[发明专利]一种接收天线阵列受损阵元的在线检测方法

权利要求书

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处理：

$\begin{array}{c}{R}_{xx}=E\left({\mathrm{XX}}^H\right)=b\left({\mathrm{\θ}}_s\right)R_{ss}{b}^H\left({\mathrm{\θ}}_s\right)+{\mathrm{\σ}}_n^{2}I={\mathrm{\σ}}_s^{2}b\left({\mathrm{\θ}}_s\right)b^H\left({\mathrm{\θ}}_s\right)+{\mathrm{\σ}}_n^{2}I\\ ={\mathrm{\σ}}_s^2\left[\begin{array}{c}{e}^{-j2{\mathrm{\πd}}_0{\mathrm{sin\θ}}_s/\mathrm{\λ}}\\ e^{-j2{\mathrm{\πd}}_1{\mathrm{sin\θ}}_s/\mathrm{\λ}}\\ .\\ .\\ .\\ e^{-j2{\mathrm{\πd}}_{M-1}{\mathrm{sin\θ}}_s/\mathrm{\λ}}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{cccc}{e}^{j2{\mathrm{\πd}}_0{\mathrm{sin\θ}}_s/\mathrm{\λ}}& e^{j2{\mathrm{\πd}}_1{\mathrm{sin\θ}}_s/\mathrm{\λ}}& \mathrm{...}& e^{j2{\mathrm{\πd}}_{M-1}{\mathrm{sin\θ}}_s/\mathrm{\λ}}\end{array}\right]+{\mathrm{\σ}}_n^{2}I\\ ={\mathrm{\σ}}_s^2\left[\begin{array}{cccc}{e}^{j2\mathrm{\π}(d_0-d_0){\mathrm{sin\θ}}_s/\mathrm{\λ}}& e^{j2\mathrm{\π}(d_1-d_0){\mathrm{sin\θ}}_s/\mathrm{\λ}}& \mathrm{...}& e^{j2\mathrm{\π}(d_{M-1}-d_0){\mathrm{sin\θ}}_s/\mathrm{\λ}}\\ e^{j2\mathrm{\π}(d_0-d_1){\mathrm{sin\θ}}_s/\mathrm{\λ}}& e^{j2\mathrm{\π}(d_1-d_1){\mathrm{sin\θ}}_s/\mathrm{\λ}}& \mathrm{...}& e^{j2\mathrm{\π}(d_{M-1}-d_1){\mathrm{sin\θ}}_s/\mathrm{\λ}}\\ .& .& & .\\ .& .& \mathrm{...}& .\\ .& .& & .\\ e^{j2\mathrm{\π}(d_0-d_{M-1}){\mathrm{sin\θ}}_s/\mathrm{\λ}}& e^{j2\mathrm{\π}(d_1-d_{M-1}){\mathrm{sin\θ}}_s/\mathrm{\λ}}& \mathrm{...}& e^{j2\mathrm{\π}(d_{M-1}-d_{M-1}){\mathrm{sin\θ}}_s/\mathrm{\λ}}\end{array}\right]+{\mathrm{\σ}}_n^{2}I\end{array}$

式中：R_xx、R_ss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，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θ_s和λ，d_i为待测阵列中阵元的坐标、i＝0,1,...,M-1，M为阵元数，I为单位矩阵，和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R_xx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＝{v_k}，式中v_k为集合D中的任一元素，由各元素v_k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D_dis，组成集合D_dis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V_F构成的集合D_dis，该集合D_dis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v_k在坐标轴上的坐标位、取值范围为[-M+1,M-1]，F为集合D_dis中各元素V_F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R_xx按列合并，即从第1列到第M列按顺序级联，构成一个M²×1维的列向量y，得：

$\begin{array}{c}y={\[{\[R_{xx}\]}_{1,1},{\[R_{xx}\]}_{2,1},\mathrm{...},{\[R_{xx}\]}_{M,1},{\[R_{xx}\]}_{2,1},\mathrm{...},{\[R_{xx}\]}_{M,2},\mathrm{...},{\[R_{xx}\]}_{p,q},\mathrm{...},{\[R_{xx}\]}_{M,M}\]}^T\\ ={\mathrm{\σ}}_s^2{\[1,e^{j2\mathrm{\π}(d_0-d_1){\mathrm{sin\θ}}_s/\mathrm{\λ}},\mathrm{...},e^{j2\mathrm{\π}(d_0-d_{M-1}){\mathrm{sin\θ}}_s/\mathrm{\λ}},\mathrm{...},e^{j2\mathrm{\π}(d_{M-1}-d_0){\mathrm{sin\θ}}_s/\mathrm{\λ}},\mathrm{...},e^{j2\mathrm{\π}(d_{M-1}-d_{M-1}){\mathrm{sin\θ}}_s/\mathrm{\λ}}\]}^T\\ ={\mathrm{\σ}}_n^2{\[1,0,\mathrm{...},0,0,1,\mathrm{...},0,\mathrm{...},1,\mathrm{...},0,1\]}^T\end{array}$

然后将列向量y中各不相同元素组成列向量

式中[R_xx]_p,q为自相关矩阵R_xx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.列向量元素的排序：将步骤4所得列向量按下述方法排序：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中各元素排列顺序与D_dis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，以列向量中第一个元素为准，依次确定列向量y中与列向量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。