雷達狀態監測與性能綜合評估系統的設計與實現 *

胡文華 ，朱常安，2，薛東方 ，趙喜 ，楊瑞

（1. 陸軍工程大學 石家莊校區， 河北 石家莊 050003；2. 中國人民解放軍61035 部隊，北京 100094；3. 中國人民解放軍75180 部隊，廣西 桂林 541000）

0 引言

雷達是機、電、光、液等學科互相協同，微波、計算機、信號處理、傳感器、精密傳動等技術深度融合的復雜電子系統［1］，高新技術密集，系統結構多元，性能越來越好。新技術的應用極大改變了雷達的結構和性能，不僅有傳統的發射接收裝置，更融合了目標探測識別、測速測距、跟蹤定位等數據信號處理單元，使得雷達裝備故障機理十分復雜［2］，有現象明顯的硬故障，也有電子元件內部燒蝕、性能退化、軟件失效等軟故障。隨著雷達系統任務需求的提升，對其完好性和質量狀態評估提出了更高要求，準確掌握其性能狀態和質量情況對雷達應用和維修保障具有重要意義［3］。因此，如何采用新的理論方法和技術手段，設計狀態監測系統，監測電路工作狀態、分系統與整機性能指標變化，結合雷達機內測試（built-in test，BIT）信息及其履歷信息，對雷達系統性能進行綜合評估變得非常迫切。

1 目前雷達監測與評估中存在的問題

雷達狀態監測與故障定位中，通常情況下能將故障定位到最小可更換單元［4-5］，為雷達的故障修復提供了很好的幫助。但傳統的狀態監測只能監測雷達的工作狀態參數，如電壓、電流、頻率、波形、相位、功率等基本參數，在雷達系統無明顯故障現象的情況下不能監測與顯示其性能指標的變化。雷達的性能指標如發射機功率、接收靈敏度、噪聲系數、改善因子、幅頻特性、天線性能的變化等直接影響雷達的作用距離、跟蹤性能等［6-7］，因此對雷達的性能指標進行有效的監測非常重要。目前，總線技術、虛擬儀器技術［8］、自動測試設備（automatic test equipment，ATE）技術［9］都得到了長足發展，使雷達的性能指標監測有了技術支撐。

雷達質量與性能評估方面，傳統的評價方式主要是依據貯存時間、使用年限、維修次數及根據質量檢測結果，人工判定質量等級［10］，未能充分利用雷達系統實時狀態測試信息和實際任務剖面下的狀態信息，無法很好地確定雷達的實際退化狀態，主觀性較大，具有一定的局限性。雷達質量狀態評估過程中，現階段由于受測試設備能力的限制，測試結果只能確定裝備是否通過檢測，即只能判斷測試時刻系統是完好還是故障，無法確定其具體性能狀態。由于質量狀態評估結果不能體現其性能狀態，據此就無法掌握裝備性能的變化過程和規律，無法預知哪些部組件將要發生故障及故障發生的時間，無法采取針對性的預防措施，只能進行故障后維修和定期預防性維修，視情維修工作開展不充分，大大降低了雷達系統完好率。

針對上述問題，本文著眼雷達系統綜合評估現實需求，采用智能測試與診斷、現代信號與數據處理、信息融合評估等技術，通過采集雷達工作狀態數據和性能變化情況，綜合分析雷達的自身性能因素、環境和任務剖面，從監測得到的性能指標信息、工作狀態信息、雷達BIT（built in test）信息和裝備履歷信息等出發，選擇適用的評估方法，評定雷達的質量性能。

2 監測與評估系統總體結構

該系統由主控計算機單元、監測控制計算機單元、雷達性能指標監測模塊、工作狀態監測模塊、ATE 與虛擬儀器模塊等組成。雷達狀態監測與性能綜合評估系統總體結構如圖1 所示。

圖1 雷達狀態監測與性能綜合評估系統總體結構Fig. 1 Overall structure of radar condition monitoring and comprehensive performance evaluation system

