一种接收天线阵列受损阵元的在线检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于一种检测接收天线阵列中受损阵元位置的方法，特别是一种涉及到在 运行的阵列中存在受损阵元的情形下检测其所在位置的方法。该方法利用受损阵列中其他 完好阵元接收到的信号的信息，在复杂的接收阵列受损情况下准确地检测出受损阵元的具 体位置。
【背景技术】
[0002] 天线阵列信号处理技术现在已经广泛应用于雷达、天文、地震、声纳和无线通信等 领域。天线阵列是由放置在空间不同坐标位上的多个传感器组成，用于接收空间信号并对 接收到的信号进行处理。然而在实际应用中，恶劣的自然环境以及传感器硬件的自身寿命 等原因会导致接收天线阵列中的部分阵元出现损坏、无法正常接收信号，称这些无法正常 工作的阵元为受损阵元。随着在雷达应用中天线阵列规模的不断增大，存在受损阵元的可 能性也随之增加，因受损阵元丢失很多有用信息而导致使阵列性能严重衰落，因此检测出 受损阵元并及时替换掉受损阵元对保证阵列性能至关重要，针对现代复杂电子战环境尤其 如此。
[0003] 目前普遍采用的受损阵元检测方法主要有远场波束反傅里叶变换法，遗传算法， 矩阵法，信号源重建法，参数模型法，支持向量机分类器法，贝叶斯压缩感知法及奇异值分 解法等。但以上这些方法都存在一定的局限性和缺陷：反傅里叶变换法，信号源重建法，参 数模型法适用于接收阵列阵元数目较少的情况，而在阵列规模较大的情况下，很难得到远 场波束，检测受损阵元方法的性能下降，限制了以上这些方法在大规模阵列中的应用。矩阵 方法需要求解有关矩阵的等式，当求解的矩阵是病态矩阵（在矩阵方程式中系数矩阵对较 小的误差很敏感，以至于很小的扰动会导致方程式求出的解跟期望解出现很大的差别，这 样的系数矩阵称为病态矩阵）时，该方法所用的迭代求解过程会出现收敛很慢的问题。基 于遗传算法的检测方法在数据量较大时可能会出现局部最优解，导致检测出的受损阵列与 实际受损阵列不一致（即造成误检）。而支持向量机分类法却又存在处理大规模训练数据 和较高阶数矩阵时占用较大的物理资源（机器内存和运行时间）等弊病。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对【背景技术】中存在的缺陷，研宄设计一种接收天线阵列受损阵 元的在线检测方法，该检测方法不受接收天线的规模大小和受损阵元数量的限制；以达到 在相同的阵列受损情况下耗费时间更短，在同等复杂阵列受损情况下检测更准确等目的。
[0005] 本发明的解决方案是：首先根据完好阵列的阵元数、各阵元的坐标位、用于建立 检测数据库的信号方向及其波长构成的方向向量进行相关处理，确定协方差矩阵、虚拟阵 列中各阵元位及各阵元位上虚拟阵元的最大个数，以建立检测数据库；然后对待测阵列接 收到的信号数据进行自相关矩阵，以确定待测虚拟阵列并确定其各阵元位上虚拟阵元的个 数，进而确定接收天线阵列是否受损及受损阵元的个数，最后通过穷搜法确定各受损阵元 的坐标位；本发明即以此实现其发明目的。
[0006] 因此本发明方法包括：
[0007] 步骤1.建立检测数据库：首先将阵列左边的第一个阵元作为坐标原点，并对由 完好阵列的阵元数、各阵元的坐标位、用于建立检测数据库的信号方向及其波长构成的方 向向量进行相关处理，确定协方差矩阵，进而通过该矩阵确定虚拟阵列中各阵元位及各阵 元位上虚拟阵元的个数，其中个数最大的即为坐标原点上对应的虚拟阵元个数，并将完好 阵列的阵元数、各阵元的坐标位、虚拟阵列中阵元位上的虚拟阵元个数的最大值存入处理 器；
