2022年2022年雷达故障自动检测系统 .pdf

雷达故障自动检测系统李更祥（中国航天科工集团公司二院23 所，北京 100854 ）摘要： 本文介绍了雷达故障自动检测系统设计。对雷达故障自动检测系统提出了总体设计任务和目标、构成、功能、性能、技术指标。对雷达自动检测系统硬件设计、软件需求分析、软件概要设计、详细设计的具体内容做了较详细的设计说明和要求。关键词： 雷达；计算机；自动检测；故障1 引言随着武器装备的现代化、电子产品的高科技化和复杂化，计算机硬件、软件及信息综合处理的快速化，这些特点在现代雷达技术中的应用非常突出，现代战争实际上就是高科技综合技术的对抗战，谁拥有快速反应、能持续保持战斗力的武器装备，谁就占有取得战争胜利的主动权。雷达综合保障体系的一切工作是为了提高雷达平均无故障工作时间。 雷达故障自动检测系统是为了对雷达快速、准确、 隔离故障到可更换单元（ LRU ） ，以便快速维修，达到降低雷达修复时间的目的，先进的军用雷达都具备完善的故障自动检测系统，该系统对提高雷达的总体性能、可靠性、可使用性、可维修性具有极其重要作用。2 总体要求雷达故障自动检测系统是采用现代计算机软件、硬件技术，现代电子测量和控制技术、测量仪器与仪器总线以及信息综合处理等技术，通过系统硬件的组成和软件的集成构成一个雷达故障自动检测系统，通过该系统对雷达信号的测量与采集，实现对雷达一系列电气参数的自动测量、分析、处理，快速、准确、完成故障隔离到LRU等功能。2.1 技术指标系统自动测试内容的主要技术指标应包括对雷达电气参数的测量精度，对雷达系统、组合、可更换单元的故障检测率、隔离率、隔离深度、虚警率以及检测时间等。主要技术指标如下：a. 测试时间：实时测试时间服从雷达测试周期的时间调度要求，战前功能测试时间应小于 min，維修或维护测试时间应小于5min；b. 虚警率 : 对系统、组合、可更换单元的总虚警率应小于3% ；系统应具有分析是雷达故障还是检测设备发生故障的能力；c. 故障检测率：按设计要求，测试系统对分雷达系统机柜、组合级的故障检测率应达到 100% ，对各组合级可更换单元的故障检测率应达到95% 以上；d. 故障隔离深度：故障隔离深度为雷达系统的可更换单元；名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 6 页 - - - - - - - - - e. 故障隔离率：故障隔离为雷达系统的机柜、组合直至可更换单元；f. 雷达电气指标测试：取决外场和内场测试设备的测量精度。2.2 功能与用途雷达故障自动检测系统的主要功能和用途是通过检测雷达电气参数指标、工作状态指示，实现发现雷达设备故障。系统主要功能是：利用雷达外场、内场测试设备和机内自动检测设备，实现雷达系统大部分电气指标的测试；在雷达进行作战时，完成对雷达工作状态的实时自动故障检测即实时监测；在雷达进行备战时期，完成对雷达系统的功能检查测试和故障自动检测即战前测试；在雷达进行维护与维修时期，完成对雷达系统、各分系统及组合的全面功能检查测试，发现并指示故障即维护测试；通过多种方法检查测试，发现并指示雷达系统、机柜、组合、LRU的故障显示或报警；通过自动检测，协助雷达在设计、生产、调试、交接验收阶段，配合系统完成一系列的测试任务。2.3 检测设备雷达故障自动检测设备应包括外场、内场测试和系统本身的机内测试设备。外场测试设备包括内场测试设备和微波标杆系统的校准设备；内场测试设备包括机内测试设备（ BITE）和辅助检测设备；自动检测系统包括机内测试、在线检测、在线雷达模拟器、辅助设备以及检测软件。2.4 设计要求雷达故障自动检测系统，虽然是雷达辅助设施，但是对雷达总体指标的实现起到一定作用。系统设计应根据雷达总体需求与雷达同步进行开展设计工作，除了执行雷达本身选用一系列标准外，还须根据雷达故障自动检测系统的技术特点编制一些具体标准，要求系统设计按“三化”和“三性”产品统一规划、优化设计，达到资源共享，简化设计，节约资源，提高设计质量；要求系统、分系统、组合、可更换单元按统一要求或规范设计，提高其可靠性、可测试性、可维修性等。