利用故障樹分析航海雷達故障

鄭友賦

(福建船政交通職業學院船政學院，福建 福州 350007)

航海雷達是船舶上必備的導航設備，用于船舶避讓、船舶定位、狹水道引航等，在能見度不良的情況下，是航海人員進行觀測的工具。航海雷達是一種電磁傳感器，能對反射性物體進行檢測和定位［1］。現代航海雷達自動化與集成化程度很高，一旦出現故障，如果不及時診斷和處理，不僅影響船舶正常航行，甚至可能危及船舶的安全，從而造成巨大的經濟損失。因此，對于航海雷達故障的快速準確判斷及處理十分重要。

在工程與生產實際過程中，應用故障樹分析法可以快速地找到故障的主要原因 (頂事件)，從而及時提出處理方案，并排除故障。本文采用故障樹分析法對航海雷達的典型故障進行分解與分析，目的是提高航海雷達故障診斷的準確性與效率。

1 故障樹分析的基本理論

故障樹建模是建立一個基于被測對象的模型，以故障系統的最終故障事件為頂層事件，以可能造成頂層事件發生故障的其它事件為中間事件和底層事件，采用倒立樹狀結構形式表達各種事件之間的關系。通過計算故障樹頂層事件發生概率，故障樹各個最小割集的發生概率及最小割集重要度，并給出定量分析，從而大大減小診斷難度，同時也使故障原因搜索時的一次命中率大為提高［2］。

2 航海雷達故障樹分析

雷達故障診斷的本質是故障關系的處理，故障關系處理的本質就是故障樹分析法。診斷過程是從系統的頂事件開始，通過尋找出現頂層事件的原因而逐級建立一棵倒立的故障樹。通過對故障樹的提問式搜索會找到故障的最終原因。在這棵倒立的故障樹中，一個頂層事件可能與多個底層事件相對應，頂層事件和底層事件之間還有一些中間事件，中間事件是底層事件的結果，也是頂層事件的原因。但每個底層事件對頂層事件的影響是不同的，也就是不同的底層事件具有不一樣的重要度［3］。

2.1 診斷對象的分解

為了更好的分析航海雷達的系統故障，必須對航海雷達進行系統分解。把它分解為若干個相對獨立的子系統，以便更好地分析故障，建立故障樹。對診斷對象分解的方法有3種［4］:結構分解法，對系統的物理結構進行分解，這種分解法可以直達最低層的零部件;功能分解法，對系統的功能進行分解，這種分解法可以了解系統的基本功能;故障分解法，對診斷對象的故障進行分解，這種分解法可獲得最具體的故障。

對航海雷達故障診斷分析常用結構分解和故障分解相結合的方法，并通常將航海雷達系統劃分為表1 所示［5］的5 類。

表1 航海雷達系統分類

表1中各子系統的功能如下:①天線子系統:雷達天線是一種方向性很強的天線。它把發射機經波導饋線送來的發射脈沖的能量聚成細束朝一個方向發射出去，同時，也只接收從該方向的物標反射的回波，并再經波導饋線送入發射機。②發射機子系統:發射機在觸發脈沖的作用下產生大功率及超高頻脈沖信號，即發射脈沖 (或稱射頻脈沖)。射頻脈沖應能滿足在最大作用距離上探測有效物標所需要的峰值和平均功率，以及合適和穩定的波形。射頻脈沖經波導饋線送入天線向外發射。③接收機子系統:雷達中的接收機均采用超外差式接收機。它把回波信號先進行變頻，變成中頻回波信號，然后再放大、檢波、再放大，變成顯示器可以顯示的視頻回波信號。為了改善接收機的性能，提高雷達的探測能力，現代航海雷達普遍采用了一些其他輔助電路。由于從天線送來的回波信號十分微弱，一般僅有幾微伏，而顯示器顯示需要約幾十伏，而且應是視頻信號，因此，必須將回波信號放大近百萬倍才行。④顯示器子系統:船用雷達的顯示器是一種平面位置顯示器。顯示器根據接收機送來的回波信號、天線送來的方位信號將物標回波顯示在物標所在的方位和距離上。顯示器還配有測量物標方位、距離的裝置，以測量物標的方位和距離。⑤電源子系統:電源子系統的作用是把各種船電變換成雷達所需的具有一定頻率、功率和電壓的專用電源。雷達考慮了各種因素均采用中頻電源供電，頻率一般在400～2000 Hz之間。現代雷達電源普遍采用逆變器，也有直接用船電的。

2.2 故障獲取方法

獲得航海雷達故障發生的原因和故障層次是航海雷達故障樹分析和建立故障知識庫的基礎。航海雷達在日常工作過程中，由于缺乏維護、維護不當、違規使用或出現突發因素，可能出現各種故障。因此，必須及時而準確地掌握故障現象，為分析原因和排除故障提供充分的客觀材料和依據。正確分析故障現象的原因，是及時排除故障的基礎和關鍵因素。

