無人值守雷達系統(tǒng)設計

孫國強

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230031)

隨著科技的發(fā)展，雷達成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中獲取實時情報信息的有效手段，已成為各國掌握戰(zhàn)場主動權(quán)的重要手段。而雷達一般架設在島礁、高山、荒漠等環(huán)境惡劣的區(qū)域，惡劣的自然環(huán)境導致雷達架設、使用、保障都存在相當大的困難。無人值守雷達可以在沒有人員現(xiàn)場值守的情況下，完成對規(guī)定目標的探測任務，降低裝備及人員的保障難度，許多國家都在研究和部署無人值守雷達，我國也進行了無人值守雷達研究，并針對島礁、高原環(huán)境進行了必要的設計研究[1-3]，但在可靠性等方面還需要進一步加強。

1 無人值守雷達設計要求

1.1 功能完善

對于無人值守雷達而言，不但雷達本身具有優(yōu)良的探測性能、抗干擾性能，而且能夠在雷達設備發(fā)生嚴重故障或人為破壞等危險狀況時，遠端能夠及時掌握現(xiàn)場突發(fā)狀況，提醒使用人員采取措施減少損失，這就要求在雷達自身性能的基礎上，具有可靠的通信、完備的遙控遙測等功能。

1.2 可靠性高

無人值守導致了雷達發(fā)生故障時，無人在現(xiàn)場排除故障，可能會影響雷達性能的發(fā)揮，影響其戰(zhàn)備值班，因此必須通過簡化設計、冗余設計及采用高可靠元器件等措施，提高無人值守雷達系統(tǒng)的可靠性，滿足用戶對雷達的可靠性指標要求，提高雷達的可用度。

1.3 架設難度低

雷達本身設備量大、集成度高，一般利用雷達自帶設備或大型機械進行陣地架設，但在高山、高原、海島、荒漠等環(huán)境惡劣地區(qū)，雷達本身運輸已經(jīng)十分困難，大型機械運輸轉(zhuǎn)移協(xié)助雷達架設難度更大，而且無人值守功能要求雷達具有盡可能高的可靠性，進一步增大了雷達設備量，為了保證雷達的現(xiàn)場架設，要求盡可能減小雷達運輸架設單元模塊重量，降低架設難度。

2 無人值守雷達系統(tǒng)設計

無人值守雷達系統(tǒng)設計必須從系統(tǒng)頂層出發(fā)，采取故障檢測智能化、故障排除自動化、遠程可靠通信、環(huán)境安全等綜合措施，確保雷達在本地無人條件下的可靠使用。

2.1 系統(tǒng)設計

無人值守雷達不但要實現(xiàn)遠程雷達控制、雷達狀態(tài)監(jiān)視和目標跟蹤，而且要實現(xiàn)雷達陣地環(huán)境的監(jiān)測報警和配電控制。

為了保障裝備的正常運行，在雷達陣地除了布置雷達裝備外，必須實現(xiàn)陣地現(xiàn)場的氣象信息、視頻信息、溫度信息、濕度信息等輔助數(shù)據(jù)的收集，遠程管控終端與雷達陣地之間通過光纖或微波通信進行信息交換；輔助數(shù)據(jù)信息同雷達回波、點跡、航跡以及狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息一起通過通信系統(tǒng)傳輸?shù)竭h程管控終端，值班人員根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信息進行操作，雷達、安全監(jiān)視設備及配電設備接收從遠程管控終端發(fā)送的值班員指令并進行相應動作，最終完成雷達情報數(shù)據(jù)處理及上報。

2.2 故障檢測智能化設計

故障檢測智能化是利用雷達可更換單元中設計的檢測模塊，采集各個可更換單元的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過信號傳輸接口，將狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸給故障檢測處理計算機，進行系統(tǒng)狀態(tài)的分布式在線檢測處理，從而判斷故障部位的雷達功能設計；如固態(tài)發(fā)射機不但會出現(xiàn)功率管性能下降或失效的情況，也可能會出現(xiàn)無外部觸發(fā)信號或組件溫度過高等情況影響組件的正常工作，利用組件內(nèi)的故障檢測模塊可以監(jiān)測組件輸入輸出信號和組件溫度，及時提供發(fā)射組件的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，預測或判斷故障的發(fā)生，并對故障組件進行定位[4-5]。故障數(shù)據(jù)處理形式可分為集中處理和分布處理。如圖1、圖2。

