雷达状态监测与性能综合评估系统的设计与实现 *

胡文华 ，朱常安，2，薛东方 ，赵喜 ，杨瑞

（1. 陆军工程大学 石家庄校区， 河北 石家庄 050003；2. 中国人民解放军61035 部队，北京 100094；3. 中国人民解放军75180 部队，广西 桂林 541000）

0 引言

雷达是机、电、光、液等学科互相协同，微波、计算机、信号处理、传感器、精密传动等技术深度融合的复杂电子系统［1］，高新技术密集，系统结构多元，性能越来越好。新技术的应用极大改变了雷达的结构和性能，不仅有传统的发射接收装置，更融合了目标探测识别、测速测距、跟踪定位等数据信号处理单元，使得雷达装备故障机理十分复杂［2］，有现象明显的硬故障，也有电子元件内部烧蚀、性能退化、软件失效等软故障。随着雷达系统任务需求的提升，对其完好性和质量状态评估提出了更高要求，准确掌握其性能状态和质量情况对雷达应用和维修保障具有重要意义［3］。因此，如何采用新的理论方法和技术手段，设计状态监测系统，监测电路工作状态、分系统与整机性能指标变化，结合雷达机内测试（built-in test，BIT）信息及其履历信息，对雷达系统性能进行综合评估变得非常迫切。

1 目前雷达监测与评估中存在的问题

雷达状态监测与故障定位中，通常情况下能将故障定位到最小可更换单元［4-5］，为雷达的故障修复提供了很好的帮助。但传统的状态监测只能监测雷达的工作状态参数，如电压、电流、频率、波形、相位、功率等基本参数，在雷达系统无明显故障现象的情况下不能监测与显示其性能指标的变化。雷达的性能指标如发射机功率、接收灵敏度、噪声系数、改善因子、幅频特性、天线性能的变化等直接影响雷达的作用距离、跟踪性能等［6-7］，因此对雷达的性能指标进行有效的监测非常重要。目前，总线技术、虚拟仪器技术［8］、自动测试设备（automatic test equipment，ATE）技术［9］都得到了长足发展，使雷达的性能指标监测有了技术支撑。

雷达质量与性能评估方面，传统的评价方式主要是依据贮存时间、使用年限、维修次数及根据质量检测结果，人工判定质量等级［10］，未能充分利用雷达系统实时状态测试信息和实际任务剖面下的状态信息，无法很好地确定雷达的实际退化状态，主观性较大，具有一定的局限性。雷达质量状态评估过程中，现阶段由于受测试设备能力的限制，测试结果只能确定装备是否通过检测，即只能判断测试时刻系统是完好还是故障，无法确定其具体性能状态。由于质量状态评估结果不能体现其性能状态，据此就无法掌握装备性能的变化过程和规律，无法预知哪些部组件将要发生故障及故障发生的时间，无法采取针对性的预防措施，只能进行故障后维修和定期预防性维修，视情维修工作开展不充分，大大降低了雷达系统完好率。

针对上述问题，本文着眼雷达系统综合评估现实需求，采用智能测试与诊断、现代信号与数据处理、信息融合评估等技术，通过采集雷达工作状态数据和性能变化情况，综合分析雷达的自身性能因素、环境和任务剖面，从监测得到的性能指标信息、工作状态信息、雷达BIT（built in test）信息和装备履历信息等出发，选择适用的评估方法，评定雷达的质量性能。

2 监测与评估系统总体结构

该系统由主控计算机单元、监测控制计算机单元、雷达性能指标监测模块、工作状态监测模块、ATE 与虚拟仪器模块等组成。雷达状态监测与性能综合评估系统总体结构如图1 所示。

图1 雷达状态监测与性能综合评估系统总体结构Fig. 1 Overall structure of radar condition monitoring and comprehensive performance evaluation system

2.1 主控计算机单元

主控计算机单元是整个监测评估系统的核心部分，内含雷达综合评估软件系统。该综合评估系统突破了传统雷达质量评估主要体现服役年限、故障时间、存储环境、维修情况等履历数据和环境因素的局限性，增加了雷达工作状态数据、性能指标参数及雷达BIT 信息作为质量评估的重要依据。主控计算机单元通过网络交换机（或系统总线）获取雷达性能指标监测数据、工作状态监测数据及雷达BIT 监测数据，结合雷达自身的履历信息，依靠雷达综合评估软件，按获取指标数据、计算指标权重、导入评估模型、综合评估计算、确定质量等级等流程进行相关计算，最后通过人机界面显示综合性能评估结果，并给出雷达故障信息提示与相应的维修方式引导。

2.2 监测控制计算机单元

监测控制计算机单元用于控制性能指标监测模块、工作状态监测模块、ATE 与虚拟仪器模块等，对各模块指标数据采集处理，输入主控计算机单元，共同完成雷达性能指标与工作状态的监测。

