一种相控阵天气雷达健康管理系统的制作方法

1.本发明涉及相控阵天气雷达技术领域，特别是一种相控阵天气雷达健康管理系统。


背景技术：

2.相控阵天气雷达具有波束扫描时间快、能量调度自由灵活、监视测量效率高等突出优点，能够大面积定量测量降水，是下一代天气雷达发展的主流方向。国内外有多个厂家研制生产相控阵天气雷达，有s波段、c波段、x波段，这些相控阵天气雷达表现出更多优于传统抛物面天气雷达的特性。特别是南京恩瑞特实业有限公司为北京大兴国际机场研制的c波段相控阵天气雷达，其时间空间分辨率均比民航现有的天气雷达有较大提高。
3.相控阵天气雷达扫描时天线的增益和波束宽度都会变化。一部雷达中tr组件数量众多，一般少则数百个，多则上万个，大量的组件随着时间会存在部分失效的现象，影响雷达的综合探测性能。为了解决相控阵天气雷达的不足，必须设计雷达健康管理系统。
4.华为技术有限公司的发明专利“相控阵天线对准方法和装置以及相控阵天线”（专利号cn102292870a）公开了一种相控阵天线对准方法和装置以及相控阵天线,涉及通信领域，能够精确调节相控阵天线的指向。该发明给出一种相控阵天线对准方法，要求各个天线阵列子单元都是正常的情况下实现天线对准。专利“一种数字相控阵天线的相位校准方法及相控阵天线”（cn111245529a）公开了一种数字相控阵天线的相位校准方法，同样要求完成此方法的前提是雷达设备状态正常。对于雷达中部分组件或者部分设备出现故障时如何判定定位故障并完成校准，则未给出相应的处理方法。
5.发明专利“基于数字孪生模型的设备故障诊断方法、装置及系统”（专利号cn 110442936 b）公开了一种基于数字孪生模型的设备故障诊断方法、装置及系统，所述方法包括根据目标设备的状态参数初始数据及响应参数数据构建所述目标设备的初始数字孪生模型；获取所述目标设备的目标响应参数及所述目标响应参数对应的更新参数，计算各更新参数相对所述目标响应参数的灵敏度，将灵敏度满足预设要求的更新参数作为修正参数；构建所述目标响应参数与所述修正参数之间的响应面模型，基于所述响应面模型确定所述修正参数的修正值；利用所述修正参数的修正值对所述初始数字孪生模型进行更新处理，获得所述目标设备的数字孪生模型，利用所述数字孪生模型对目标设备进行故障诊断。该方法适合一般的机械设备维修诊断，对于雷达这一类包含微波、机械、电子、微电子及软件的复杂系统，由于数字孪生模型很难建立，所以难以适用。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种快速判定定位相控阵天气雷达的故障位置；在保证相控阵天气雷达基本性能的情况下，合理有效规避部分故障设备，完成雷达工作任务，提高雷达使用率；对部件的性能和运行状态作连续的监测和诊断的相控阵天气雷达健康管理系统。
7.本发明的目的通过以下技术方案实现。
8.一种相控阵天气雷达健康管理系统，包括：内嵌检测装置模块：内嵌于相控阵天气雷达各子系统内部，所述相控阵天气雷达各子系统包括天线阵面、tr组件、bdf/信号处理、伺服、雷达终端，所述内嵌检测装置模块用于对相控阵天气雷达各子系统工作状态、工作参数以及运行状态进行连续的监测和诊断；专用机内测试模块：属于独立专用测试模块，用于提供天线阵面收发通道测试支路和参考支路，同时提供天线阵面和系统测试所需的各种测试信号，实现对天线阵面和雷达系统参数在线测试和标校；健康数据库模块：用于存储产品基础信息、技术参数、当前及历史监测数据和诊断知识；健康管理软件模块：用于雷达各子系统bit和性能监测数据的采集，实现系统性能分析、故障诊断、健康评价和辅助排故；数据处理软件模块：用于相控阵天气雷达系统健康信息的显示，以及系统测试模式的控制。
