基于自適應LS-SVM的雷達T/R組件熱管冷卻故障診斷系統設計

(中國人民解放軍77156部隊 技術維護室，寧夏回族自治區 吳忠 751102)

0 引言

現代雷達技術快速發展，設備綜合戰術性也不斷提高，系統也越來越復雜，隨之產生的故障概率也不斷增加，許多故障問題僅憑工作人員經驗檢測已經不能完成。雷達T/R組件在獲取高發射率同時產生大量熱損耗，因此，組件熱管冷卻故障診斷系統設計是雷達穩定運行的關鍵步驟[1]。目前雷達T/R組件熱管是一種體積小、高效率傳熱的元件，而冷卻方法主要有強迫風冷、液冷和蒸發冷等，由于雷達使用功率逐漸增大，其發熱密度也大大增加，因此，T/R組件冷卻方式選擇效率高的方向發展。隨著雷達向高精度數控方向發展，對于組件運行提出了越來越高的要求。影響雷達T/R組件熱管冷卻故障因素較多，如主軸系統熱變形使主軸發熱更為嚴重，導致組件熱管冷卻效果較差。采用傳統故障診斷系統能逐步引導用戶對組件進行測試，但執行效率較低，為此設計了基于自適應LS-SVM的雷達T/R組件熱管冷卻故障診斷系統，是一種比較理想的經濟節能型診斷系統。

1 雷達T/R組件熱管冷卻工作原理

雷達T/R組件熱管冷卻是一種高效工作組件，主要是由輸液芯片和重力熱管組成[2]。重力熱管是由導熱率較高的金屬制作而成，將其內部熱管抽成真空，并注入適量工作液，再密封，將其從下至上的加熱，內部工作液汽化，形成蒸汽。蒸汽受到壓力差影響，向上端流動，在上端受到冷卻影響，使蒸汽冷凝為液體形式，經過重力作用再次流回加熱端[3]。如此往復，管內封存的工作液會經過加熱轉化為氣體，再經過冷卻轉換為液體進行相變循環。根據該工作原理，可設計成如圖1所示的熱管冷卻系統。

圖1 T/R組件熱管冷卻系統

將加熱階段和冷卻階段設計成標準化形狀和尺寸，使雷達T/R組件熱管冷卻系統內部的相變循環在溫差較小的情況下，快速將熱量從熱管內傳送到冷卻階段，進而得到冷卻與溫度均一化的效果[4]。

目前，最常用的雷達T/R組件功率放大器是由半導體器件實現的，將晶體管視為主要發熱元件，可使單個脈沖能源耗散功率達到300W[5]。在雷達結構中，一旦該組件出現問題，那么每當晶體管溫度上升10攝氏度時，可靠性就會降低50%，因此對其進行故障診斷是具有必要性的。

2 基于自適應LS-SVM故障診斷系統設計

將系統分解成三個相對獨立的層面，通過網絡發布數據構建網絡聯系平面，系統總體架構是由故障數據采集處理層、診斷層和發布層組成的，其中故障數據采集處理層主要負責多數字信號處理器采集和特征提取總線嵌入式網絡模件之間的數據通信，供故障診斷系統中硬件和軟件的選型，能夠保證整個系統更加可靠；診斷層是由遠程監測和診斷為核心，在可視化操作平臺上進行的，在遠程設備監測神經中樞內分析軟件包，通過圖形化軟件環境為信息集成提供環境。根據設備狀態信息，按照不同用戶個性化需求，動態顯示設備運行狀態；發布層是將現場采集到的設備數據實時、動態發布到網絡上，用戶可直接通過瀏覽器進行訪問[6]。經過身份驗證登錄系統，并根據不同身份劃分不同訪問權限，對數據庫進行修改與編輯[7]。

根據層次劃分結果，充分考慮實際運行環境的便攜性要求，使硬件結構設計能即插即用，實現數據高速傳輸。軟件程序是在Win8系統平臺上建立的，采用模塊化設計理念，針對某個位置故障研發相應程序集。

2.1 故障診斷系統設備結構設計

故障診斷系統設備結構是由兩部分組成的，分別是前端設備和后端設備[8]。其中前端設備是經過前置處理，再經過數字信號處理器將消息轉換為模擬信號形式，再經過A/D轉換，可從大量信號中快速提取故障特征；而后端設備主要負責內部模件與外部的通信，設備結構圖設計如圖2所示。

圖2 設備結構示意圖

針對故障診斷系統各部件不同，采用基于自適應LS-SVM技術能夠完成對大多數組件的診斷工作，內部設置AC/DC電壓、電流以及二極管診斷功能，可在電路板卡部分使用具有150 KHz采樣頻率、32 K字的FIFO存儲器，通過USB纜線，可直接與計算機相連接，實現對整個電路的故障診斷[9]。

2.1.1 數字化收發芯片設計

數字化收發芯片是由單片微波集成電路MMIC驅動、限幅器、射頻收發和模數轉換芯片組成的，為了提高芯片通用性，將鏈路濾波器外置，提高集成度[10]。采用有源變頻方式對鏈路進行上下變頻，并分別對雷達回波信號進行低噪放和一中下變頻，而對二次激勵信號進行一中上變頻。接收中頻輸入的模數混合信號，同時根據信號帶寬要求，產生相應脈沖壓縮雷達信號。

