面向PHM的雷達接收機傳感器配置方法

高 峰,叢天孺,丁 鼎

(中國船舶集團有限公司第七二三研究所,江蘇 揚州 225101)

0 引 言

雷達接收機是雷達系統的重要組成部分,其健康狀況對雷達系統的性能有著極其重要的影響。隨著故障預測與健康管理(PHM)系統在雷達接收機系統中的研究和應用日趨廣泛,其在雷達接收機系統健康狀態的評估以及實施視情維修領域的重要性也得到了設計者的認可。有針對性地研究雷達接收機的PHM設計技術,能夠有效提高其可靠性、保障性和維修性水平。邵凡麒等[1]從接收機信號流的角度分析各模塊BIT信息,利用各模塊間功能相關性,深度挖掘其中包含的接收機健康狀況信息,并結合系統工作狀態,綜合研判得出接收機的健康狀況;胡國光等[2]在機載雷達接收機射頻鏈路中加入監測點,并對檢測參數進行數字量化處理,實現對射頻鏈路的狀態監測和預測;李保東等[3]提出了接收機PHM健康評估與預測的定義,分析了健康參數偏離次數、偏離概率影響接收機健康狀態的評估方法;郝洋等[4]在模糊理論的基礎上,結合雷達接收機的故障特點,提出采用分階段動態調整權系數的綜合法建立模糊矩陣,建立了雷達接收機模糊故障診斷系統;陳世杰等[5]利用多信號流圖模型建立了雷達接收機的故障診斷模型,得到了反映故障源和測試結果之間對應關系的故障依賴矩陣,在此基礎上結合故障源先驗故障概率信息推導了一種計算故障源貝葉斯最大后驗概率的算法,實現了對雷達接收機系統的在線多故障實時診斷。

而在PHM系統中,傳感器的配置是收集系統健康信息最直接的方式,決定了故障診斷和預測是否有效。傳感器的優化配置主要解決兩個基本問題:一是傳感器類型選擇問題,當PHM進行狀態監測時,測量參數的選擇對故障診斷和預測結果影響較大,在滿足裝備性能參數的基礎上,從眾多類型中選擇理想的傳感器顯得尤為重要;二是傳感器數量問題,傳感器數量越多,越有利于狀態評估的準確性,但會造成分析和處理的信息量增大,影響系統的效率和質量,傳感器數量過少,則會造成獲取信息不全,可能引發虛警和漏檢等問題[6]。本文將在構建雷達接收機傳感器配置模型的同時,以提高PHM系統的準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,對雷達接收機配置模型進行優化,解決傳感器類型和數量的選擇問題。

1 傳感器配置模型

PHM系統中傳感器優化配置的目的是:如果傳感器未檢測到故障發生,那么要使其造成的危害程度最小;使用盡可能少的傳感器,使該系統的故障檢測成本最小。傳感器優化配置的目標函數為:

f=ω1M1+ω2M2

(1)

式中:ω1、ω2分別為漏檢危害程度和總成本的權重系數,其具體數值大小可由決策人員根據實際情況而定;M1為以漏檢造成的危害程度總和最小為目標函數;M2為以傳感器系統的總成本最小為目標函數,其數學表達式為:

(2)

式中:p為各故障模式的先驗概率;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量;pfdi為故障fi被傳感器檢測到的概率:

(3)

式中:λj為傳感器自身發生故障的概率;E為人為經驗影響因子;dij表示故障fi能否被傳感器sj檢測到,dij=1表示檢測到,dij=0表示檢測不到。

被檢測系統的故障檢測率、故障隔離率、虛警率的數學表達式分別為:

(4)

式中:PFD為系統故障檢測率指標要求;PFI為系統故障隔離率指標要求;PFA為系統虛警率指標要求。

PHM系統中傳感器優化配置的目的是在滿足故障檢測率、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,即目標函數(1)取得最小值。

2 雷達接收機故障模式及傳感器檢測能力分析

PHM系統以減低使用和保障費用、提升裝備完好性和任務成功率為目的,其效果很大程度上依賴于傳感器獲取的狀態信息。為確保傳感器對裝備故障狀態的全面覆蓋和有效辨別,必須對影響裝備可靠與安全運行的因素進行故障模式與影響分析(FMEA),主要內容包括:各系統的功能、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,明確各關鍵部位可能會發生何種故障,設計師找出可能發生的原因及位置,并結合傳感器檢測方式及能力,就此確定系統故障模式與傳感器的相關性[8]。