2.1 主控計算機單元

主控計算機單元是整個監測評估系統的核心部分，內含雷達綜合評估軟件系統。該綜合評估系統突破了傳統雷達質量評估主要體現服役年限、故障時間、存儲環境、維修情況等履歷數據和環境因素的局限性，增加了雷達工作狀態數據、性能指標參數及雷達BIT 信息作為質量評估的重要依據。主控計算機單元通過網絡交換機（或系統總線）獲取雷達性能指標監測數據、工作狀態監測數據及雷達BIT 監測數據，結合雷達自身的履歷信息，依靠雷達綜合評估軟件，按獲取指標數據、計算指標權重、導入評估模型、綜合評估計算、確定質量等級等流程進行相關計算，最后通過人機界面顯示綜合性能評估結果，并給出雷達故障信息提示與相應的維修方式引導。

2.2 監測控制計算機單元

監測控制計算機單元用于控制性能指標監測模塊、工作狀態監測模塊、ATE 與虛擬儀器模塊等，對各模塊指標數據采集處理，輸入主控計算機單元，共同完成雷達性能指標與工作狀態的監測。

2.2.1 雷達性能指標監測

雷達監測控制計算機根據需要可調用性能監測模塊，該部分由系統總線，微波信號源、微波功率計、函數發生器、頻率計等專用虛擬儀器模塊以及萬用表、示波器、I/O、A/D 等通用儀器（采集卡）模塊等組成，雷達發射系統、接收系統、信號處理系統等通過信號采樣及調理電路與性能指標監測模塊相連接。監測控制計算機通過系統總線對各種通用、專用儀器模塊進行控制，通過與性能指標監測軟件的有機結合，構建了良好的人機交互環境，實現對雷達功率、靈敏度、跟蹤性能、幅頻特性、改善因子、天線性能、暫態特性等性能指標的監測。

2.2.2 雷達工作狀態監測

與雷達性能指標監測類似，雷達各分系統關鍵監測部位設置了相應的傳感器與信號調理電路。為了獲得雷達工作狀態參數，監測控制計算機通過各種儀器模塊實現對雷達各分系統工作狀態的信號采集與分析，完成電源電壓、脈沖寬度、重復頻率、檢波電流、本振電壓等工作狀態參數的實時監測與顯示。

2.3 雷達BIT 信息模塊

隨著科技的發展，機內測試（BIT）技術在電子裝備測試性、維修性方面得以廣泛應用［11］。現代雷達一般都設計了比較完善的BIT 系統，能夠對雷達各分系統的開關機狀態、工作狀態（如雷達搜索與跟蹤、寂靜與發射）、故障狀態等進行實時監測。例如瑞士厄利空-康特拉夫斯公司生產的防空衛士火控雷達，不但性能世界一流，而且BIT 設計相當完備，在國際武器市場上成為搶手貨［12］。該雷達設置了測試A、測試B、測試C 等，分別對恒虛警（constant false-alarm rate，CFAR）性能、角誤差斜率、接收機靈敏度等性能進行有效的在線測試與監測。主控計算機通過系統總線讀取雷達BIT 數據和履歷信息，與雷達工作狀態監測數據、性能指標監測數據一起參與雷達質量性能的分析計算，以獲得更加全面科學的評估結果。

3 雷達智能狀態監測系統設計

雷達智能狀態監測系統從硬件結構上由監測控制計算機單元、ATE 與虛擬儀器模塊、性能指標監測模塊、雷達分系統傳感器與信號調理電路等組成，如圖1 所示。雷達狀態監測系統依靠引導軟件完成智能監測與自動測試，圖2 為其軟件監測流程。

雷達開機工作，各分系統正常運轉之后就會啟動實時狀態監測系統，自動調用監測控制程序及相關虛擬儀器（或ATE），依次進行距離跟蹤性能、幅頻特性等指標的自動監測，監測結果會在主控計算機終端界面上顯示出來。