[0008] 步骤2.确定接收信号的自相关矩阵：对待测阵列接收到的信号数据通过下式进 行自相关处理：
【主权项】
1. 一种接收天线阵列受损阵元的在线检测方法，包括： 步骤1.建立检测数据库：首先将阵列左边的第一个阵元作为坐标原点，并对由完好阵 列的阵元数、各阵元的坐标位、用于建立检测数据库的信号方向及其波长构成的方向向量 进行相关处理，确定协方差矩阵，进而通过该矩阵确定虚拟阵列中各阵元位及各阵元位上 虚拟阵元的个数，其中个数最大的即为坐标原点上对应的虚拟阵元个数，并将完好阵列的 阵元数、各阵元的坐标位、虚拟阵列中阵元位上的虚拟阵元个数的最大值存入处理器； 步骤2.确定接收信号的自相关矩阵：对待测阵列接收到的信号数据通过下式进行自相关々卜理，
式中：Rxx、Rss分别为待测阵列接收信号及目标源信号的自相关矩阵，E( ?)为协方差矩阵运算，X为待测阵列接收信号，[? ]H为共轭转置运算， = PM-" 为该待测阵列对应的方向向量、目标信 号的方位角和波长分别为Q 为待测阵列中阵元的坐标、i= 0, 1，. . .，M-1，M为阵 元数，i= ，I为单位矩阵，A2和crn2分别为目标信号和噪声的功率； 步骤3.确定待测虚拟阵列：将步骤2矩阵Rxx列向量化处理后依次将各元素中的阵元 坐标位之差的集合表示为D= {vk}，式中vk为集合D中的任一元素，由各元素vk所对应的 阵元构成的阵列组成差分阵列；将集合D中各不相同元素组成集合Ddis，组成集合Ddis的方 法为：按集合D中第一个元素为准，凡之后出现的元素与前面任一元素等值的则去掉，依次 组成由各不相同元素VF构成的集合Ddis，该集合Ddis中的各不相同元素所对应的阵元构成 待测虚拟阵列； 其中：k为集合D中各元素vk在坐标轴上的坐标位、取值范围为[0，M-1]，F为集合Ddis 中各元素1在坐标轴上的坐标位、取值范围为[-M+1，M-1]; 步骤4.自相关矩阵列向量化处理：对步骤2所得自相关矩阵Rxx按列合并，即从第1列 到第M列按顺序级联，构成一个M2XI维的列向量y，得：
然后将列向量y中各不相同元素组成列向量歹； 式中为自相关矩阵Rxx中第p行第q列的值，p和q的取值范围均为1，2,...，M， [? ]T表示转置运算； 步骤5.列向量f元素的排序：将步骤4所得列向量歹按下述方法排序：从列向量y中 的第一个元素开始，此后，凡在列向量y中出现的元素与前面任一元素等值的则去掉，从而 依次组成由各不相同元素构成的列向量$，以使列向量f中各元素排列顺序与Ddis中的各 元素排列顺序相对应； 步骤6.确定待测虚拟阵列中各阵元位上虚拟阵元的个数：根据步骤4中的结果，以列 向量f中第一个元素为准，依次确定列向量y中与列向量f中各等值的元素个数，各等值 的元素个数分别对应于待测虚拟阵列中各阵元位上的虚拟阵元的个数，其中虚拟阵元个数 中的最大值对应坐标原点上的虚拟阵元的个数； 步骤7.确定接收天线阵列是否存在受损阵元：将步骤6所得虚拟阵元个数中最大值与 步骤1检测数据库中阵元位上的虚拟阵元个数的最大值进行比较，若相等、则待测阵列为 完好阵列，退出检测；若小于检测数据库中阵元位上的虚拟阵元个数的最大值，则判定其存 在受损阵元，转入步骤8 ; 步骤8.确定受损阵元个数及相应的阵元坐标位：比较步骤1检测数据库中阵元位上的 虚拟阵元个数的最大值与步骤6所得虚拟阵元个数最大值之差，以确定受损阵元的个数， 进而按以下方式确定各受损阵元的坐标位： 步骤8. 