9.所述内嵌检测装置模块和专用机内测试模块构成相控阵天气雷达健康管理系统的模拟孪生部分；所述健康数据库模块、健康管理软件模块和数据处理软件模块构成相控阵天气雷达健康管理系统的数字孪生部分。
10.所述专用机内测试模块采取宽带化设计，所述专用机内测试模块包括等功分网络、监校组件和耦合器，所述等功分网络将监校组件和n个耦合器连接在一起，实现测试信号在监校组件和耦合器之间的传输；所述监校组件建立标准测试信号和参考支路，可根据系统测试的需要产生不同的测试信号，用来模拟产生不同距离、不同多谱勒频移情况下的目标信息，实现对雷达系统进行实时标校，实现阵面监测、系统回波强度和回波速度的在线测试与标校功能。
11.所述健康数据库模块部署在商用服务器平台中进行接收和存储产品基础信息、状态参数属性、接口协议、诊断知识、运行状态数据、历史数据、统计信息和输出结果六种数据信息，其中运行状态数据库是健康管理软件模块实时获得雷达健康数据的主要渠道，包括原始测量数据表、回波数据表、功能性能参数值表和部件状态采集表，动态更新；历史数据库包含各类监测数据、诊断和分析评价结果的历史记录。
12.所述健康管理软件模块部署在商用服务器平台中，实现运行状态数据读取、故障诊断、健康评价、辅助排故功能。所述运行状态数据读取指实时从健康数据库模块中获取雷达系统最新的工作状态、工作参数、运行状态和性能监测数据，以及各子系统的bit信息，用于故障诊断、健康评价；所述故障诊断指基于bit和性能监测结果，利用专家知识进行故障检测、辨识与隔离，并在故障发生时，及时发布报警，通过建立完备的专家知识和故障信息库，使得绝大多数故障能够定位至lru；诊断结果存储至健康数据库模块中，并通过网络发布至数据处理软件模块进行显示；所述健康评价指总体评价雷达整机及各组成部分功能性能完好性，度量健康水平；评价状态参数异常、部件故障对雷达系统运行产生的影响：性能降级、脱机维护、不可工作，输出评价结论；所述辅助排故包括声光报警综合运用，快速定位故障；用户输入或点击故障编码/故障件id，弹出维修指导信息；输出多种检测和诊断报告。
13.所述数据处理软件模块运行于显控终端计算机上，具备健康管理工作模式和健康信息显示功能；所述健康管理工作模式指加电bit、周期bit和维护bit三种雷达运行状态数
据获取工作模式，覆盖雷达所有分机以及它们之间接口的状态参数监测，以及关键功能性能指标的测试验证；所述加电bit指雷达加电后在系统初始化过程中利用内嵌检测装置模块获取雷达bit信息的工作模式；所述周期bit指雷达进入正常工作状态后周期性利用内嵌检测装置模块和专用机内测试模块获取雷达bit信息和性能监测数据的工作模式；所述维护bit指雷达机务人员自主利用雷达系统提供的检测手段对雷达进行维护和测试的工作模式；所述健康信息显示指以实物图形、状态列表、数据曲线图方式显示雷达各分系统、lru的工作状态、性能监测数据、分析评价结论；以报告的方式显示指导用户进行检修和排故的建议和对备品备件保障资源的规划。
14.运行如下流程：启动数据处理软件模块，然后由数据处理软件模块控制雷达各子系统加电启动后，各子系统加电启动后首先运行加电bit工作模式，利用内嵌检测装置模块对相控阵天气雷达各子系统工作状态、工作参数以及运行状态进行连续的监测和诊断，并通过雷达内部通信网络将获取到的状态数据送健康数据库模块；由健康管理软件模块实时从健康数据库模块中读取，并进行实时分析和判断，若加电bit不通过，则由数据处理软件模块发出声光报警，通知雷达机务人员对雷达系统实施维护bit测试模式，同时健康数据库模块实时存储维护bit测试模式下的雷达系统测试数据；若加电bit通过，雷达系统则进入正常工作状态。