由于整機狀態監測的指標參數較多，下面以接收機距離跟蹤性能的監測為例介紹其基本工作原理。

3.1 雷達距離跟蹤原理

如圖3 中所示，雷達距離跟蹤系統部分由時間鑒別器、控制器與跟蹤脈沖產生器組成，其工作原理如下［13］。

圖3 雷達距離跟蹤監測原理框圖Fig. 3 Monitoring principle of radar range tracking

目標回波信號（高頻信號）經接收機與信號處理系統處理后得到目標回波脈沖，時間鑒別器用來比較目標回波脈沖與雷達跟蹤脈沖之間的延遲時間差Δt=t-t′，其中t為雷達回波脈沖的中心，t′為跟蹤脈沖的中心，時間鑒別器輸出的誤差信號為

控制器的作用是把誤差信號進行變換后，用其輸出去控制跟蹤脈沖（波門）移動，即改變t′使其朝著減小uε的方向運動，最終的目的是使t′=t。用最簡單的線性關系表示，控制器的輸出為

而控制器的輸出是用來改變跟蹤脈沖的延遲時間的，用簡單的線性關系表示為

實際工作過程中控制器采用積分器件，則E與uε的關系可表示為

由式（1），（3），（4）可得到由時間鑒別器、控制器與跟蹤脈沖產生器組成的閉環系統的性能為

跟蹤脈沖產生器根據控制器輸出的控制信號大小，產生所需延遲時間為t′的雷達跟蹤脈沖，從而實現距離的閉環自動跟蹤。

3.2 距離跟蹤性能監測方法

監測雷達的距離跟蹤性能，核心問題就是模擬距離可變的雷達高頻回波信號，其組成框圖如圖3中監測控制系統部分：監測控制計算機編制相關軟件用來產生勻速、加速、減速、盤旋、俯沖等各種參數的距離信號，通過系統總線控制函數發生器，函數發生器產生與雷達脈沖同步的測試脈沖信號。微波信號源用于產生對應波段的高頻連續波信號，經高頻調制器進行脈沖調制，變換為模擬高頻回波信號。雷達正常工作時接收機接入目標回波信號，用于雷達的正常測距與距離跟蹤；當系統處于監測模式時，接收機接入模擬回波信號到距離跟蹤回路，此時可對雷達不同回波的跟蹤性能進行測試。需要說明的是距離跟蹤性能監測時，監測模式與正常工作模式不能同時使用。監測控制計算機典型的信號編輯界面如圖4 所示。

圖4 監測控制計算機信號編輯界面Fig. 4 Signal editing interface of monitoring and control computer

雷達跟蹤波形如圖5 所示，該圖通過距離顯示器呈現，圖中上半部分為粗掃描線（A 顯），下半部分為精掃描線（R 顯）。1 為粗掃描線上雷達回波脈沖，此時目標運動的距離約為距離約為27 km；2 為精掃描線上展寬后的雷達回波脈沖；粗掃描線上凹下去的部分3 為雷達跟蹤脈沖，此時雷達跟蹤脈沖正好捕獲到雷達回波脈沖并一直鎖定。

圖5 雷達距離跟蹤波形圖Fig. 5 Waveform of radar range tracking

3.3 距離跟蹤性能計算過程

雷達距離跟蹤性能包括距離跟蹤精度、截獲概率、時間響應特性、時間鑒別器誤差斜率等，下面以距離跟蹤精度為例說明其計算方法。步驟如下：

（1） 接通距離信號模擬器，輸出模擬目標并使其處于某一距離上。

（2） 雷達距離跟蹤回路置于開環狀態，將跟蹤波門對準模擬目標。

（3） 閉合距離跟蹤回路，穩定跟蹤目標后，錄取回路輸出的跟蹤距離Ri和對應的目標模擬器裝定的距離RDi，并記錄測試結果。

（4） 按上述步驟重復測試20 次以上。

（5） 數據處理

式中：Ri為第i個樣本的距離跟蹤回路輸出的跟蹤距離；RDi為第i個樣本的目標模擬器裝定的距離。

根據跟蹤誤差樣本均值和方差，可以判斷雷達跟蹤性能情況。所得均值和方差越小，說明雷達跟蹤精度越高。另外，狀態監測系統對每次監測的的值都會記錄下來，并把相應的結果發送給主控計算機單元，該單元會長時間記錄的變化情況。如果變化較大則說明系統異常，會給出相應的故障信息提示。

