基于灰色聚類算法的雷達電源故障檢測方法

黃友猛

（江蘇金陵機械制造總廠，江蘇 南京 210000）

0 引 言

雷達電源是為雷達作業與運行提供電力的裝置和系統，隨著雷達技術在市場相關領域內的推廣使用，相關雷達電源故障的研究越來越多[1]。為了確保雷達在多領域的應用性能，對不同型號雷達運行出現故障的原因展開分析，發現其中由于電源故障導致的雷達故障數量占總故障數量的半數之多[2]。為解決檢測臺在投入使用后的缺陷，科研單位設計了基于輸入/輸出（Input/Output，I/O）交互技術的故障檢測方法和基于MATLAB/Simulink 軟件的故障檢測方法，但顯而易見的是，現有的方法在投入使用后一直無法在故障檢測中發揮預期效果[3]。對此，本文將在此次研究中引進灰色聚類算法，設計一種針對雷達電源故障的全新診斷方法，旨在通過此次設計實現對雷達電源故障信號的分選，實現對故障的精準識別與檢測。

1 雷達電源異常信號分選

為實現對雷達電源故障的檢測，開展研究前，需要做好對雷達電源中異常信號的分選。在此過程中，先采集雷達電源在運行中的輸入電壓、輸出電壓、電流、功耗等參數，對雷達電源信號中的脈沖描述字（Pulse Description Word，PDW）流進行處理，找出信號集合中滿足PDW 流或與PDW 流具有相同特征的雷達電源信號，通過對信號脈沖個數的分析，實現對雷達電源信號中異常信號的分選[4]。在雷達電源信號中，每一個PDW流中都包含脈寬（Pulse Width，PW）信號、射頻（Radio Frequency，RF）信號、波達方向（Direction Of Arrival，DOA）、脈沖到達時間（Time of Arrival，TOA）[5]。先進行雷達電源信號的數字正交插值處理，處理過程為

式中：x(t)為t時刻下采集的雷達電源信號；n為脈沖次數；F1為雷達電源信號中的上變頻信號頻率；F2為雷達電源信號中的下變頻信號頻率[6]。對F2、F1進行計算，計算公式為

式中：F為雷達電源信號的采樣頻率；k為信號帶寬；f為混頻信號。完成上述處理后，對采集的雷達電源傳輸信號進行均衡處理，通過對脈沖的壓縮與濾波，進行雷達電源信號的預處理[7]。處理過程為

式中：D為雷達電源信號的預處理；p為等效低通濾波系數；N為雷達電源信號脈沖壓縮系數。按照上述方式，完成雷達電源信號的預處理后，讀取可信的PDW 流，將其作為待分選的PDW 流。此時，PDW流的第一個脈沖信號到達方向將作為雷達電源信號的聚類中心[8]。在此基礎上，讀取PDW流的下一個脈沖，選擇下一個脈沖信號的聚類中心，掌握雷達電源異常信號的容錯范圍[9]。

2 基于灰色聚類算法的雷達電源信號特征提取

完成上述研究后，引進灰色聚類算法，設計雷達電源信號特征的提取[10]。在此過程中，將分選后的雷達電源異常信號錄入終端濾波處理設備中，設定信號的論域，對雷達電源可能出現的故障進行編碼。考慮到部分信號在雷達電源故障表述中具有一定模糊性，因此對信號在空間中進行映射處理。在映射過程中，設定針對雷達電源異常信號特征的辨識指標，通過此種方式將異常信號中攜帶的故障元素映射到灰色聚類空間中。此過程的計算公式為

式中：O為雷達電源異常信號中故障元素的映射；R為映射空間；j為第j個故障元素；u為雷達電源異常信號中故障元素的辨識指標；η為白化權函數。完成上述計算后，在映射空間中對呈現離散化狀態的雷達電源信號進行灰色聚類，此過程的計算公式為

式中：b為雷達電源信號的灰色聚類；X為灰色聚類區間；X0為灰色聚類變量。

3 雷達電源故障檢測與診斷

完成上述研究后，設計雷達電源故障的檢測與診斷。在此過程中，引進雷達電源狀態圖，對雷達電源在作業過程中可能出現的不同狀態及其當前狀態進行描述。在確保雷達電源當前運行狀態為穩態的情況下，評估電源某項參數或技術條件發生變化時，電源的輸出參數是否會存在異常變化。將雷達電源輸出條件的變化過程作為設備狀態發生轉移的過程，對此過程進行檢測，即可實現對雷達電源故障的診斷。