15.在雷达系统正常工作期间，数据处理软件模块每隔30分钟将启动周期bit测试模式，周期性地采集雷达系统、各子系统bit和性能监测数据，这些数据通过网络实时存储到健康数据库模块中，由健康管理软件进行健康诊断和分析评价，若检测到影响雷达正常工作的故障模式时，由数据处理软件模块警告用户将雷达系统切换至脱机模式，进行维护bit测试模式。
16.在维护bit测试模式下，雷达机务人员可运行必要的脱机测试项，获得测试数据，由健康管理软件模块进行与在线测试项的测试结果进行综合诊断，确定雷达系统的故障位置，辅助雷达机务人员进行雷达维修。
17.相比于现有技术，本发明的优点在于：（1）在线实时监控模块、分系统、系统的健康状态，诊断故障。
18.（2）对以天线阵面为代表的关键分系统进行性能降级分析、趋势跟踪，预测故障。
19.（3）建立标准信息接口，为外场维修、备件管理提供决策支持。
20.（4）快速判定定位相控阵天气雷达的故障位置。
21.（5）在保证相控阵天气雷达基本性能的情况下，合理有效规避部分故障设备，完成雷达工作任务，提高雷达使用率。
22.（6）对部件的性能和运行状态作连续的监测和诊断。尤其要监测关键的、影响系统性能的部件或可能对系统造成危害的故障。
附图说明
23.图1为本发明某相控阵天气雷达系统框图。
24.图2为本发明系统组成图。
25.图3为本发明流程图。
26.图4为健康数据库存储信息构成图。
27.图5为健康管理软件处理流程图。
28.图6 为故障诊断策略流程图。
具体实施方式
29.下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
实施例
30.某相控阵天气雷达（见图1）系统硬件从结构上分为室外部分和室内部分，室外部分主要包括天线座、天线阵面（含n根波导缝隙天线、综合网络、阵面监测、n通道数字tr组件、1只监测组件、阵面电源等）、光传、数字波束形成（dbf），室内部分包含信号处理、伺服（天线控制）、健康管理（含数据库）、数据处理（含雷达信息显示、气象信息处理）、二次产品生成服务器以及电缆、机柜和网络等附属设备。
31.该相控阵天气雷达采用数模混合孪生技术实现健康管理系统，针对相控阵天气雷达出现部分组件或设备失效的状态时，如何判定定位故障位置并完成天线校准，提出基于数模混合孪生技术的相控阵天气雷达健康管理系统，提出系统结构、工作模式和探测方法，并给出处理算法。基于主动预测保障模式，对雷达健康状态进行实时监测、智能诊断和健康评估，同时引入数据挖掘分析手段，依据历史故障维修数据建立雷达状态趋势预测模型，开展状态趋势预测，推荐维修预案，提前进行维修。同时基于健康管理结果，通过对系统资源进行重构实现故障软化，优化雷达系统性能，并最终提升系统的可用性和维护性。
32.基于数模混合孪生技术的健康管理系统与整个雷达系统相融合，采用分布式状态/工作数据采集
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集中式分析处理方案，主要包括五个模块（见图1），内嵌检测装置模块（bite）1#，内嵌于天线阵面、tr组件、bdf/信号处理、伺服、雷达终端等雷达各子系统内部，用于对雷达各子系统工作状态、工作参数以及运行状态进行连续的监测和诊断；专用机内测试模块2#，属于系统设计的独立专用测试模块，用于提供天线阵面收发通道测试支路和参考支路，同时提供天线阵面和系统测试所需的各种测试信号，实现对天线阵面和雷达系统参数在线测试和标校；健康数据库模块3#，用于存储产品基础信息、技术参数、当前及历史监测数据和诊断知识；健康管理软件4#，用于雷达各子系统bit和性能监测数据的采集，实现系统性能分析、故障诊断、健康评价和辅助排故；数据处理软件模块5#，用于相控阵天气雷达系统健康信息的显示，以及系统测试模式的控制。