4 雷達性能綜合評估系統設計

常用的評估方法有層次分析評估法、信息熵法、粗糙集法和神經網絡法等［14］。為較好地評估雷達性能狀態，選擇雷達的監測數據（包括性能指標數據和工作狀態數據）、雷達BIT 信息、履歷數據、環境數據等，構建雷達綜合評估指標體系。由于雷達指標體系較為復雜，存在一定不確定性，符合模糊數學特性，因此選擇模糊評判的方法［15］設計評估系統。在評估設計中，引入熵權法確定指標權重，避免權重分配的主觀性。

隸屬度反映了評估因素和評價等級之間的關系，正確選擇隸屬度函數才能確保模糊綜合評判的良好效果。常見的隸屬度函數有正態分布、梯形分布、π 形分布等，按其分布形式可以分為偏小型、偏大型和中間型3 種。為避免單一隸屬函數可能出現隸屬度突變的問題，本文采用組合隸屬函數的方法計算指標等級的隸屬度。考慮雷達系統的數據特性、評價因素和評語等級，選擇中間型的隸屬函數更符合指標數據的普適性。因此本文選擇梯形、雙S 形和π 形3 種中間型的函數分別計算指標隸屬度，而后運用方差-協方差法計算組合隸屬度，以增加評估結果的可信度。

根據以上要求設計雷達性能綜合評估軟件，置于主控計算機單元。通過對獲取的指標數據定性分析和定量計算，對雷達的綜合性能進行模糊評判，得到最終評估結果。雷達性能綜合評估流程如圖6 所示，主要有6 個實施步驟。

圖6 雷達性能綜合評估流程Fig. 6 Comprehensive evaluation process of radar performance

步驟1： 依據雷達功能特性進行性能指標分析，收集獲取雷達的性能指標數據、工作狀態數據、雷達BIT 信息、履歷數據、環境數據等，由此確定雷達裝備的底層指標因素。

步驟2： 對獲取的底層指標因素進行分類，構造雷達性能綜合評估指標體系，然后根據雷達功能特性和應用情況確定雷達性能狀況評價等級。

步驟3： 根據雷達綜合評估指標體系，運用熵權法自下而上逐層計算各指標元素的熵值和熵權，確定指標權重。

步驟4： 對于能夠監測的定量指標，確定其邊界值和實測值，采用組合隸屬函數的方法求解指標的組合隸屬度；對于不能測試的定性指標，通過專家打分求平均值的方式確定指標隸屬度。

步驟5： 基于各層次指標的權重和隸屬度，構造模糊評判矩陣，按照自下而上的層次，逐個進行模糊評判計算，得到最終的性能評價結果向量。

步驟6： 根據最終計算的模糊評判結果向量，依據最大隸屬度原則，確定雷達系統的綜合性能評估等級。

按上述步驟對某典型雷達進行監測評估實例分析，驗證了該系統的有效性與實用性，系統軟件界面如圖7 所示。該系統軟件配合相關計算機自動檢測硬件共同完成雷達狀態監測與性能綜合評估的任務，可以分別顯示工作狀態監測、性能指標監測、綜合性能評估結果、故障信息提示、維修方式引導等相關界面，用戶可以根據自身需要調用相關結果。

圖7 雷達監測評估系統軟件界面Fig. 7 Software interface of radar monitoring and evaluation system

5 結束語

本文采用智能監測與診斷、BIT 與ATE 結合等技術，實現了雷達裝備工作狀態和性能變化監測與數據獲取；運用模糊綜合評判的方法，設計了以監測數據為主，融合雷達BIT 信息、履歷數據和環境數據的質量狀態綜合評估系統，實現了客觀精確評估雷達性能與質量狀態的目的。本文選取典型雷達系統開展研究，驗證了系統設計與相關算法的有效性，對雷達裝備操作應用和維修保障具有一定參考價值。