入。本文通過一例工程實踐，從系統組成、考機風險判別、安全門限指標選取到系統設計的流程介紹了該方案的使用方法和實用性。

參考文獻

［1］王衛華，江元俊，賈中璐.固態雷達發射機的關鍵技術［J］.電子科學技術評論，2005（1）：27-33.

［2］劉北陽，李志兵，趙子瑞，等.高壓斷路器電磁類型操動機構的位移跟蹤技術研究［J］.高壓電器，2021（9）：9-18.

［3］黃寒硯，顏國歡.固態雷達發射機實驗平臺的構建與應用［J］.中國現代教育裝備，2017（3）：1-3.

［4］賈波，劉福，雷正偉，等.自動測試系統計量策略及指標確立準則研究［J］.儀表技術，2010（7）：65-66，71.

（編輯 李春燕）

Abstract： With the popularity of solid-state devices， solid-state transmitters gradually replace vacuum tube transmitters in the field of high-power microwave transmission. This paper takes the solid-state transmitter as the research object，firstly， introduces its system composition and burn-in process， analyzes several risk types of the solid-state transmitter in burn-in process， and designs emergency fault treatment methods for these risks. Then this paper analyzes the selection and calculation methods of the burn-in indicators involved in the test proces.Threshold design and calculation method for burn-in riskidentification is introduced.This methodcan be balanced between avoiding false alarm and effective protection. Finally， taking a solid-state transmitter as an example， the design and application method ofthe solid-state transmitter burn-in system is introduced. It is proved that this method can effectively reduce the risk and labor cost of burn-in progress and improve the efficiency of brun-in system.

Key words： solid-state transmitter; proficiency test machine; automatic test system