CN107329126B - 有源相控阵天线阵面可靠性试验方法 - Google Patents

有源相控阵天线阵面可靠性试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及雷达测试技术领域，具体提供了一种有源相控阵天线阵面可靠性试验方法，首先根据原天线阵面的阵元总数及正常工作阵元个数确定原天线阵面的失效率，然后确定替代阵面的规模，再确定替代阵面故障判据，当替代阵面中正常工作阵元个数小于设定值时判定阵面失效，最后确定天线阵面替代试验方法，正常工作阵元个数小于该设定值时，判定替代阵面失效；该试验方法采用冗余系统可靠性指标计算的方法，可实现用部分阵元代替全阵面等效参试并对可靠性指标进行验证，处理流程简单、易于实现，可依据不同试验要求灵活调整该方法。

Description

有源相控阵天线阵面可靠性试验方法
技术领域
本发明涉及雷达测试技术领域，特别涉及有源相控阵天线阵面可靠性试验方法。
背景技术
有源相控阵体制雷达天线阵面信号的发射和接收是由一组独立的收/发和辐射单元组成，少数单元失效对系统性能影响不大。试验表明，10％的单元失效时，对系统性能无显著影响，不需立即维修；30％失效时，系统增益降低3分贝，仍可维持基本工作性能。这种“柔性降级”的特性可以将有源相控阵雷达的可靠性提高几个数量级。
由于有源相控阵天线的这种特性，只有当性能下降到低于某个特定的可接受水平时，天线失效，在可靠性试验过程中判定为出现一次故障。这里的“故障”指天线性能降到低于可接受水平，通常由峰值和/或平均旁瓣电平相对于额定值(没有部件失效时的旁瓣电平)的增量来确定。为了便于在试验中进行直观判断并符合雷达的BIT报故形式，我们将这个故障判据转化为收/发和辐射单元(统称有源辐射阵元，简称阵元)的失效个数，即正常工作阵元个数低于限定数量时判定为天线阵面故障，这个量值是在可靠性指标论证时就确定的。
在复杂雷达系统中，一部有源相控阵天线阵面通常由成百上千个相同的有源辐射阵元组成，由于其收/发模块的高成本，一部有源相控阵天线的成本是非常巨大的。这导致开展可靠性试验及其它科研试验(如环境试验等)都将预算大量的经费，造成经济利益的大大降低。为解决这一问题，基于有源相控阵天线每个阵元的失效分布都是相同的这一因素，考虑用部分阵元替代全阵进行可靠性试验的可行性，实现降低试验成本，提高经济利益。
发明内容
为克服上述现有技术存在的至少一种缺陷，本发明提供了一种有源相控阵天线阵面可靠性试验方法，包括如下步骤：
步骤一，设天线全阵面由n个有源辐射阵元组成，当正常工作阵元个数小于k时，判定天线全阵面失效，k为所述天线全阵面正常工作阵元个数的最小值，所述天线全阵面的可靠性模型为冗余系统中的k/n表决模型，所述天线全阵面中单个阵元的故障率服从指数分布，所述天线全阵面的平均故障前时间MTTFs通过下述公式(1)获得：
Figure BDA0001339149740000021
其中λ为单个有源辐射阵元的故障率；
步骤二，确定替代阵面的有源辐射阵元的数量；
步骤三，算出所述替代阵面阵元数量和所述天线全阵面阵元数量之比α，则步骤二中确定的替代阵面的有源辐射阵元的数量为α*n，当所述替代阵面中正常工作阵元个数小于k＇时判定阵面失效，其中k＇为所述替代阵面正常工作阵元个数的最小值，所述替代阵面的可靠性模型为冗余系统中的k＇/(α*n)表决模型，所述替代阵面的平均故障前时间MTTFs′为：
Figure BDA0001339149740000022
根据公式(2)确定k＇的最小整数值，
MTTFs′≤MTTFs (2)；
步骤四，用阵元总数为α*n的替代阵面代替天线全阵面参与试验，当替代阵面正常工作阵元个数小于k＇时，判定替代阵面失效，根据可靠性试验，当失效次数不超过允许次数时，判定试验通过，可以得出天线全阵面满足可靠性要求的结论。
优选的，步骤二中确定替代阵面的有源辐射阵元的数量的方式如下：当天线全阵面的阵元总数大于1000时，替代阵面的有源辐射阵元的数量为天线全阵面阵元总数的10％～20％；当天线全阵面的阵元总数大于100并小于等于1000时，替代阵面的有源辐射阵元的数量为天线全阵面阵元总数的20％～50％。
本发明提供的有源相控阵天线阵面可靠性试验方法，采用冗余系统可靠性指标计算的方法，可实现用部分阵元代替全阵面等效参试并对可靠性指标进行验证，处理流程简单、易于实现，可依据不同试验要求灵活调整该方法。
附图说明
图1是有源相控阵天线阵面可靠性试验方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
需要说明的是：下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明是有源相控阵体制雷达天线阵面可靠性试验领域中的一种试验替代方法，提出了一种用部分组件代替整个天线阵面开展可靠性试验的方法，用本方法得出的替代方法可应用于有源相控阵天线阵面的可靠性试验及其他相关试验，突破了必须以全部组件参加试验的限制，在不影响参试设备失效率分布的前提下，通过用部分阵元代替全阵参加试验的方法，实现用少量预算的设备等效原天线阵面对可靠性指标进行验证，达到减少花费、提高经济利益的目的。
