某型机载相控阵雷达系统可靠性预计研究

彭兆春

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

0 引言

相控阵雷达采用自适应相控阵天线阵面和先进的时空二维信息处理技术，具有多波束扫描、目标更新速率快、视场范围大、多目标追踪和抗干扰能力强等优点，已成为现代雷达装备的主体[1-2]。机载相控阵雷达是以载机为平台的机载雷达发展的重要趋势，为了适应现代复杂多变的战场形势和电子对抗环境，保证雷达的持续作战能力和任务成功性就显得尤为重要，这对雷达装备提出了更高的可靠性要求。机载相控阵雷达为了实现特定的探测威力，在天线阵面安装了大量的能独立工作的数字收发组件，同时需要多个信号处理和数据处理模块对回波信号进行综合分析，其可靠性已成为一项复杂的系统工程。可靠性是产品的一种设计属性，雷达装备的性能应当与雷达系统的可靠性同步进行，实现一体化设计。可靠性预计是可靠性设计的核心和基础，开展机载相控阵雷达可靠性预计可以评估其可靠性指标能否达到规定的要求，及时地发现设计上的薄弱环节，并采取相应的改进措施来提高雷达的固有可靠性水平，同时也对可靠性指标的分配、设计可行性决策、方案优选、维修策略和综合保障要求的制定等起着重要的作用。

本文以某型机载相控阵雷达为例，按照系统工程的设计思路，基于元器件应力分析法开展雷达模块级、分系统级和系统级的基本可靠性预计，根据雷达执行任务时的任务剖面，建立任务可靠性模型，开展雷达系统任务可靠性预计，并对预计结果的符合性进行分析。

1 可靠性预计的内容

1.1 可靠性预计的定义及分类

可靠性预计是针对产品在设计阶段进行的系统可靠性的一种定量评估，它根据产品的历史可靠性数据、系统的组成和结构特点，以及工作环境等因素估计系统各个设备、组件或模块及系统的可靠性指标，其目的是为了确定所设计的产品是否能达到规定的可靠性要求，找到设计上的薄弱环节，为设计决策提供依据。

根据产品规定的可靠性定量要求，系统可靠性预计包括基本可靠性预计和任务可靠性预计两种。基本可靠性预计是为了评估由于产品不可靠导致的对维修与后勤保障资源的要求，其可靠性模型是系统所有组成单元的全串联模型，任一单元的故障均需要进行维修和保障。任务可靠性预计是指对系统成功地完成某一特定任务的概率的预计，其可靠性模型是系统任务剖面内各组成单元的一系列结构组合，通常采用冗余或备份的方式确保任务成功性，例如：并联、k/n表决、旁联和混联等结构模型。

1.2 系统可靠性预计流程

按照系统工程的设计思想，系统可靠性预计是一个自下而上、从局部到整体、由小到大的归纳综合过程，根据系统层次的划分，下一层次的可靠性预计结果可作为上一层次可靠性预计的输入。相控阵雷达属于典型的任务电子系统，可将整个系统划分为4个层次，逐级开展可靠性预计，如图1所示。系统基本可靠性预计的流程一般可表述为：

图1 系统可靠性预计层次关系

a）明确系统的功能、组成、工作原理和各个接口间的关系；

b）明确系统的故障判据及工作条件；

c）划分可靠性预计单元，建立系统可靠性框图；

d）建立系统的可靠性数学模型；

e）收集各个模块的元器件清单，进行元器件级可靠性预计；

f）将模块内各类元器件的预计失效率累加，进行模块级可靠性预计；

g）根据模块级的预计结果，按分系统、系统的可靠性模型逐级预计分系统和系统的可靠性指标。

系统任务可靠性预计流程是以基本可靠性预计中模块级的数据为基础，按系统任务可靠性模型及任务执行时间开展预计。

2 可靠性预计方法

按照系统可靠性预计的层次关系，常用的可靠性预计方法包括元器件计数法、相似产品法、评分预计法、应力分析法和故障率预计法等[3-5]。根据产品研制阶段的不同选择合适的可靠性预计方法，不同研制阶段可靠性预计方法的适用性[6]如表1所示。

表1 可靠性预计方法的适用性

3 某型机载相控阵雷达系统可靠性预计

3.1 可靠性指标要求

合同规定的可靠性定量要求如下所示。

a）基本可靠性指标

成熟期的规定值：平均故障间隔飞行小时（MFHBF）≥300 h。

b）任务可靠性指标

按一次任务时间t=4 h，任务可靠度R（t）≥0.996。

3.2 雷达系统基本可靠性预计

某机载相控阵雷达系统由天线子系统、伺服控制子系统、信号处理子系统和电源子系统组成，各个子系统功能上相互独立、缺一不可。系统基本可靠性框图如图2所示。雷达系统设备组成如表2所示。个子系统的内部组成，将系统的基本可靠性框图进一步地细化至模块级（外场可更换模块），如图3所示。