1.确定受损阵元坐标位：首先将阵列阵元坐标位已知的全部阵元组成以步骤8 所确定的受损阵元个数为基数的不同阵元的所有组合，每个组合中各阵元的坐标位均与步 骤1检测数据库中各阵元的坐标位对应相同，各组合依次按下述方式执行： a. 任选一个组合作为待测受损阵元组，而将全部阵元中去除所选待测受损阵元组中所 有阵元后的其余阵元组成新的待测的当前阵列，然后将当前阵列中各阵元的坐标位从左到 右依次组成行向量，该行向量与其取反号后的行向量作互相关处理； b. 对步骤a中互相关处理所得矩阵进行列向量化处理、得列向量h，再依次将该列向量 中各不相同元素组成虚拟阵元位集合，其集合的方法为：以列向量h中第一个元素为准，凡 之后出现的元素与前面任一元素等值的则去掉，以组成当前虚拟阵列； c. 按列向量h中第一个元素为准，依次确定列向量h中与虚拟阵元位集合中各等值的 元素个数，各等值的元素个数分别对应于当前虚拟阵列中各阵元位上虚拟阵元的个数，此 时将当前虚拟阵列中各阵元位上虚拟阵元的个数与步骤6所述待测虚拟阵列中各阵元位 上虚拟阵元的个数对应比对，若不完全一致，则直接执行步骤d;若完全一致，则将步骤a中 所选定的该阵元组合作为初定的受损阵元组，并存储备用； d. 然后分别将其余不同阵元组合依次按步骤a、b、c循环执行，若其余各组分别执行的 结果均不符合步骤c所述存储备用条件的，则上述步骤c所初定的受损阵元组即为实际受 损阵元组，该实际受损阵元组中各受阵元的坐标位即为步骤1检测数据库中对应阵元的坐 标位；若其余各组分别执行的结果中一旦出现仍符合步骤c所述存储备用条件的，则执行 步骤8. 2 ; 步骤8. 2 :对符合存储备用条件的两组阵元组进行检测：找出两组中对应不同坐标位 的任意一个阵元，然后通过实际测试该阵元的输出情况，若无输出，则该阵元所在的阵元组 合即为实际受损阵元组；若有输出，则另一阵元组即为实际受损阵元组；实际受损阵元组 中各受阵元的坐标位即为步骤1检测数据库中对应阵元的坐标位。
2.按权利要求1所述接收天线阵列受损阵元的在线检测方法，其特征在于在步骤1中 所述进而通过该矩阵确定虚拟阵列中各阵元位及各阵元位上虚拟阵元的个数，其方法是对 该协方差矩阵进行向量化处理，确定向量中各相同元素的重复次数，各重复次数即为相应 阵元位上虚拟阵元的个数。
【专利摘要】该发明属于雷达应用中的接收天线阵列受损阵元的在线检测方法，包括建立检测数据库，确定接收信号的自相关矩阵，确定待测虚拟阵列，自相关矩阵列向量化处理，列向量元素的排序，确定待测虚拟阵列中各阵元位上虚拟阵元的个数，确定接收天线阵列是否存在受损阵元及确定受损阵元个数及相应的阵元坐标位。该发明具有不受接收天线阵列的规模大小及天线阵列中受损阵元的数目大小限制，在同等阵列规模、相同受损阵元个数的情况下，与支持向量机分类法相比，该发明在线检测所耗费的时间仅为支持向量机分类法的1/50-1/4，性能提高明显，检测效率及可靠性更高。因而本发明具有检测方法简便，所需的检测时间短，检测效率及可靠性高等特点。
【IPC分类】G01R31-00
【公开号】CN104614611
【申请号】CN201510050829
【发明人】王文钦, 朱承龙, 邵怀宗, 陈慧, 潘晔, 胡全
【申请人】电子科技大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年1月30日