33.所述内嵌检测装置模块（bite）1#和专用机内测试模块2#构成相控阵天气雷达健康管理系统的模拟孪生部分。所述健康数据库模块3#、健康管理软件模块4#和数据处理软件模块5#构成相控阵天气雷达健康管理系统的数字孪生部分。
34.一种基于数模混合孪生技术的健康管理系统的工作流程图见图3。
35.首先启动数据处理软件模块5#，然后由数据处理软件模块5#控制雷达各子系统加电启动后，各子系统加电启动后首先运行加电bit工作模式，利用内嵌检测装置模块（bite）1#对雷达各子系统（包括阵面组件）工作状态、工作参数以及运行状态进行连续的监测和诊断，并通过雷达内部通信网络将获取到的状态数据送健康数据库模块3#；由健康管理软件模块4#实时从健康数据库模块3#中读取，并进行实时分析和判断，若加电bit不通过，则由数据处理软件模块5#发出声光报警，通知雷达机务人员对雷达系统实施维护bit测试模式，
同时健康数据库模块3#实时存储维护bit测试模式下的雷达系统测试数据。若加电bit通过，雷达系统则进入正常工作状态，在雷达系统正常工作期间，数据处理软件模块5#每隔30分钟将启动周期bit测试模式，周期性地采集雷达系统、各子系统bit和性能监测数据，这些数据通过网络实时存储到健康数据库模块3#中，由健康管理软件进行健康诊断和分析评价。若检测到影响雷达正常工作的故障模式时，由数据处理软件模块5#警告用户将雷达系统切换至脱机模式，进行维护bit测试模式。在维护bit测试模式下，雷达机务人员可运行必要的脱机测试项，获得测试数据，由健康管理软件模块4#进行与在线测试项的测试结果进行综合诊断，确定雷达系统的故障位置，辅助雷达机务人员进行雷达维修。在所述健康管理系统的工作流程图中，雷达系统及各子系统的工作状态bit和性能参数均由数据处理软件模块5#从健康数据库模块3#获取进行可视化实时显示。
36.所述内嵌检测装置模块（bite）1#分层级分布于雷达各子系统、模块或组件内部，以建立完善的内嵌检测体系，用于对雷达各子系统、模块或组件内部的工作状态、工作参数以及运行状态进行连续的监测和诊断，并利用通信链路将获取的信息送出。
37.所述专用机内测试模块2#采取宽带化设计，由等功分网络、监校组件和耦合器组成，等功分网络将监校组件和n个耦合器连接在一起，实现测试信号在监校组件和耦合器之间的传输；监校组件建立标准测试信号和参考支路，可根据系统测试的需要产生不同的测试信号（见表1），用来模拟产生不同距离、不同多谱勒频移情况下的目标信息，实现对雷达系统进行实时标校，实现阵面监测、系统回波强度和回波速度的在线测试与标校功能。
38.表1 测试信号所述健康数据库模块3#部署在商用服务器平台中进行接收和存储产品基础信息、状态参数属性、接口协议、诊断知识、运行状态数据、历史数据、统计信息和输出结果六种数据信息。其中运行状态数据库是健康管理软件模块4#实时获得雷达健康数据的主要渠道，包括原始测量数据表、回波数据表、功能性能参数值表和部件状态(环境/控制/工作等方面)采集表，动态更新；历史数据库包含各类监测数据、诊断和分析评价结果的历史记录，为全面分析评价雷达健康状态、掌握其过去使用情况和将来发展趋势提供数据支撑。