圖1 故障數(shù)據(jù)集中處理框圖

圖2 故障數(shù)據(jù)分布處理框圖

故障數(shù)據(jù)集中處理和故障數(shù)據(jù)分布處理各有優(yōu)缺點，集中式處理要將數(shù)據(jù)全部傳輸給故障檢測處理計算機，進行系統(tǒng)狀態(tài)的分布式在線檢測處理，傳輸數(shù)據(jù)量較大，但數(shù)據(jù)保留完整；分布式處理采用多個處理模塊進行故障判斷，大大減小了傳輸數(shù)據(jù)量，但故障處理模塊增加了雷達設備量，結(jié)合雷達系統(tǒng)設備量大、結(jié)構(gòu)空間小。在雷達的狀態(tài)采集處理上可以采用分布式傳感器采集狀態(tài)數(shù)據(jù)信息、分層集中式數(shù)據(jù)處理的方法[3]，兼?zhèn)浼刑幚砗头植继幚淼膬?yōu)點，如圖3。

圖3 分布采集、分層處理示意圖

分布式狀態(tài)數(shù)據(jù)信息采集、分層集中式數(shù)據(jù)處理的方法，既能較多地保留雷達狀態(tài)數(shù)據(jù)，又能減小數(shù)據(jù)傳輸量，減輕數(shù)據(jù)傳輸和計算處理壓力，而且各個故障處理模塊處理數(shù)據(jù)量小，可以使用體積小、成本低的處理模塊計算機完成故障檢測判斷功能，雷達結(jié)構(gòu)空間可以得到合理利用，緩解雷達空間有限的壓力。

2.3 故障排除自動化設計

故障排除自動化設計是在雷達系統(tǒng)某部件性能下降或發(fā)生故障時，利用雷達裝備的模塊化冗余設計，快速恢復雷達值班功能的設計[6]。

首先雷達設計時必須進行充分的模塊化冗余設計，冗余設計一般有并聯(lián)冗余、串并組合冗余、并串組合冗余等多種形式。如圖4、圖5所示。

圖4 串并冗余示意圖

圖5 并串冗余示意圖

并聯(lián)冗余是由兩個或多個功能、性能可以替代的工作模塊并聯(lián)組成，并聯(lián)的工作模塊只要有一個有效，系統(tǒng)就能保持正常工作，可以大幅度增加系統(tǒng)的任務可靠性，但并聯(lián)模塊的增多，導致雷達系統(tǒng)的成本、重量、體積也會隨之增加。串并組合冗余先將多個設備串聯(lián)，然后再進行并聯(lián)，如果串聯(lián)的某個設備發(fā)生故障，則需要用另外一個串聯(lián)設備替換，設備量大；并串組合冗余先將功能、性能相同的模塊并聯(lián)，然后再進行設備串聯(lián)，當某個模塊發(fā)生故障，只需要用另外一個并聯(lián)模塊替換工作，不影響其他模塊，但設備連接關系復雜。在無人值守雷達系統(tǒng)設計中一般采用串并組合冗余、并串組合冗余兩者結(jié)合以增加系統(tǒng)的任務可靠性。

在充分冗余設計的基礎上，為了實現(xiàn)雷達故障的快速恢復，雷達設計時還必須具備快速切換功能，即當一個設備發(fā)生故障時，其冗余設備能夠通過快速切換代替故障設備工作。如某雷達冷卻設備采用海水冷卻和風冷卻互為備份的冗余設計，當海水冷卻系統(tǒng)處于工作時，風冷卻系統(tǒng)處于待機狀態(tài)；當系統(tǒng)檢測海水冷卻系統(tǒng)故障停機時，馬上啟動風冷卻系統(tǒng)，以保證雷達的連續(xù)工作。

