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機(jī)動(dòng)雷達(dá)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)智能化監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)論文
引言
機(jī)動(dòng)雷達(dá)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的維修保障通常是在發(fā)現(xiàn)故障后再進(jìn)行修理或是定期進(jìn)行預(yù)防性維修，但這種方法不能直觀地反映雷達(dá)即時(shí)的使用狀況，也不能有效避免故障的發(fā)生或在發(fā)生故障后進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。為了解決這些問(wèn)題，提高雷達(dá)的智能性，迫切需要研究_種預(yù)知維修和智能維修系統(tǒng)，以監(jiān)測(cè)雷達(dá)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)狀態(tài)，實(shí)時(shí)感知外部環(huán)境和自身的狀態(tài)變化，推測(cè)狀態(tài)的變化趨勢(shì)，估計(jì)故障的傳播、發(fā)展和系統(tǒng)的劣化趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)在線故障診斷和維修，提高系統(tǒng)的可用度m。
機(jī)動(dòng)雷達(dá)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的智能化監(jiān)測(cè)首先需要通過(guò)傳感器采集結(jié)構(gòu)系統(tǒng)運(yùn)行中的信息，再將其輸入到信號(hào)處理系統(tǒng)中進(jìn)行處理，得到相關(guān)的特征參數(shù)或變化曲線，然后通過(guò)診斷系統(tǒng)判別雷達(dá)是否存在故障，最后對(duì)有故障或異常狀態(tài)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，提供預(yù)防和修正的方法。
1機(jī)動(dòng)雷達(dá)結(jié)構(gòu)智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
i.i機(jī)動(dòng)雷達(dá)結(jié)構(gòu)智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成
_般地，機(jī)動(dòng)雷達(dá)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要包括天線結(jié)構(gòu)、天線座、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、車輛和方艙等。智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅對(duì)雷達(dá)結(jié)構(gòu)各分系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),還要提供雷達(dá)工作的外部環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度、風(fēng)速等，以便操作人員獲取完整的信息,對(duì)雷達(dá)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估。應(yīng)綜合雷達(dá)的成本、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的重要性選取合適的監(jiān)測(cè)特征參數(shù)。機(jī)動(dòng)雷達(dá)結(jié)構(gòu)智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括傳感器、數(shù)據(jù)采集及信號(hào)處理機(jī)、智能診斷及顯示系統(tǒng)，其基本工作原理為：傳感器將特征數(shù)據(jù)送至信號(hào)處理機(jī)進(jìn)行濾波等預(yù)處理，再通過(guò)
FFT(快速傅里葉變換）等方法進(jìn)行信號(hào)處理，分析結(jié)果送智能診斷中心進(jìn)行故障診斷，最后將決策和建議送至顯示系統(tǒng)，如圖1所示。
1.2雷達(dá)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法選擇
常用的監(jiān)測(cè)技術(shù)有振動(dòng)監(jiān)測(cè)、聲監(jiān)測(cè)、油樣分析、光學(xué)監(jiān)測(cè)、流量與壓力監(jiān)測(cè)、風(fēng)速監(jiān)測(cè)、溫度與濕度監(jiān)測(cè)等2。
振動(dòng)監(jiān)測(cè)是通過(guò)監(jiān)測(cè)雷達(dá)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)工作中代表其動(dòng)態(tài)特性的振動(dòng)信號(hào)的異常來(lái)判斷該結(jié)構(gòu)是否處于正常狀態(tài)。常用的振動(dòng)信號(hào)有位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)速、應(yīng)變、應(yīng)力、力、轉(zhuǎn)矩等。常用的傳感器有壓電式、電阻應(yīng)變式、壓阻式、渦流式、光電式和磁電式等，主要用于雷達(dá)天線座、天線結(jié)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)、二次冷卻裝置等設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)。
聲監(jiān)測(cè)是根據(jù)雷達(dá)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在運(yùn)行中發(fā)出的聲音或噪聲來(lái)判別設(shè)備是否發(fā)生故障。其傳感器主要是送話器和傳聲器。在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中還用到超聲波檢測(cè)，即用一個(gè)探頭發(fā)射超聲波，另一個(gè)探頭接收超聲波，通過(guò)其信號(hào)形式來(lái)判斷管路腐蝕或設(shè)備內(nèi)部裂紋等，可用于雷達(dá)冷卻或天線座系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)。