39.所述健康管理软件模块4#是健康管理系统的数字孪生部分的核心，部署在商用服务器平台中，实现运行状态数据读取、故障诊断、健康评价、辅助排故等功能，处理流程见图5。所述运行状态数据读取指实时从健康数据库模块3#中获取雷达系统最新的工作状态、工作参数、运行状态和性能监测数据，以及各子系统的bit信息，用于故障诊断、健康评价等；所述故障诊断指基于bit和性能监测结果，利用专家知识进行故障检测、辨识与隔离，并在故障发生时，及时发布报警，故障诊断策略流程见图6，通过建立完备的专家知识和故障信
息库，使得绝大多数故障能够定位至lru。诊断结果存储至健康数据库模块3#中，并通过网络发布至数据处理软件模块5#进行显示。所述健康评价指总体评价雷达整机及各组成部分功能性能完好性，度量健康水平；评价状态参数异常、部件故障对雷达系统运行产生的影响：性能降级、脱机维护、不可工作等，输出评价结论。所述辅助排故包含以下三方面内容，分别为：声光报警综合运用，快速定位故障；用户输入或点击故障编码/故障件id，弹出维修指导信息；输出多种检测和诊断报告。
40.所述数据处理软件模块5#运行于显控终端计算机上，具备健康管理工作模式和健康信息显示功能。所述健康管理工作模式指加电bit、周期bit和维护bit三种雷达运行状态数据获取工作模式，可在雷达正常工作、模拟、标校等状态下运行，覆盖雷达所有分机以及它们之间接口的状态参数监测，以及关键功能性能指标的测试验证。加电bit指雷达加电后在系统初始化过程中利用内嵌检测装置模块（bite）1#获取雷达bit（系统、子分系统和模块）信息的工作模式；周期bit指雷达进入正常工作状态后周期性利用内嵌检测装置模块（bite）1#和专用机内测试模块2#获取雷达bit信息和性能监测数据的工作模式；维护bit指雷达机务人员自主利用雷达系统提供的检测手段（包括专用机内测试模块2#）对雷达进行维护和测试的工作模式。所述健康信息显示指以实物图形、状态列表、数据曲线图等方式显示雷达各分系统、lru的工作状态（正常/故障）、性能监测数据、分析评价结论；以报告的方式显示指导用户进行检修和排故的建议和对备品备件等保障资源的规划。
41.基于主动预测保障模式，对雷达健康状态进行实时监测、智能诊断和健康评估，同时引入数据挖掘分析手段，依据历史故障维修数据建立雷达状态趋势预测模型，开展状态趋势预测，推荐维修预案，提前进行维修。同时基于健康管理结果，通过对系统资源进行重构实现故障软化，优化雷达系统性能，并最终提升系统的可用性和维护性。
42.当系统、分系统、模块功能性能出现异常时，为了配合故障隔离、健康评价、信息统计等应用，各层级模拟部分提供以下数据：1）保障分系统/模块正常工作的基础信号检测结果；
ø
电源信号：电压、电流、稳定度等参数；
ø
时钟、本振、定时等信号：
ø
反映信号质量的参数，如频率、功率等。
43.2）反映分系统/模块工作环境条件的参数
ø
直接如温度、湿度；
ø
间接如风机转速、冷却液流量等。
44.3）外部指令/数据/信号的传输通道、网络连通状态检测数据、光纤链路、lan/can/i2c等总线、标校信号通道检测等。
45.4）相关的系统控制流、数据流状态数据
ø
包括控制字/数据包有无、格式（如误码、数据长度）、正确性（如ad数据是否存在饱和、非法值等异常）、同步性、连续性（是否丢帧）等的检测数据。
46.5）分系统/模块自身的部件状态检测数据
ø
对于高密度数字模块，通过建立完整的jtag链路，脱机进行边界扫描测试。
47.基于数模孪生技术的相控阵天气雷达健康管理系统主要监测项目如表2：表2主要监测项目
为了准确隔离定位故障，健康管理软件也可响应用户指令向各分系统发起请求，进行性能测试。这些测试项目如表3所示。
48.表3 主要测试项目