[发明专利]一种接收天线阵列受损阵元的在线检测方法

说明书

技术领域

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

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。

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

本发明的目的是针对背景技术中存在的缺陷，研究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。

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。

因此本发明方法包括：

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：

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，角标s表示信号；