一种基于波形相似度的双基地MIMO雷达故障阵元诊断方法技术

本发明专利技术公开了一种基于波形相似度的双基地MIMO雷达故障阵元诊断方法，双基地MIMO雷达接收阵列信号经过匹配滤波后会形成由多个虚拟阵元组成的虚拟阵列，发射或接收阵列中故障阵元所对应的虚拟阵元输出信号不包含目标信息，仅为噪声，由于噪声与信号具有独立不相关的特点，因此故障阵元所对应的虚拟阵元输出信号波形与其余虚拟阵元输出信号波形高度不相似，即故障阵元与其余阵元的输出信号互相关值接近于零，从而通过比较各虚拟阵元输出信号之间的波形相似性，能诊断出双基地MIMO雷达发射和接收阵列中故障阵元的位置。本发明专利技术方法无需使用辅助阵元和测量设备，在低信噪比情况下能对任意位置出现故障阵元进行准确和快速的自诊断。

A Fault Element Diagnosis Method for Bistatic MIMO Radar Based on Waveform Similarity

The invention discloses a method for fault element diagnosis of bistatic MIMO radar based on waveform similarity. After matched filtering, the received array signal of bistatic MIMO radar will form a virtual array consisting of multiple virtual elements. The output signal of the virtual element corresponding to the fault element in the transmitting or receiving array does not contain the target information but only noise, because the noise and signal are unique. The output signal waveform of the virtual element corresponding to the fault element is highly different from that of the other virtual elements, that is, the correlation value between the output signal of the fault element and the other elements is close to zero. By comparing the waveform similarities between the output signals of the virtual elements, the fault array in the transmitting and receiving array of the bistatic MIMO radar can be diagnosed. The location of the element. The method of the invention does not need to use auxiliary array elements and measuring equipment, and can accurately and rapidly self-diagnose the failure array elements at any position under the condition of low signal-to-noise ratio.