2.1.2 VXI總線多DSP并行處理模塊設計

VXI總線具有即插即用功能，是實現網絡接入的總線控制，主要由嵌入式硬件驅動、WINDOES操作系統、實時數據庫組成的。多DSP器件中并行處理部分是由計算模塊、VXI總線模塊和局部數據模塊組成的，負責完成故障位置計算任務，該模塊中包含多個DSP芯片電路，不同電路之間使用數據總線相連接，實現DSP模塊和VXI總線間的時序轉換。該模塊結構框圖如圖3所示。

圖3 并行處理模塊結構框圖

采用TMS302VC5409型號芯片設計的DSP并行處理模型，具有64K靜態存儲器供程序使用，內部設置的加載程序能夠應用不同場合。對缺少上拉電阻的中斷輸入口設置8個引腳，分別是INT1外部中斷1引腳、INT2外部中斷2引腳、INT3外部中斷3引腳、數據輸入準備引腳、保持輸入引腳、不可屏蔽中斷引腳，防止干擾因素導致并行處理意外中斷現象發生。

2.1.3 控制電路設計

在實際使用過程中，一旦雷達T/R組件出現故障，無需更換組件即可對故障進行檢測，在不拆除T/R組件情況下隔離出故障組件，進而實現快速診斷。TR組件一般是由供電電路、視頻電路和控制電路組成的，信號在饋線網絡端口集中發射，經過天線單元輻射到空間中；陣面所有TR組件處于接收狀態，經過控制移相器移相，傳送至饋線網絡端口。

由于每個TR組件受限于系統控制，波控組合接收雷達傳送過來波束，并指向代碼、頻率點和定時信號，先將數據指令轉換成波控協議同步數據，再將該數據和定時信號通過電纜傳送至陣面上波控組合中。通過計算移相控制碼傳送至驅動電路中，由驅動電路完成組合控制，最終實現雷達波束控制，為故障診斷提供約束環境。

2.1.4 故障診斷電路設計

故障診斷是對雷達T/R組件熱管冷卻異常情況作出判斷，將診斷結果作為系統故障恢復的依據。在系統電路正常運行條件下，采用霍爾元件對電路進行診斷，如圖4所示。

圖4 故障診斷電路設計

通過L1導磁體診斷雷達T/R組件熱管冷卻電流大小，能夠實現過流和短路診斷；L2導磁體在正常狀態時，磁通和為0，霍爾開關元件無輸出，此時可以診斷單端對地短路和漏電所引發的冷卻功能失效故障；L1和L2導磁體不需要繞成線圈，因為霍爾開關元件輸出屬于自動輸出，不適合使用模擬量進行診斷，通過調整兩個導磁體不之間距離，實現靈敏度診斷。為了避免動作錯誤，需加入延遲濾波電路，由此完成故障診斷系統設備結構設計。

2.2 系統功能設計

系統功能設計是由I/O接口、驅動軟件和開發環境這三個部分組成的，其中I/O接口和驅動軟件是整個系統的低層軟件，能夠實現硬件之間的通信與控制；應用開發環境是用戶自定義的開發工具，通過分層次模塊化理念，可設計出不同功能子程序，進而完成大型復雜診斷任務。

由于雷達表面存在振動信號，在對其進行特征提取之前需先進行降噪預處理，去除部分噪聲信號，以此提高T/R組件熱管冷卻信號的信噪比。采用自適應LS-SVM童趣故障特征向量：(1)對降噪后信號進行分解，并從低頻到高頻頻率成分中提取信號特征；(2)對分解系數重構，提取各個頻帶范圍信號；(3)求解頻帶信號總耗能；(4)構造新能量，以此作為故障樣本特征。

根據故障樣本特征構建故障診斷模型，在非線性情況下建立回歸函數，用回歸函數來估計訓練樣本集。將原始空間映射到一個高維 Hilbert 特征空間，引用自適應加權 LS-SVM，根據該誤差變量，選擇權系數，以此權衡訓練誤差變量。

引入拉格朗日函數，求解該問題：

(1)

公式(1)中：w，s，k分別表示權向量、偏差量、誤差變量；J(w，k)表示函數泛化能力；xi、yi表示訓練樣本集；βi表示格朗日乘子。

為了達到最優解，需在極值點對w，s，k，βi求偏導并令其等于零，如果矩陣是可逆的，可求出偏差量和格朗日乘子，由此得到加權LS-SVM 回歸函數。

根據加權LS-SVM 回歸函數，對故障類型進行分類，具體步驟如下所示。

步驟一：采集雷達信號，并輸入待測電路之中，提取相關數據，建立樣本集；

步驟二：確定雷達T/R組件故障診斷模型，求解拉格朗日乘子，在加權自適應LS-SVM 回歸函數中，訓練多個樣本，并按照大小進行排列，將較小的訓練樣本去除，再次使用 LS-SVM進行訓練，并排列，直到用泛化能力達到最低為止；