编制组合、可更换单元一级的测试性、维修性、安全性设计的统一技术规范，达到简化雷达系统、分系统、组合、可更换单元内场和外场自动测试，测试适配接口和测试程序的设计，在设计、调试、生产、维护、维修等阶段的测试与故障检测，容易实现自动化。3 硬件设计雷达故障自动检测系统是由外场、内场、在线、机內测试设备组成，这些设备要求具备标准计算机数据、地址、控制总线或其它标准接口，通过接口协议通信以实现计算机对系统设备进行控制与操作。外场、内场、某些在线检测设备可外购如频谱分析仪，雷达模拟器和雷达系统的机內测试设备需要精心设计研制才能达到预期效果。雷达模拟器是雷达调试、训练和维护的必需设备，雷达设有目标信号模拟，雷达模拟器可产生视频、中频、微波目标回波信号，设有各种不同位置的固定目标、各种不同速度运动的目标回波信号、典型航迹信号，该设备应具备人工面板手动操作和通过计算名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 6 页 - - - - - - - - - 机虚拟面板操作控制功能。雷达 BITE 设计是根据雷达系统的使用性指标，对雷达系统、分系统、组合、组件及印制板插件在现场可更换性，对各级单元的测试性和维修性设计，对各级BITE 主要功能、项目、内容、方式、等级、故障隔离深度，对各级BITE 检测电路和测试软件，BITE 电路的同步、故障信号引出、数字变换（D/A） 、故障信号形成、故障显示、故障信号送上一级显示、显控台和主控计算机应具体明细要求，明确那些LRU是可维修或可更换，那些是可更换或不可维修，对不同的LRU应采取不同的设计方法。3.1 雷达基本结构雷达系统由主控计算机、天线系统、波控机、频综、发射机、接收机、伺服、数据处理、显控、同步器与信息交换、供电、环境监测、信号模拟等分系统构成，每个分系统又由一个或若干个组合构成，每个组合安装若干不等的（LRU ）插件单元。3.2 系统总体结构雷达 BITE 设计分为四级， 每级设计有BITE 专用电路， BITE 专用电路的总和不应超过总设备电路总和的10% ，力求BITE 专用电路简单可靠。a. 第一级为系统级，系统级是在主控计算机的控制下，收集、分析判别、综合处理各分系统的故障信号，把故障分类后其最终检测结果送显控台显示。b. 第二级为分系统级，分系统级本身设计有自检（脱机工作状态）和接受主控计算机的控制，收集、分析、处理各组合的故障信号，产生故障地址和数据，把结果送系统级。c. 第三级为组合级，组合级本身设计有自检（脱机工作状态）和接受主控计算机的控制，收集、分析、处理各组合的故障信号，产生故障地址和数据，把结果送组合级。d. 第四级为可更换单元级，单元级是最基本级，它接受组合级的控制，检测信号的引出、自动采集、数字变换、故障信号综合与形成、故障本地显示和送系统级。3.3检测结果显示检测结果显示分为本地（机柜、组合、LRU前面板）显示和送上一级集中显示，系统级在计算机屏上显示和显控台显示。本地检测结果显示是收集到故障的综合显示，LRU本地显示是多点故障的综合显示。本地LCD显示方式：绿色为正常，红色为故障。4 系统软件系统软件设计包括雷达和各分系统的软件设计。要求软件设计与程序编写符合雷达总体技术规范，采用成熟的软件技术，采用标准化，模块化设计，软件具有易用性、通用性、可维护性、可扩展性、可移植性和可靠性等特点。系统软件设计是根据雷达综合保障体系、雷达总体战技指标、测试系统技术指标以及测试系统硬件结构设计软件，测试系统硬件是受到总体设备量的限制，而软件设计可以充分挖掘硬件潜力发挥软件的灵活性，能够把测试系统总性能做到完美境界。系统软件设计的基本步骤是：系统软件的需求分析；概要设计；详细设计；框架与模名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 6 页 - - - - - - - - - 块程序编写；上机调试程序；程序嵌入或打包；编写技术文件等，软件的需求分析和概要设计是雷达故障自动检测软件的设计关键。