溫濕度監(jiān)測(cè)是根據(jù)雷達(dá)結(jié)構(gòu)及其周圍環(huán)境溫度、濕度的變化，來(lái)識(shí)別系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的變化。傳感器主要有熱電偶式、紅外探測(cè)器等，主要應(yīng)用于雷達(dá)外部工作環(huán)境測(cè)量、設(shè)備艙內(nèi)環(huán)境測(cè)量、局部小環(huán)境測(cè)量及天線座稀油潤(rùn)滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等。
油樣分析技術(shù)是對(duì)雷達(dá)液壓系統(tǒng)液壓油或天線座潤(rùn)滑油中的顆粒物進(jìn)行檢驗(yàn)分析,以判斷油是否被污染或劣化的監(jiān)測(cè)方法，常見(jiàn)的有鐵譜分析、光譜分析等。
2機(jī)動(dòng)雷達(dá)典型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)
2.1天線座監(jiān)測(cè)技術(shù)
機(jī)動(dòng)雷達(dá)天線座主要由方位傳動(dòng)、同步輪系、轉(zhuǎn)臺(tái)和底座和潤(rùn)滑系統(tǒng)組成，包括電機(jī)、方位減速箱、帶齒方位大軸承、數(shù)據(jù)小齒輪及圓柱齒輪等。方位減速箱一般采用稀油潤(rùn)滑，方位大軸承和同步輪系可根據(jù)需要采用油脂或稀油潤(rùn)滑。
雷達(dá)天線座是一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械，包括電機(jī)、齒輪、軸承等典型機(jī)械部件，可采用以振動(dòng)監(jiān)測(cè)為主并輔助監(jiān)測(cè)油溫、液位、力矩、轉(zhuǎn)速的方法，即在傳動(dòng)系統(tǒng)軸向、徑向及關(guān)鍵部位安裝傳感器，測(cè)得相關(guān)數(shù)據(jù)后送后端進(jìn)行處理。典型雷達(dá)天線座測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。
天線座振動(dòng)監(jiān)測(cè)采集的信號(hào)需通過(guò)信號(hào)處理機(jī)提取出特征參數(shù)（位移、速度或加速度），信號(hào)處理機(jī)先進(jìn)行預(yù)處理，再進(jìn)行精確處理。常用的預(yù)處理方法主要有濾波、包絡(luò)和相加平均法。精確處理方法主要有時(shí)域分析、幅值域分析、頻域分析、小波分析等。
時(shí)域分析主要通過(guò)直觀測(cè)量加上波形分析進(jìn)行，可用于對(duì)設(shè)備故障的初步判斷。幅值域分析主要是利用振幅概率密度圖來(lái)分析故障信號(hào)源的性質(zhì)。頻域分析是對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析的傳統(tǒng)而有效的方法，主要是基于快速傅里葉變換的譜密度函數(shù)分析，時(shí)域函數(shù)x(t)的傅里葉變換為
式中:t為時(shí)間；f為頻率。
另外，還可通過(guò)自相關(guān)函數(shù)或幅值譜求得自功率譜3。這樣，就可以通過(guò)頻譜圖來(lái)判斷故障的部位及嚴(yán)重程度。某減速箱投入使用后先后測(cè)得的頻譜圖（圖3和圖4)表明，齒輪磨損顯著加大。
有時(shí)，為得到信號(hào)的局部特征，還需采用加窗及頻率細(xì)化技術(shù)。如圖5所示,對(duì)以圖3中減速箱一級(jí)嚙合頻率為中心頻率進(jìn)行細(xì)化，可大大提高頻率分辨率。
近年來(lái)發(fā)展的小波分析、時(shí)間序列法、分形處理等
方法進(jìn)一步提高了故障信號(hào)分辨的精確性。因此，對(duì)天線座系統(tǒng)的振動(dòng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，再結(jié)合監(jiān)測(cè)出的油溫、力矩和轉(zhuǎn)速，可對(duì)天線座各部分的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和故障判斷。
2.2液壓系統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)
液壓系統(tǒng)因其具有體積小、重量輕、功率大、承載能力強(qiáng)、工作平穩(wěn)等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而在機(jī)動(dòng)雷達(dá)中得到了廣泛應(yīng)用。液壓系統(tǒng)主要包括液壓泵、電機(jī)、油箱組件、閥組、執(zhí)行油缸、液壓馬達(dá)和油管等，需要監(jiān)測(cè)的特征參數(shù)包括油源壓力和流量、閥組壓力和流量、各執(zhí)行油缸及液壓馬達(dá)的壓力和流量、油溫、執(zhí)行油缸位移、油液質(zhì)量等，可用溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器和流量傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，采用鐵譜分析、光譜分析等多種方法，全面、綜合地監(jiān)測(cè)與診斷液壓系統(tǒng)的磨損、腐蝕、污染或油質(zhì)變化情況。
與天線座監(jiān)測(cè)系統(tǒng)類似，可通過(guò)繪制各特征參數(shù)的時(shí)域波形來(lái)直觀顯示液壓系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。還可通過(guò)監(jiān)測(cè)液壓系統(tǒng)動(dòng)力源三相電信號(hào)來(lái)獲取液壓系統(tǒng)加減載、沖擊、過(guò)載和溢流等不同工況及功率匹配情況。
2.3冷卻系統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)
機(jī)動(dòng)雷達(dá)中常用的冷卻方法有強(qiáng)迫風(fēng)冷和液冷。強(qiáng)迫風(fēng)冷又分為開式風(fēng)冷和閉式循環(huán)風(fēng)冷，開式風(fēng)冷的主要設(shè)備有通風(fēng)機(jī)、通風(fēng)管道、濾塵器及電源等，閉式風(fēng)冷除了具有上述設(shè)備外，還需增加具有制冷散熱功能的冷卻風(fēng)柜或空調(diào)；液冷的主要設(shè)備包括二次冷卻裝置（含水泵、水箱、熱交換器等）、閥及管路等。