檢測過程中，將所有用于描述雷達電源的異常信號與信號特征參數錄入終端，根據信號的采集時間與對應時段，建立針對雷達電源故障的模擬電路，根據模擬電路的復雜度、密集度，進行雷達電源故障元件的辨識。辨識中，需要做好對雷達電源中不同故障元件作為參數的分析，將辨識結果與診斷結果錄入學習庫，當其他雷達電源出現相同的故障形式或特征后，可以將故障信號與學習庫中的內容進行對比，根據對比結果，判定雷達電源在運行與供電過程中的故障類型。通過此種方式，實現對雷達電源故障的檢測與診斷，完成基于灰色聚類算法的雷達電源故障檢測方法設計。

4 對比實驗

實驗前，考慮到雷達電源的供電與運行過程會受到電磁兼容、作業環境等因素的影響，可能會出現信號被屏蔽、接地不穩定、散熱不合理等方面的問題。為避免在實驗過程中相關因素對雷達電源檢測結果造成影響或惡劣的實驗環境造成雷達電源損壞，需要根據實驗的需求進行測試環境的調試，使用24 V 直流電源進行雷達的供電。

實驗過程中，雷達電源系統的終端計算機屏幕上將呈現供電運行指示燈、不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）實時輸出電壓值、輸入電壓變化量、輸出電壓變化量、AC 失電指示燈等。

根據雷達電源的運行需求，電源的輸入電壓應當控制在交流90 ～280 V，此時輸出的電源電壓應為220（1±1.5%）V。當輸出電壓不滿足220（1±1.5%）V時，說明雷達電源存在故障。

實驗時，保證雷達電源輸入電壓在交流90 ～280 V 范圍內持續供電3 min，保證雷達電源輸出穩態后，調節雷達電源輸入電壓小于交流90 ～280 V，使用本文設計的基于灰色聚類算法的雷達電源故障檢測方法，對雷達電源的異常運行過程進行檢測，結果如圖1 所示。

圖1 雷達電源輸入電壓調整前后的故障檢測結果

從上述圖1 所示的實驗結果可以看出，使用本文設計的方法進行雷達電源故障檢測，檢測結果中，前3 min 雷達電源的輸出電壓在220（1±1.5%）V 范圍內變化，說明前3 min 雷達電源的運行無故障。3 min 后調節雷達電源的輸入電壓，調節后雷達電源的輸出狀態不在220（1±1.5%）V 范圍內變化，說明3 min 后雷達電源的運行存在故障。將檢測的結果與預設的條件進行對比后發現，檢測結果與預設條件一致，說明使用本文設計的基于灰色聚類算法的故障檢測方法可以實現對雷達電源故障的檢測。

完成對本文方法在實際應用中可行性的測試后，引進基于I/O 交互技術的故障檢測方法、基于MATLAB/Simulink 軟件的故障檢測方法。將提出的2種方法作為傳統方法1 與傳統方法2，使用本文方法與2 種傳統方法進行雷達電源故障的檢測。將3 種方法接入測試終端，當檢測結果為“雷達電源存在故障”時，電源系統的指示燈亮起，此時觸發雷達電源運行預警；當檢測結果為“雷達電源無故障”時，電源系統的指示燈不發生任何變化，未觸發雷達電源運行預警。選擇若干個不同型號存在故障與無故障的雷達電源，使用3 種方法對其進行故障檢測。電源系統指示燈亮起為“故障”，未亮起為“無故障”，分別用“Y”和“N”表示，具體的檢測結果如表1 所示。

表1 雷達電源故障檢測結果

根據上述表1 所示的實驗結果可以看出，使用本文設計的方法進行雷達電源故障檢測，所有存在故障的雷達電源檢測后的指示燈全部亮起，無故障的雷達電源檢測后指示燈全部未亮起。而使用傳統方法1與傳統方法2 進行雷達電源故障檢測后，無法實現將檢測結果與雷達電源故障狀態進行適配。

5 結 論

本文通過雷達電源異常信號分選、基于灰色聚類算法的雷達電源信號特征提取、雷達電源故障檢測與診斷，設計了一種針對雷達電源故障的全新診斷方法。完成對該方法的設計后，引進基于I/O 交互技術與基于MATLAB/Simulink 軟件的故障檢測方法作為傳統方法，使用本文方法與傳統方法進行對比。對比后，證明了相比傳統方法，本文設計的基于灰色聚類算法的雷達電源故障檢測方法可以在實現對雷達電源輸出電壓異常精準識別的基礎上，提高雷達電源故障檢測結果的準確性。