步驟三：訓練樣本，并得到拉格朗日乘子，構建最優決策超平面，求出樣本決策輸出值，并進行判斷分類，確定故障類型。

經過兩個周期數據采樣，可將差分傳輸線正負端交換，這樣兩次周期采樣方向是完全相反的，如果相反，則說明數據接收正常，T/R組件無故障問題出現；反之，則說明T/R組件異常。根據故障類型，設計故障診斷具體實現流程，如下所示：

①系統初始化；

②電壓與射頻信號檢測；

③驗證信號是否正常？如果是，則需自行檢查命令。如果不是，則說明診斷不通過顯示故障代碼；

④驗證ID號是否顯示？如果顯示，則需控制線測試命令。如果不是，則說明診斷不通過顯示故障代碼；

⑤根據步驟④，錄取交叉前后控制字；

⑥查看控制字是否反相？如果是，則診斷通過組件的功能是否正常。如果不是，則說明診斷不通過顯示故障代碼；

⑦繼續工作，重復上述步驟。

依據該流程，實現雷達T/R組件熱管冷卻故障診斷。

3 測試驗證

為驗證基于自適應LS-SVM的雷達T/R組件熱管冷卻故障診斷系統設計的有效性，通過MATLAB 軟件仿真模擬各種故障類型，對比分析提出的自適應LS-SVM系統與傳統系統性能。

3.1 數據說明

T/R組件熱管冷卻最常出現的故障是射頻信號無輸出或有輸出，但輸出結果不正確，表1所示T/R組件信號輸入輸出說明。

表1 振動加速度傳感器的主要參數

通過分析T/R組件輸入輸出信號判斷熱管冷卻是否出現故障。

3.2 測試結果與分析

為了驗證故障診斷系統設計有效性，需先對雷達T/R組件熱管冷卻情況進行分析。

3.2.1 冷卻效果測試與分析

在不同風速下，對熱源溫度隨功率變化情況展開分析，結果如圖5所示。

圖5 不同風速下熱源溫度隨功率變化情況

由圖5可知：在不同功率下，熱管具有不同溫度控制效果，在風速較強情況下，熱源溫度控制效果明顯好于低風速下控制效果。

3.2.2 導熱系數變化規律

根據晶體管的耗散功率范圍，模擬T/ R組件功率，在風速較強情況下，對熱源、蒸發段、冷凝段溫度進行分析，結果如圖6所示。

圖6 熱源、蒸發段、冷凝段溫度

隨著加熱功率不斷增加，熱源、蒸發段、冷凝段溫度也在不斷升高，但由于風速較大，蒸發段和冷凝段溫度出現差異。

在該數據支持下，將自適應LS-SVM系統與傳統系統對雷達T/R組件熱管冷卻故障診斷精度進行對比分析，結果如表2所示。

表2 2種系統故障診斷精度

由表2可知：2種系統故障診斷精度差別較大，在風速較強情況下，T/R組件熱管冷卻蒸發段和冷凝段溫度出現差異，采用傳統故障診斷系統對該故障情況診斷精度較差，而自適應LS-SVM系統對該故障情況診斷較好。在1樣本下，自適應LS-SVM系統位置1比傳統系統位置1的故障診斷精度高出0.4960；自適應LS-SVM系統位置2比傳統系統位置2故障診斷精度高0.4896；自適應LS-SVM系統位置3比傳統系統位置3故障診斷精度高0.4144。同樣，在2樣本下，自適應LS-SVM系統位置1、2、3比傳統系統位置1、2、3故障診斷精度依次高0.5485、0.5833、0.4038；在3樣本下，自適應LS-SVM系統位置1、2、3比傳統系統位置1、2、3故障診斷精度依次高0.4946、0.5865、0.4183；在4樣本下，自適應LS-SVM系統位置1、2、3比傳統系統位置1、2、3故障診斷精度依次高0.5005、0.4746、0.4376；在5樣本下，自適應LS-SVM系統位置1、2、3比傳統系統位置1、2、3故障診斷精度依次高0.5518、0.6271、0.4688。

3.3 實驗結論

通過實驗數據分析可知，T/R組件熱管冷卻容易出現故障是在風速較強情況下，蒸發段和冷凝段溫度出現較大差異導致的，將2種系統對此情況進行診斷，由對比結果可知，自適應LS-SVM系統比傳統系統診斷精度要好，且最高診斷精度可達到0.9820，最低也可達到0.9217，因此，基于自適應LS-SVM的雷達T/R組件熱管冷卻故障診斷系統設計是有效的。

4 結束語

設計的自適應LS-SVM的雷達T/R組件熱管冷卻故障診斷系統具有通用性強、使用方便、安全性高特點，不同功能下的適配器能夠與測試模塊相結合，使故障、隔離檢測能夠在同一平臺上實現。而所有功能模塊在安裝過程中，可借助輔助拔插結構完成，設計有導向孔避免裝置誤配，使操作者方便拔插。設計高效診斷系統不僅可以用于雷

達組件冷卻和熱均衡，還可對組件高精度化起著重要作用。通過實驗可知，該系統診斷精度較好，將會迅速得到推廣應用。