表2 雷达系统设备组成

图2 雷达系统基本可靠性框图

图3雷达系统基本可靠性框图（模块级）

系统的基本可靠性反映的是所有组成单元引起的维修和对后勤保障资源的要求。根据雷达各在进行基本可靠性预计时，进行如下的假设：a）所有组成模块的寿命均服从指数分布；

b）系统、子系统和模块及元器件只有故障和正常两种状态，不存在第三种状态；

c）各个子系统、模块和元器件之间都是相互独立的，它们的故障相互间不发生影响；

d）不计入各个模块结构件及软件的失效率。

相控阵雷达属于典型的任务电子装备，其寿命服从指数分布。根据图3所示，雷达系统的基本可靠性模型是所有组成模块的全串联模型，其可靠性数学模型为：

式（1）中：MTBFs——雷达系统平均故障间隔时间，单位为h；

λs——雷达系统的失效率，单位为10-6/h；

λi——雷达系统第i个模块的失效率，单位为10-6/h。

按照系统可靠性预计流程，首先，预计各个模块内部元器件的失效率，基于应力分析法，根据应用元器件的类别、质量等级、应力水平和环境条件等因素，国产元器件以GJB/Z 299C为依据选择相应元器件的基本失效率、质量系数和环境系数等各个π系数来计算该器件的工作失效率；进口元器件的工作失效率依据MIL-HDBK-217F进行预计。其次，将各个元器件的失效率累加得到相应模块的失效率，预计结果如表3所示。以此逐级进行各个分系统及系统的失效率预计，并按式（1）计算MTBF，计算结果如表4所示。

表3 各个模块失效率预计结果

表4 雷达系统基本可靠性预计结果

由表4可知，雷达系统MTBF预计值为244.704 2 h，合同规定的基本可靠性指标MFHBF≥300 h，根据载机一次飞行时间F=6 h，雷达执行一次任务的工作时间S=4 h，将MTBF预计值转换成MFHBF，结果为：

由此可知，雷达系统的MFHBF预计值大于成熟期的规定值，满足设计要求。

3.3 雷达系统任务可靠性预计

任务可靠性与系统的任务要求和执行功能密切相关，任务可靠性预计是针对某一任务剖面进行的。根据雷达的工作原理和典型任务剖面，建立雷达系统任务可靠性框图，如图4所示。

由图4可知，在执行某典型任务剖面时，雷达系统任务可靠性模型是一个由串联、并联、表决和旁联组成混联结构。其中，阵面电源模块A1～A2、阵面电源模块B1～B2、专用电源1～2各自构成并联模型；数字收发模块A1～A15、数字收发模块B1～B15各自构成12/15表决模型，校正网络模块A1～A8、校正网络模块B1～B8各自构成7/8表决模型，信号处理模块1～4、信号处理模块5～8各自构成3/4表决模型；两个时序控制模块构成冷备份模型；其余各个模块构成串联模型。因此，系统任务可靠性数学模型可表示为：

图4 雷达系统任务可靠性框图

式（3）中：Rs（t）——雷达系统的任务可靠度；

R串i（t）——第i个串联模型的可靠度；

R并j（t）——第j个并联模型的可靠度；

R表k（t）——第k个表决模型的可靠度；

R旁l（t）——第l个旁联模型的可靠度。

其中，串联、并联、表决和旁联模型的可靠度计算公式分别如下：

式（4）-（7）中：Ri（t）——第i个模块的可靠度。

雷达系统在任务剖面内的工作时间为4 h，根据表3中各个模块的失效率数据计算各个模块的可靠度，同时按式（4）-（7）计算相应模型的可靠度，计算结果如表5所示。

根据表5的数据及式（3）计算雷达系统的任务可靠度Rs（t）=0.998 504 049，合同规定的任务可靠性指标R（t）≥0.996，预计结果满足设计要求。

表5 雷达系统任务可靠性预计结果

4 预计结果分析

雷达系统的基本可靠性和任务可靠性的预计结果均能满足合同规定的可靠性指标要求。在进行基本可靠性预计时，根据表3中的数据，可以统计出各个模块的失效率及4个子系统的失效率对雷达整机失效的影响程度，分别如图5、6所示。

根据图5中的数据，数字收发模块的失效率占比最大，比重远超其他模块，它对雷达整机的失效起决定作用。另外，从图6中可以看出，雷达天线阵子系统的失效率占比最大，远超过其他3个子系统。因此，数字收发模块可认为是雷达系统的重要部件，该模块在天线阵面装机数量多，且内部集成了多个多通道TR组件，属于自制件成熟度较低，因而可靠性设计和改进需重点关注该模块，以实现可靠性增长。在系统任务可靠性预计方面，由于采用了多种冗余或备份设计手段，雷达系统具有较高的任务可靠度，能有效地保证其任务成功性。雷达的基本可靠性预计值约为规定值的1.22倍，兼顾性能设计的同时还能为系统后续优化设计提供更大的改进空间，可以通过加强各个模块内部元器件的筛选、选用更高质量等级的元器件、简化设计、降额设计和热设计等措施进一步地提高雷达整机的基本可靠性和任务可靠性水平。

图5 各模块失效率占比

图6 各个子系统的失效率占比

5 结束语

正确、科学地确定可靠性要求是一项复杂的系统工程，可靠性指标是可靠性定量要求的直观体现，代表了产品能达到的可靠性水平。机载相控阵雷达属于典型的任务电子系统，可靠性指标预计是进行雷达系统可靠性设计分析的一项重要手段，可为设计决策提供依据。本文从系统工程思想出发，阐述了雷达系统可靠性预计的流程和预计方法，基于元器件应力分析法开展雷达系统基本可靠性和任务可靠性预计，并对预计结果进行了分析，分析结果可为系统的设计改进和资源的合理配置提供理论支持。此外，现阶段的可靠性预计工作主要依据GJB/Z 299C和MIL-HDBK-217F，参照标准较老，为了更精确地进行可靠性预计亟待发布和实施新标准。