故障現象雖然有不同的表現，但某一特定的故障現象一定是在特定的工作環境下的表現。不同的工作環境，故障都會有不同的表現。這些故障現象一般通過聽、觀察、觸摸或測試點檢測的方法可以獲得。概括起來有以下幾點:①運行異常，如天線不旋轉、天線轉速不均勻、發射機不發射;②聲音異常，如天線旋轉時發出摩擦聲、雷達機內出現打火聲、電源聲音過大;③溫度異常，如波導管發熱、發射機過熱、電源過熱;④外觀異常，如波導管變形;⑤測試點電壓/電流值異常，如磁控管電流過大/過小/不穩定等。

以上幾種故障現象，往往相互聯系，或作為某種故障現象同時出現。因此，只要條件允許，應該運用多種手段，盡可能多方面的弄清楚故障現象，以便及時而準確地判斷故障發生的原因。

2.3 航海雷達典型故障分析

以雷達發射機故障為實例。若雷達發射機出現故障，則造成的直接后果是無射頻脈沖，其典型故障現象為:天線系統正常 (天線正常勻速旋轉)，增益調節功能正常 (增大增益有噪聲斑點出現)，活動/固定距標顯示正常，電子方位線顯示正常，符號顯示正常等，但雷達熒光屏上無物標回波。

通過分析以上故障現象，可以判定故障應該出現在發射機子系統。將發射機無發射脈沖故障設為結果故障事件，即頂事件。發射機無發射脈沖故障產生的原因有很多，但都出現在射頻脈沖通道。以下設定3種故障原因，來分析發射機無發射脈沖故障。

1)磁控管不工作。磁控管正常工作的條件有:燈絲電源 (低壓電源)、特高壓調制脈沖和磁控管本身正常。因此，磁控管不工作的原因有以下3方面:①燈絲電源/低壓電源故障;②磁控管陰極上無特高壓調制脈沖;③磁控管本身損壞。前2項是磁控管的外部工作條件。檢查方法也比較方便:檢查燈絲電源時，可先關高壓，然后在磁控管燈絲引線處檢查電壓是否符合要求。

2)無高壓調制脈沖說明調制器不工作。同樣可以從外部條件及本身來檢查。若外部條件完好，則可懷疑是調制管損壞。脈沖調制器工作的外部條件是:①有直流高壓;②有與調制脈沖或觸發脈沖;③儲能元件完好;④有調制管其他各極偏置電壓。

3)無觸發脈沖。觸發脈沖的重復頻率在500～2000 Hz之間，屬于音頻范圍，可用接有耐壓較高、電容量為0.05 μF左右的電容的耳機測聽。如觸發脈沖電路有故障，可先用這樣的耳機逐級檢測，找出所在部位后，再用常規方法查出具體的故障所在。

2.4 頂事件故障分析

航海雷達故障樹頂事件如表2所示。

表2 航海雷達故障樹頂事件

2.5 最小割集確定與分析

以“發射機無發射脈沖”作為示例，求出故障樹的最小割集。

由圖1可得:a=b+c+d=e·f·g+h·i·j·k+l所以，頂事件的最小割集是 {e，f，g}，{h，i，j，k}，{l}。

按照求出的頂事件，求解出發射機無發射脈沖故障樹的定性重要度，{l}是一階最小割集，具有最高重要度。其次是三階最小割集 {e，f，g}。一個四階最小割集 {h，i，j，k}。

對照故障樹，可以求出故障樹的定性重要度。

圖1 發射機無發射脈沖故障樹

3 結語

航海雷達的故障原因主要有:元件故障、設計缺陷、制造工藝缺陷、使用維護不當、環境因素影響等。對航海雷達故障來說，主要的故障分析集中在“電源故障”、“無發射脈沖”等故障上。

本文的論述基于原始資料分析，并利用故障樹理論分析航海雷達故障，建立航海雷達故障診斷的方法。工程人員可以根據實際出現的故障現象，建立故障樹，有目的的分析故障現象，進而得出診斷及維修方法。該方法能有效的提高雷達的故障診斷效率，具有較大的實際應用價值。

［1］Merrill I.Stolnik.雷達手冊 ［M］.2版.北京:電子工業出版社，2003.

［2］朱大奇，于盛林.基于故障樹最小割集的故障診斷方法研究［J］.數據采集與處理，2002，17(3):341－344.

［3］謝季堅，劉承平.模糊數學方法及其應用［M］.武漢:華中理工大學出版社，2000.

［4］朱繼洲.故障樹原理和應用［M］.西安:西安交通大學出版社，1989.

［5］王世遠.航海雷達與ARPA［M］.大連:大連海事大學出版社，1998.