風(fēng)冷系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的特征參數(shù)主要有溫度、壓差、風(fēng)量、轉(zhuǎn)速等，液冷系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的特征參數(shù)主要有液溫、壓力、流量、液位等，風(fēng)機(jī)、水泵運(yùn)行狀態(tài)仍然可以采用類似于天線座的振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法。另外，漏液監(jiān)測(cè)既是液冷系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。漏液監(jiān)測(cè)方法包括負(fù)壓波法、聲波法、流量監(jiān)測(cè)法、感應(yīng)線監(jiān)測(cè)法等,在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為便于工程實(shí)施,可采用接水盤漏液監(jiān)測(cè)和流量監(jiān)測(cè)法4。
3機(jī)動(dòng)雷達(dá)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)智能化診斷技術(shù)機(jī)動(dòng)雷達(dá)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可用的故障診斷技術(shù)主要有：
1)統(tǒng)計(jì)法，從時(shí)域和頻域中提取映射設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的特征元素或特征向量，與標(biāo)準(zhǔn)譜數(shù)據(jù)庫(kù)中的進(jìn)行比較來(lái)確診設(shè)備是否出現(xiàn)故障。該方法需要大量測(cè)試和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
2)邏輯診斷法，其中最重要的是故障樹分析法,它是將系統(tǒng)故障形成的原因由總體至部件按樹枝狀逐級(jí)細(xì)化，一直追溯到那些不能展開或無(wú)需再深究的最基本因素為止。故障樹是由頂事件、中間事件和底事件用適當(dāng)?shù)倪壿嬮T自上而下逐級(jí)連接起來(lái)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)圖。故障樹既可用作定性分析，也可用作定量分析。故障樹分析法廣泛應(yīng)用在雷達(dá)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)故障診斷中，圖6是某雷達(dá)液壓系統(tǒng)天線無(wú)法倒豎故障樹。Xi?X22為底事件，從該故障樹可以求出最小割集，但上行法或下行法搜索盲目性大且較費(fèi)時(shí)，因此需結(jié)合專家系統(tǒng)確定最佳搜索方案。
1)模糊診斷法和灰色識(shí)別法，考慮到系統(tǒng)故障不確定性的各種因素，模糊數(shù)學(xué)建立了一種基于模糊邏輯算法的隸屬度分析識(shí)別方法，可精確反映系統(tǒng)故障的不確定性,但該方法的前提是數(shù)據(jù)完整，在工程實(shí)際很難取得完整信息時(shí)，需采用灰色識(shí)別法，即采用灰色模型GM(1,1)來(lái)對(duì)故障進(jìn)行預(yù)測(cè)。這2種方法廣泛應(yīng)用于液壓系統(tǒng)的故障診斷。
2)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷法，從模式識(shí)別角度應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為分類器進(jìn)行故障診斷，從預(yù)測(cè)角度應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行故障預(yù)測(cè)。基本神經(jīng)元的數(shù)學(xué)模型為
5)專家系統(tǒng)，它是根據(jù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)故障診斷專家提供的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理和判斷，模擬人類專家的決策過(guò)程，幫助普通人員解決復(fù)雜問(wèn)題。專家系統(tǒng)一般由知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)及解釋程序、知識(shí)獲取程序及人機(jī)接口組成。專家系統(tǒng)知識(shí)具有永久性、共享性和易于編寫性等優(yōu)點(diǎn)，適用于比較規(guī)范的大型復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。近年來(lái),結(jié)合其他診斷技術(shù)發(fā)展的模糊專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)等，為研究結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的智能診斷方法提供了更具價(jià)值的方向指引。
4結(jié)束語(yǔ)
雷達(dá)電訊系統(tǒng)自測(cè)試（Built~inTest,BIT)技術(shù)已取得成功,而其機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障監(jiān)測(cè)和診斷尚處于起步階段。美國(guó)在《系統(tǒng)和設(shè)備測(cè)試性大綱》中，將BIT擴(kuò)展到機(jī)械結(jié)構(gòu)中，但目前對(duì)機(jī)動(dòng)雷達(dá)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如何進(jìn)行智能化監(jiān)測(cè)，還沒(méi)有一套完整規(guī)范的方法可供參考。本文以機(jī)動(dòng)雷達(dá)機(jī)械結(jié)構(gòu)各分系統(tǒng)為研究對(duì)象，分別從關(guān)鍵特征參數(shù)的獲取、信號(hào)處理及診斷決策3個(gè)方面進(jìn)行了研究，給出了機(jī)動(dòng)雷達(dá)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)智能化監(jiān)測(cè)的總體框架和方法選擇，這也是雷達(dá)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)BIT技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要研究方向。
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