2.4 遠程數(shù)據(jù)傳輸設計

無人值守雷達的遠程數(shù)據(jù)傳輸不僅要傳輸雷達回波、狀態(tài)等信息和遠程值班人員的命令信息等，而且還要傳輸氣象、安全監(jiān)視等輔助數(shù)據(jù)，視頻回波和監(jiān)控視頻圖像，而且傳輸?shù)男盘柭窋?shù)多。把雷達端的多路數(shù)據(jù)進行同步壓縮編碼，并將多路數(shù)據(jù)復接成一組復合編碼數(shù)據(jù)流通過光纖或微波進行遠距離傳輸，在遠程管控端進行分接成各路數(shù)據(jù)。同樣把遠程管控端的多路數(shù)據(jù)進行復接成復合編碼數(shù)據(jù)流進行傳輸，在雷達端再分接成各路數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的可靠傳輸。光纜通信復分接實現(xiàn)原理如圖6。

2.5 環(huán)境安全監(jiān)測設計

無人值守雷達陣地周圍環(huán)境安全監(jiān)測設計是利用計算機網(wǎng)絡技術、數(shù)據(jù)庫技術、通信技術、自動控制技術、新型傳感技術等對雷達設備及所在環(huán)境進行遠程集中監(jiān)控和管理，監(jiān)控對象主要是環(huán)境視頻、溫度、濕度、煙霧、門禁等。環(huán)境安全監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖7所示。

圖6 光纜通信復分接實現(xiàn)原理圖

圖7 環(huán)境安全監(jiān)測系統(tǒng)組成示意圖

環(huán)境安全監(jiān)測系統(tǒng)由采集子系統(tǒng)、傳輸子系統(tǒng)、軟件子系統(tǒng)組成，采集子系統(tǒng)完成底層數(shù)據(jù)的采集，傳輸子系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚碇行幕虮O(jiān)控中心，軟件平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生、數(shù)據(jù)存儲等系統(tǒng)功能。系統(tǒng)各種告警信息與視頻監(jiān)控聯(lián)動，以便于值班人員及時掌握現(xiàn)場情況和采取適當?shù)陌踩胧?/p>

2.6 結(jié)構(gòu)小型化設計

小型化設計即雷達采用積木式設計，在保證性能和便于安裝的前提下，將雷達設備拆解成重量較小的單元模塊進行運輸和吊裝，到達安裝現(xiàn)場后，利用小型吊裝設備進行模塊化拼裝，降低架設難度。如某雷達發(fā)射單元未分解前單元重量約11 000 kg，在小型化分解后，最大單元重量約600 kg，利用簡易吊裝設備即可完成設備吊裝，現(xiàn)場架設難度大大降低。

3 結(jié)論

本文分析了無人值守雷達設計要求，在此基礎上，從系統(tǒng)設計、故障檢測智能化設計、故障排除自動化設計、遠程數(shù)據(jù)傳輸設計、環(huán)境安全監(jiān)測設計等方面進行設計，減輕了操作及保障人員壓力，提高了雷達環(huán)境適應能力，保證雷達能夠在惡劣環(huán)境下穩(wěn)定可靠地工作。在某島礁雷達上采用無人值守設計后，在雷達前端無人值守的情況下，該雷達穩(wěn)定可靠工作了兩年時間，驗證了無人值守設計效果，該研究對后續(xù)無人值守雷達設計具有十分重要的參考價值。

[1] 譚劍波.無人值守雷達系統(tǒng)的遙控遙測[J].雷達科學與技術,2003,1(2)：74-79.

[2] 高秉亞,楊志謙.一種適用于無人值守雷達的遠程顯示控制系統(tǒng)綜合設計[J].空軍雷達學院學報,2002,16(3)：43-46.

[3] 任雪峰，逄勃.島礁雷達使用特點與發(fā)展思路研究[J].雷達與對抗,2014,34(2)：7-10.

[4] 王燕.一種遠程相控陣雷達的自動化測試與故障診斷方法[J].電子測量技術,2010,33(1)：129-132.

[5] 金鑫，任獻彬，周亮.智能故障診斷技術研究綜述[J].國外電子測量技術,2009,28(7)：30-32.

[6] 華桂琴.電子對抗與雷達目標模擬器的維護[J].艦船電子對抗,2004,27(3)：39-40.