4.1 软件需求雷达故障自动检测软件、硬件设备是雷达不可缺少的部分，对提高雷达“三性”具有重要意义，为雷达提供一种功能和性能测试方法，当雷达设备出现故障时，它被作为故障定位的主要手段，也为雷达完成各种试验和作战任务提供支持。根据雷达总体要求，对软件需求进行具体分析，提出测试软件总任务、总目标、主体功能、构成原理，测试方法、安全设计、开发环境、编程语言、接口定义、数据需求、数据库建立、软件测试、软件开发文档编写等内容应有具体描述。4.2 概要设计根据软件需求对各部分软件进行概要描述和框架设计，设计软件工作流程图、定义软件接口，规范数据格式等具体工作。4.2.1 总体描述雷达是复杂电子设备系统，系统运行的正确性、有效性、故障的检测与隔离需要雷达故障自动检测软件的支持，该软件是集雷达系统功能测试、性能测试和故障诊断为一体的软件集合体，是雷达系统软件的重要组成部分；该软件是保证雷达工作状态，在规定的模式和状态下评价雷达是否达到执行即定任务的依据，也是雷达系统调试和维修检测的重要工具； 该软件提供的故障诊断结果使得雷达在出现故障后可以迅速做出判断与分析，故障隔离到组合或组合的可更换单元，为快速修复雷达提供可靠的信息，使雷达在较短的时间内恢复正常工作状态并持续工作。4.2.2 总体构成雷达故障自动检测软件的测试对象包括硬件和软件，并且包括若干个层次，就硬件分为雷达系统、分系统、组合、可更换单元；而软件的测试是在硬件的相应层次上进行硬件和软件的集成测试。雷达故障自动检测软件按照与系统操作的并行程度可以分为实时和非实时两部分。按照参与系统操作的时刻又可以细分为实时测试，战前测试和维护测试，故障分析方法、单元软件模块库，雷达各分系统故障数据库软件五部分。4.2.3 总体功能雷达故障自动检测软件是在硬件设备的支持下完成其功能的，它的主要功能是为雷达系统提供维护测试和故障诊断工具。a. 实时监测 : 实时监测是在雷达转入战斗任务后或在雷达作战过程中，对雷达各分机设备工作状态的监视和功能检查。实时测试根据雷达调度模块的调度，主要依赖各分机的BITE，实时测试各分系统的工作状态，向上一级控制模块报告，给出继续战斗或退出战斗的建议。并将故障隔离到组合或功能组件。通过实时性自动监测和处理以确定雷达是否处于“良好工作状态”，为指挥员提供雷达能否继续作战，并做出对雷达继续战斗或退出战斗的决定。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 6 页 - - - - - - - - - b. 战前测试 : 战前测试或自检测试是雷达投入战斗前，对雷达主要功能、性能和雷达各分机的功能测试，故障隔离到组合， 为指挥员提供雷达能否投入战斗或维修的依据。战前测试是非实时测试，为了完成既定战斗任务，雷达作战必需具备的功能和性能，战前测试针对关键项目进行测试，评价雷达是否达到执行既定任务的必要条件，提供雷达能否投入战斗任务的判据。战前测试由测试方法库中的基本测试方法组合而成，基本测试方法分为两类：一类是必须测试项目；另类是可选测试项目，可选测试项根据需要指定。测试顺序按照先必须测试项目，后可选测试项目，在紧急情况下可以只做必须测试项目，不做可选测试项目。c. 维护测试 : 维护和维修测试是非实时测试，该测试是对系统及各分系统的设备进行全面的功能、性能检查测试，并对故障设备诊断定位，故障隔离到组合的插件板或功能组件。4.2.4 测试方法与故障数据库测试方法库是雷达故障自动检测软件提供的基本测试方法的集合。基本测试方法划分采用结构、模块化思想，使得各基本测试方法之间的耦合达到最小，基本测试方法内部的耦合达到最大。基本测试方法模块是构建测试维护软件的原子方法。战前测试，实时测试和维护测试分别根据需要调用部分或全部基本测试方法。基本测试方法的软件结构化模块是雷达故障自动检测软件的最小软件模块，即分系统的BITE 测试的独立单元软件模块或者是某一项独立功能测试单元软件模块，这些独立单元软件模块的设计需要统一标准格式，把它们放在软件模块库内，战前测试，实时测试、维护测试按照标准格式调用，达到资源共享。故障数据库软件是根据各分机BIT 测试项目建立。