如图1所示，该可靠性试验方法包括如下步骤：
步骤一，确定原天线阵面(全阵面)的失效率：
设天线全阵面由n个有源辐射阵元组成，当正常工作阵元个数小于k时，判定天线全阵面失效，k为所述天线全阵面正常工作阵元个数的最小值，所述天线全阵面的可靠性模型为冗余系统中的k/n表决模型，即n个相同的单元中保证k个单元正常工作，则整个系统为正常，所述天线全阵面中单个阵元的故障率服从指数分布，所述天线全阵面的平均故障前时间MTTFs通过下述公式(1)获得：
Figure BDA0001339149740000041
其中λ为单个有源辐射阵元的故障率。
步骤二，确定替代阵面的规模：
确定替代阵面的有源辐射阵元的数量，本实施例中优选的是，确定替代阵面的有源辐射阵元的数量的方式如下：当天线全阵面的阵元总数大于1000时，替代阵面的有源辐射阵元的数量为天线全阵面阵元总数的10％～20％；当天线全阵面的阵元总数大于100并小于等于1000时，替代阵面的有源辐射阵元的数量为天线全阵面阵元总数的20％～50％；当天线全阵面的阵元总数小于100时，该天线全阵面的替代阵面的替代比例应更高或者不替代。
步骤三，确定替代阵面故障判据：
算出所述替代阵面阵元数量和所述天线全阵面阵元数量之比α，则步骤二中确定的替代阵面的有源辐射阵元的数量为α*n，当所述替代阵面中正常工作阵元个数小于k＇时判定阵面失效，其中k＇为所述替代阵面正常工作阵元个数的最小值，所述替代阵面的可靠性模型为冗余系统中的k＇/(α*n)表决模型，所述替代阵面的平均故障前时间MTTFs′为：
Figure BDA0001339149740000051
由于替代阵面的平均故障前时间MTTFs′必须小于天线全阵面的平均故障前时间MTTFs，因此根据公式(2)确定k＇的最小整数值，
MTTFs′≤MTTFs (2)。
步骤四，确定天线阵面替代试验方法：
用阵元总数为α*n的替代阵面代替天线全阵面参与试验，当替代阵面正常工作阵元个数小于k＇时，判定替代阵面失效，根据可靠性试验，当失效次数不超过允许次数时，判定试验通过，可以得出天线全阵面满足可靠性要求的结论。
应用该方法将极大的节约试验成本，节约经费的量值随方法的选取而定，如方法中以20％的阵元代替全阵参试，则天线阵面的试验成本就可以降低80％左右。
假设全阵面的有源辐射阵元为1000个，正常工作阵元个数小于900时，判定天线阵面故障，单个阵元失效率λ为9.5×10-6/h，通过公式(1)计算得出天线全阵面的平均故障前时间MTTFs＝11202h，抽取20％的阵元进行试验，即替代阵面(即缩小阵)由200个阵元组成，当缩小阵的正常工作阵元个数小于180时，MTTFs′＝11646h，当缩小阵的正常工作阵元个数小于181时，MTTFs′＝11061h，满足公式(2)的要求，即k＇取值为181。
综上，验证雷达有源相控阵天线阵面可靠性试验的替代方法制定如下：用200个阵元代替原天线阵面参加可靠性试验，当正常工作阵元个数小于181时，天线阵面判定为发生一次故障。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种有源相控阵天线阵面可靠性试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，设天线全阵面由n个有源辐射阵元组成，当正常工作阵元个数小于k时，判定天线全阵面失效，k为所述天线全阵面正常工作阵元个数的最小值，所述天线全阵面的可靠性模型为冗余系统中的k/n表决模型，所述天线全阵面中单个阵元的故障率服从指数分布，所述天线全阵面的平均故障前时间MTTFs通过下述公式(1)获得：
Figure FDA0001339149730000011
其中λ为单个有源辐射阵元的故障率；
步骤二，确定替代阵面的有源辐射阵元的数量；
步骤三，算出所述替代阵面阵元数量和所述天线全阵面阵元数量之比α，则步骤二中确定的替代阵面的有源辐射阵元的数量为α*n，当所述替代阵面中正常工作阵元个数小于k＇时判定阵面失效，其中k＇为所述替代阵面正常工作阵元个数的最小值，所述替代阵面的可靠性模型为冗余系统中的k＇/(α*n)表决模型，所述替代阵面的平均故障前时间MTTF′s为：
Figure FDA0001339149730000012
根据公式(2)确定k＇的最小整数值，
MTTF′s≤MTTFs (2)；
步骤四，用阵元总数为α*n的替代阵面代替天线全阵面参与试验，当替代阵面的正常工作阵元个数小于k＇时，判定替代阵面失效，根据可靠性试验，当失效次数不超过允许次数时，判定试验通过，可以得出天线全阵面满足可靠性要求的结论。
2.根据权利要求1所述的天线阵面可靠性试验方法，其特征在于，步骤二中确定替代阵面的有源辐射阵元的数量的方式如下：当天线全阵面的阵元总数大于1000时，替代阵面的有源辐射阵元的数量为天线全阵面阵元总数的10％～20％；当天线全阵面的阵元总数大于100并小于等于1000时，替代阵面的有源辐射阵元的数量为天线全阵面阵元总数的20％～50％。
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