2.2.1 雷达性能指标监测

雷达监测控制计算机根据需要可调用性能监测模块，该部分由系统总线，微波信号源、微波功率计、函数发生器、频率计等专用虚拟仪器模块以及万用表、示波器、I/O、A/D 等通用仪器（采集卡）模块等组成，雷达发射系统、接收系统、信号处理系统等通过信号采样及调理电路与性能指标监测模块相连接。监测控制计算机通过系统总线对各种通用、专用仪器模块进行控制，通过与性能指标监测软件的有机结合，构建了良好的人机交互环境，实现对雷达功率、灵敏度、跟踪性能、幅频特性、改善因子、天线性能、暂态特性等性能指标的监测。

2.2.2 雷达工作状态监测

与雷达性能指标监测类似，雷达各分系统关键监测部位设置了相应的传感器与信号调理电路。为了获得雷达工作状态参数，监测控制计算机通过各种仪器模块实现对雷达各分系统工作状态的信号采集与分析，完成电源电压、脉冲宽度、重复频率、检波电流、本振电压等工作状态参数的实时监测与显示。

2.3 雷达BIT 信息模块

随着科技的发展，机内测试（BIT）技术在电子装备测试性、维修性方面得以广泛应用［11］。现代雷达一般都设计了比较完善的BIT 系统，能够对雷达各分系统的开关机状态、工作状态（如雷达搜索与跟踪、寂静与发射）、故障状态等进行实时监测。例如瑞士厄利空-康特拉夫斯公司生产的防空卫士火控雷达，不但性能世界一流，而且BIT 设计相当完备，在国际武器市场上成为抢手货［12］。该雷达设置了测试A、测试B、测试C 等，分别对恒虚警（constant false-alarm rate，CFAR）性能、角误差斜率、接收机灵敏度等性能进行有效的在线测试与监测。主控计算机通过系统总线读取雷达BIT 数据和履历信息，与雷达工作状态监测数据、性能指标监测数据一起参与雷达质量性能的分析计算，以获得更加全面科学的评估结果。

3 雷达智能状态监测系统设计

雷达智能状态监测系统从硬件结构上由监测控制计算机单元、ATE 与虚拟仪器模块、性能指标监测模块、雷达分系统传感器与信号调理电路等组成，如图1 所示。雷达状态监测系统依靠引导软件完成智能监测与自动测试，图2 为其软件监测流程。

雷达开机工作，各分系统正常运转之后就会启动实时状态监测系统，自动调用监测控制程序及相关虚拟仪器（或ATE），依次进行距离跟踪性能、幅频特性等指标的自动监测，监测结果会在主控计算机终端界面上显示出来。

由于整机状态监测的指标参数较多，下面以接收机距离跟踪性能的监测为例介绍其基本工作原理。

3.1 雷达距离跟踪原理

如图3 中所示，雷达距离跟踪系统部分由时间鉴别器、控制器与跟踪脉冲产生器组成，其工作原理如下［13］。

图3 雷达距离跟踪监测原理框图Fig. 3 Monitoring principle of radar range tracking

目标回波信号（高频信号）经接收机与信号处理系统处理后得到目标回波脉冲，时间鉴别器用来比较目标回波脉冲与雷达跟踪脉冲之间的延迟时间差Δt=t-t′，其中t为雷达回波脉冲的中心，t′为跟踪脉冲的中心，时间鉴别器输出的误差信号为

控制器的作用是把误差信号进行变换后，用其输出去控制跟踪脉冲（波门）移动，即改变t′使其朝着减小uε的方向运动，最终的目的是使t′=t。用最简单的线性关系表示，控制器的输出为

而控制器的输出是用来改变跟踪脉冲的延迟时间的，用简单的线性关系表示为

实际工作过程中控制器采用积分器件，则E与uε的关系可表示为

由式（1），（3），（4）可得到由时间鉴别器、控制器与跟踪脉冲产生器组成的闭环系统的性能为

跟踪脉冲产生器根据控制器输出的控制信号大小，产生所需延迟时间为t′的雷达跟踪脉冲，从而实现距离的闭环自动跟踪。

3.2 距离跟踪性能监测方法

监测雷达的距离跟踪性能，核心问题就是模拟距离可变的雷达高频回波信号，其组成框图如图3中监测控制系统部分：监测控制计算机编制相关软件用来产生匀速、加速、减速、盘旋、俯冲等各种参数的距离信号，通过系统总线控制函数发生器，函数发生器产生与雷达脉冲同步的测试脉冲信号。微波信号源用于产生对应波段的高频连续波信号，经高频调制器进行脉冲调制，变换为模拟高频回波信号。雷达正常工作时接收机接入目标回波信号，用于雷达的正常测距与距离跟踪；当系统处于监测模式时，接收机接入模拟回波信号到距离跟踪回路，此时可对雷达不同回波的跟踪性能进行测试。需要说明的是距离跟踪性能监测时，监测模式与正常工作模式不能同时使用。监测控制计算机典型的信号编辑界面如图4 所示。

图4 监测控制计算机信号编辑界面Fig. 4 Signal editing interface of monitoring and control computer

雷达跟踪波形如图5 所示，该图通过距离显示器呈现，图中上半部分为粗扫描线（A 显），下半部分为精扫描线（R 显）。1 为粗扫描线上雷达回波脉冲，此时目标运动的距离约为距离约为27 km；2 为精扫描线上展宽后的雷达回波脉冲；粗扫描线上凹下去的部分3 为雷达跟踪脉冲，此时雷达跟踪脉冲正好捕获到雷达回波脉冲并一直锁定。