4.2.5 设计细节雷达故障自动检测软件由五个模块组成，即战前测试模块，实时测试模块，维护和维修测试模块，故障分析方法、单元软件模块库模块，各分机故障数据库模块。各模块工作方式、管理方式完全不同，具有相互独立运行的特点。自动测试工作方式是通过计算机总线接口，向被测试设备设置发送测试控制字，接收状态字实现自动测试的控制。4.2.5.1 战前测试a. 测试内容 : 数据传输检查；分系统测试内容：主控计算机、天线系统、波控机、频综、发射机、接收机、伺服、数据处理、显控、同步器与信息交换、供电控制、环境监测、信号模拟等分系统测试。b. 测试届面；由主控计算机调用战前功能测试届面，人机对话方式进行。c. 工作方式：连续工作方式，以控制模块和调用模块为主，控制其测试模块有序进行；d. 时间与逻辑流程：设置工作状态，时序与雷达真实作战过程基本一致，对分系统测试设计具体流程和细节；4.2.5.2 实时测试a. 测试内容 : 系统硬件故障检查；发射机功率测试；接收机幅相平衡测试；名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 6 页 - - - - - - - - - b. 工作流程：测试软件嵌入在雷达作战软件中，受雷达调度的控制而工作，设计实时监测软件具体流程和细节；4.2.5.3 维护测试a. 自动测试内容: 模拟 S曲线测试； 模拟目标高频近场S曲线测试； 模拟目标高频远场方向图和S曲线测试；数据传输检查；各分系统设备检查；接收机幅相平衡测试； 接收机噪声测试；目标搜索通道、跟踪通道测试；发射机功率测试；伺服功能测试及发射机功率测试等。b. 非自动测试内容：频综的频谱、 功率、 各种波形的测试；接收机灵敏度测试，接收机动态范围及AGC 控制精度；定向灵敏度及线性范围；和差通道隔离度及脉冲压缩特性测试；中频带宽测试；发射管电流测试；发射管真空度测试；发射机高压测试；发射机控保系统测试；功率稳定度测试等。c. 测试届面：由主控计算机调用维修测试届面，人机对话方式进行。4.2.5.4 测试届面设计要求届面设计要求：美观自然，全中文化，对话简略，操作简便，显示直观，即帮即学，适宜低技能人员操作等特点。5 结束语本文较全面介绍了雷达故障自动检测系统软、硬件基本结构和原理，设计思想和方法，由于军用雷达的用途、体制、结构特殊，检测系统须专门设计，其硬件和软件通用性较差，但各种雷达故障自动检测系统基本原理大致相同，如较早时期BITE 大多采用中、小规模集成逻辑电路实现，电路结构复杂，软件简单，故障检测率较低；目前BITE基本采用嵌入式计算机和标准通信接口协议，电路结构简单，软件复杂，功能完善，故障检测率高等特点。因为篇幅有限，具体硬件电路结构，软件结构流程不能详述。据国外文献介绍，军用雷达系统结构有向COTS （Commercial-OFF-The-Shelf ）产品的发展趋势，虽然采用COTS 产品可缩短雷达设计、生产周期，降低设计、生产成本,大幅降低寿命周期保障费用等优点, 就我国目前条件，军用雷达采用COTS产品化设计可能还需要一段时间，由于 COTS产品的特殊性， 雷达故障自动检测系统无疑也是新课题。参考文献1 Stepen Pizzica， Raytheon Company ， Open Systems Architecture Solutions for Military Avionics Testing，IEEE AESS Systems Magazine ， August 2001. 2 杰里 L. 伊伏斯，爱德华K.里迪，现代雷达原理，电子工业出版社.1991. 3 军用软件需求分析，GJB1091-91. 4 军用软件开发规范，GJB43-88. 5 中国航天科工集团公司二院二十三所有关内部技术资料. 6 李更祥 .嵌入式计算机应用于相控阵雷达机内测试设备的设计. 计算机自动测量与控制，2001，2. 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 6 页 - - - - - - - - -