2.1 雷達接收機故障模式與影響分析

雷達接收機的主要功能是從天線所接收到的眾多電磁信號中選出相關目標回波信號,經過放大、變頻后形成中頻信號輸出至信號處理系統。典型的雷達接收機一般采用超外差式結構,這種接收機結構能夠較好地解決“靈敏度”與“選擇性”的問題。超外差雷達接收機一般由預選濾波器、低噪聲放大器、混頻器、濾波器、本振信號源等組成,其基本原理框圖如圖1所示。在不同的應用場景中,可以視情進行調整與增減,譬如在有抗功率燒毀要求時,可以在前級增加限幅器;在噪聲系數要求較高時,可以將預選濾波器放置到低噪聲放大器之后;在有靈敏度時間控制(STC)要求時,可以在相應的位置增加STC電路;在有手動增益控制(MGC)或自動增益控制(AGC)要求時,可以在相應的位置增加MGC或AGC電路。

圖1 超外差雷達接收機原理框圖

圖1所示的超外差雷達接收機的每個組成模塊都可能在設備工作時發生故障,對裝備可靠與安全運行產生不利影響。表1就各模塊的功能、故障模式、故障原因、故障影響、嚴酷度、故障概率進行了統計分析。從表1中可以發現,超外差雷達接收機的各模塊出現故障時,均會導致接收機乃至雷達整機出現性能下降或無法正常工作。

表1 雷達接收機常見故障模式與影響分析表

2.2 傳感器檢測能力分析

為對表1所列的常見故障進行狀態評估,根據雷達接收機系統的特點,需要對多種特征參數進行檢測。根據經驗,一般可采取電壓、電流、溫度、功率等類型傳感器進行配置。表2對常用傳感器的檢測方式、檢測范圍、檢測精度、檢測成本、缺點等方面進行了分析。從表2中可以看出,這幾種常用傳感器的共同特點是檢測精度不高,有檢測缺點,不適合單獨配置使用;但其成本低、可靠性高的優勢可以使設計者必要時在系統中適當增加傳感器的種類和數量,以增加檢測信息的獲取量,減少虛警和漏檢的概率。

表2 常用傳感器檢測能力分析

3 雷達接收機傳感器優化配置

通過表1、表2的分析,對典型雷達接收機故障模式與傳感器配置建立相關性矩陣,如表3所示。表3中故障模式fi后括號內的故障代碼來自表1中的故障模式識別號,傳感器S1(V)為二次電源電路輸出電壓傳感器,檢測輸出電壓;S2(I)～S5(I)為電流傳感器,分別對應檢測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)為一本振信號和二本振信號功率檢測傳感器,S8(P)依賴后端信號處理設備檢測接收機噪聲功率。

表3 典型雷達接收機故障模式與傳感器相關性矩陣

由此建立的接收機故障模式與傳感器相關性矩陣記為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檢測到,dij=1表示能被檢測到,dij=0表示不能被檢測到。矩陣中第i行向量fi=[di1,di2,…,di8]描述了故障fi發生時8種傳感器檢測的結果,可以看作是故障fi發生的征兆;第j列向量Sj=[d1j,d2j,…,d16j]描述了傳感器Sj檢測到的故障結果,可以看作是傳感器Sj的檢測能力。故障模式與傳感器相關性矩陣描述了雷達接收機系統中的故障模式與相應傳感器之間的相關性,是進行傳感器優化配置的基礎。

結合一個雷達接收機系統的具體實例,假設其故障檢測率指標為95%,故障隔離率指標為90%(1個LRU),虛警率指標為5%,此為條件函數式(4)的約束要求。結合專家知識基礎庫信息,綜合考慮影響傳感器故障檢測能力的主要因素,如靈敏度、信噪比和動態范圍等,對表3中的傳感器的檢測能力dij進行適當賦值,由表1中故障模式嚴酷度分級對表3中的故障模式fi(ij)進行危害程度的賦值,最后加入傳感器Sj的經濟成本以及核算后的故障率的量化值,得到改進的雷達接收機故障模式與傳感器相關性矩陣,如表4所示。

表4 改進的雷達接收機故障模式與傳感器相關性矩陣

將故障檢測率、故障隔離率、虛警率指標作為條件函數式(4)的約束要求,將表4中的傳感器故障檢出概率、經濟成本、故障率以及故障模式的危害程度代入條件函數式(4),結合經濟成本總目標,即可完成雷達接收機傳感器的優化配置。

此外,由于半導體元器件普遍具有工作參數隨溫度變化的特性,因此在工程應用中對故障檢測信息進行處理時,需對專家知識基礎庫信息進行溫度修正。具體措施是在雷達接收機系統中心區域及邊緣區域配置溫度傳感器,收集系統工作時的溫度信息,建立溫度/電流、溫度/功率變化曲線的專家知識基礎庫,提高故障檢測的準確度。

4 結束語

本文在面對雷達接收機傳感器配置問題時,基于面向PHM的故障模式與傳感器相關性的理論,對典型雷達接收機傳感器種類特性進行了分析,綜合考慮傳感器的檢測能力、故障率、成本等因素,形成傳感器配置目標函數,再結合雷達接收機系統的故障檢測率、故障隔離率、虛警率具體指標以及各故障模式的先驗概率和危害程度,經傳感器配置條件函數優化約束,得到傳感器的優化配置方法。