图5 雷达距离跟踪波形图Fig. 5 Waveform of radar range tracking

3.3 距离跟踪性能计算过程

雷达距离跟踪性能包括距离跟踪精度、截获概率、时间响应特性、时间鉴别器误差斜率等，下面以距离跟踪精度为例说明其计算方法。步骤如下：

（1） 接通距离信号模拟器，输出模拟目标并使其处于某一距离上。

（2） 雷达距离跟踪回路置于开环状态，将跟踪波门对准模拟目标。

（3） 闭合距离跟踪回路，稳定跟踪目标后，录取回路输出的跟踪距离Ri和对应的目标模拟器装定的距离RDi，并记录测试结果。

（4） 按上述步骤重复测试20 次以上。

（5） 数据处理

式中：Ri为第i个样本的距离跟踪回路输出的跟踪距离；RDi为第i个样本的目标模拟器装定的距离。

根据跟踪误差样本均值和方差，可以判断雷达跟踪性能情况。所得均值和方差越小，说明雷达跟踪精度越高。另外，状态监测系统对每次监测的的值都会记录下来，并把相应的结果发送给主控计算机单元，该单元会长时间记录的变化情况。如果变化较大则说明系统异常，会给出相应的故障信息提示。

4 雷达性能综合评估系统设计

常用的评估方法有层次分析评估法、信息熵法、粗糙集法和神经网络法等［14］。为较好地评估雷达性能状态，选择雷达的监测数据（包括性能指标数据和工作状态数据）、雷达BIT 信息、履历数据、环境数据等，构建雷达综合评估指标体系。由于雷达指标体系较为复杂，存在一定不确定性，符合模糊数学特性，因此选择模糊评判的方法［15］设计评估系统。在评估设计中，引入熵权法确定指标权重，避免权重分配的主观性。

隶属度反映了评估因素和评价等级之间的关系，正确选择隶属度函数才能确保模糊综合评判的良好效果。常见的隶属度函数有正态分布、梯形分布、π 形分布等，按其分布形式可以分为偏小型、偏大型和中间型3 种。为避免单一隶属函数可能出现隶属度突变的问题，本文采用组合隶属函数的方法计算指标等级的隶属度。考虑雷达系统的数据特性、评价因素和评语等级，选择中间型的隶属函数更符合指标数据的普适性。因此本文选择梯形、双S 形和π 形3 种中间型的函数分别计算指标隶属度，而后运用方差-协方差法计算组合隶属度，以增加评估结果的可信度。

根据以上要求设计雷达性能综合评估软件，置于主控计算机单元。通过对获取的指标数据定性分析和定量计算，对雷达的综合性能进行模糊评判，得到最终评估结果。雷达性能综合评估流程如图6 所示，主要有6 个实施步骤。

图6 雷达性能综合评估流程Fig. 6 Comprehensive evaluation process of radar performance

步骤1： 依据雷达功能特性进行性能指标分析，收集获取雷达的性能指标数据、工作状态数据、雷达BIT 信息、履历数据、环境数据等，由此确定雷达装备的底层指标因素。

步骤2： 对获取的底层指标因素进行分类，构造雷达性能综合评估指标体系，然后根据雷达功能特性和应用情况确定雷达性能状况评价等级。

步骤3： 根据雷达综合评估指标体系，运用熵权法自下而上逐层计算各指标元素的熵值和熵权，确定指标权重。

步骤4： 对于能够监测的定量指标，确定其边界值和实测值，采用组合隶属函数的方法求解指标的组合隶属度；对于不能测试的定性指标，通过专家打分求平均值的方式确定指标隶属度。

步骤5： 基于各层次指标的权重和隶属度，构造模糊评判矩阵，按照自下而上的层次，逐个进行模糊评判计算，得到最终的性能评价结果向量。

步骤6： 根据最终计算的模糊评判结果向量，依据最大隶属度原则，确定雷达系统的综合性能评估等级。

按上述步骤对某典型雷达进行监测评估实例分析，验证了该系统的有效性与实用性，系统软件界面如图7 所示。该系统软件配合相关计算机自动检测硬件共同完成雷达状态监测与性能综合评估的任务，可以分别显示工作状态监测、性能指标监测、综合性能评估结果、故障信息提示、维修方式引导等相关界面，用户可以根据自身需要调用相关结果。

图7 雷达监测评估系统软件界面Fig. 7 Software interface of radar monitoring and evaluation system

5 结束语

本文采用智能监测与诊断、BIT 与ATE 结合等技术，实现了雷达装备工作状态和性能变化监测与数据获取；运用模糊综合评判的方法，设计了以监测数据为主，融合雷达BIT 信息、履历数据和环境数据的质量状态综合评估系统，实现了客观精确评估雷达性能与质量状态的目的。本文选取典型雷达系统开展研究，验证了系统设计与相关算法的有效性，对雷达装备操作应用和维修保障具有一定参考价值。