【技术实现步骤摘要】
一种基于波形相似度的双基地MIMO雷达故障阵元诊断方法
本专利技术属于雷达故障阵元诊断领域，特别是涉及一种基于波形相似度的双基地MIMO雷达故障阵元诊断方法。
技术介绍
双基地MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)雷达是一种将收发阵列分别放置在不同位置的MIMO雷达，其发射阵列各通道信号相互正交，在空间中形成低增益的宽波束；接收阵列采用匹配滤波分离各发射信号分量，实现波形分集，在接收端形成大的虚拟阵列孔径,以提高雷达的角度估计精度和增加最大可分辨目标数等。因而双基地MIMO雷达受到越来越多的学者的关注。在实际应用中，由于存在器件老化、自然环境恶劣等因素，雷达天线阵列不可避免地会出现阵元故障。双基地MIMO雷达的发射阵列中某些阵元出现故障而不能向空间辐射能量，这不仅会导致天线阵列增益下降，而且会使发射波束方向图旁瓣电平抬高；接收阵列的故障阵元无法有效接收目标信号，导致阵列响应发生畸变和特定方向增益降低，目标检测性能下降。一般情况下，当发射阵列中存在故障阵元时，可调整其余工作正常阵元的激励，来获得与原方向图相近的方向图；当接收阵列有故障阵元时，可用矩阵填充等方法对缺失数据进行填补，但以上方法的实现前提都是已知故障阵元的位置。为了诊断出雷达天线阵列中故障阵元的位置，现有文献通过测量发射阵列的远场幅度和相位信息或在发射阵列近场设置少量辅助检测阵元来测量阵列近场幅度与相位信息，然后利用支持向量机(SVM)等分类算法确定故障阵元位置。然而，此类方法需要借助一些测量设备或人为设置辅助阵元来诊断故障阵元，使得雷达不具备故障阵元的自诊断能力。Zhu等人在论文“ImpairedSensorDiagnosis,Beamforming,andDOAEstimationWithDifferenceCo-ArrayProcessing”(IEEESensorsJournal,2015,15(7):3773-3780)中提出了一种针对均匀线阵的故障阵元诊断方法，该方法根据均匀线阵的接收信号协方差矩阵的差分原理计算故障阵列中同一位置上差分阵元的重复频次，并与所有可能的故障阵元组合情况下的差分阵元重复频次进行匹配，从而诊断出故障阵元位置。该方法利用阵列接收信号能对故障阵元进行自诊断，无需使用辅助阵元和测量设备，但在低信噪比时故障阵元位置的诊断准确率不高，而且当故障阵元对应的同一位置上差分阵元同时失效时，该方法无法正确诊断故障阵元。为了提高双基地MIMO雷达抗阵列故障的能力，研究一种能对阵列中任意位置出现的故障阵元进行快速和正确诊断的方法是非常有必要的。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足,提供一种基于波形相似度的双基地MIMO雷达故障阵元的诊断方法，能对双基地MIMO雷达的发射阵列和接收阵列中任意位置出现的故障阵元进行有效诊断以利于后续的故障阵元补偿处理，且无需借助一些测量设备或人为设置辅助阵元。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案一种基于波形相似度的双基地MIMO雷达故障阵元诊断方法，具体包含如下步骤：步骤1，对存在故障阵元的双基地MIMO雷达接收信号进行匹配滤波，获得M×N个虚拟阵元在Q个脉冲周期的输出信号Y＝(Ar⊙At)S+Z；其中，M为发射阵元数，N为接收阵元数，(·)T表示转置运算，为第(n-1)×M+m(n＝1,2,...,N,m＝1,2,...,M)个虚拟阵元在Q个脉冲内的输出信号，At和Ar分别为发射和接收阵列流型矩阵，S是目标系数矩阵，为噪声项，⊙表示Khatri-Rao积；当第pt(pt∈ΩT)个发射阵元出现故障，则发射阵列流型矩阵At中的第pt行为零；当第pr(pr∈ΩR)个接收阵元出现故障，接收阵列流型矩阵Ar中的第pr行为零，其中ΩT和ΩR分别为故障发射和接收阵元位置集合；则，存在故障阵元的双基地MIMO雷达的第(n-1)×M+m(n＝1,2,…,N,m＝1,2,…,M)个虚拟阵元输出信号可表示为其中，ym,n(q)表示第(n-1)×M+m个虚拟阵元在第q个脉冲周期的输出信号，zm,n表示该虚拟阵元在Q个脉冲周期内输出的噪声向量；步骤2，对经过匹配滤波后形成的虚拟阵元输出信号进行分析，计算第(n0-1)×M+m0个虚拟阵元与其余虚拟阵元输出信号的互相关值其中，m＝1,2,...,M，n＝1,2,...,N且m≠m0,n≠n0，则第(n0-1)×M+m0个虚拟阵元与其余虚拟阵元输出信号互相关均值为其中|·|表示取模运算，(·)*表示复共轭运算；步骤3，为了提高故障阵元诊断的稳定性，将第m0(m0＝1,...,M)个发射阵元所形成的N个虚拟阵元的互相关均值进行再次平均，即可得到对应第m0个发射阵元的波形相似度值将第n0(n0＝1,...,N)个接收阵元所形成的M个虚拟阵元的互相关均值进行再平均，即可得到对应第n0个接收阵元的波形相似度值则发射阵列与接收阵列中各阵元的波形相似度值矢量分别为W＝[w1,w2,…,wM]和V＝[v1,v2,…,vN]；步骤4，选取合适的门限值σt和σr对发射阵列波形相似度值矢量W和接收阵列波形相似度值矢量V分别进行门限检测，得到在矢量W和V中低于门限值的元素及其在矢量中位置，根据该位置来确定发射和接收阵列中故障阵元的位置。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：(1)本专利技术提供了一种基于波形相似度的双基地MIMO雷达故障阵元诊断方法，该方法利用故障阵元所形成的虚拟阵元与其余虚拟阵元之间的输出信号高度不相关的特性，有效解决了在低信噪比下双基地MIMO雷达故障阵元的快速和准确诊断问题；(2)本专利技术方法无需借助一些测量设备或人为设置辅助阵元来测量阵列远场和近场幅度和相位信息来诊断故障阵元的位置，利用双基地MIMO雷达的接收阵列输出信号来完成发射和接收阵列中故障阵元位置的诊断，使得雷达具备故障阵元的自诊断能力，具有广泛的适用性；(3)本专利技术对双基地MIMO雷达中任意位置出现的故障阵元都能有效诊断，具有较好的通用性，并且在诊断过程中无需匹配搜索过程，计算速度快，具有较高的实时性。附图说明图1是本专利技术实现流程图；图2是双基地MIMO雷达的结构图；图3是接收阵列中无故障阵元和有故障阵元时的各个接收阵元的波形相似度值对比图，其中故障阵元为第3,7,9,17个接收阵元；图4是故障阵元不出现在发射或接收阵列首尾位置处时故障阵元诊断准确率随信噪比的变化关系图；图5是在发射或接收阵列首尾至少存在一个故障阵元时，故障阵元诊断准确率随信噪比变化的关系图；图6是发射阵列工作正常，接收阵列中出现位置随机的故障阵元且故障阵元不出现在阵列首尾两端时，故障阵元诊断准确率随故障阵元数的变化关系图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明：双基地MIMO雷达通常由多个天线阵元组成，但由于阵元组件寿命限制或恶劣的自然环境影响，雷达阵列中会不可避免地出现故障阵元。故障阵元的出现不仅破坏了天线阵列结构，而且降低了目标的检测性能。为了提高双基地MIMO雷达故障阵元的自诊断能力，本专利技术提供了一种基于波形相似度的双基地MIMO雷达故障阵元的诊断方法。双基地MIMO雷达接收阵列信号经过匹配滤波后会形成由多个虚拟阵元组成的虚拟阵列本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于波形相似度的双基地MIMO雷达故障阵元诊断方法，其特征在于：具体包含如下步骤：步骤1，对存在故障阵元的双基地MIMO雷达接收信号进行匹配滤波，获得M×N个虚拟阵元在Q个脉冲周期的输出信号Y＝(Ar⊙At)S+Z；其中，M为发射阵元数，N为接收阵元数，

【技术特征摘要】
1.一种基于波形相似度的双基地MIMO雷达故障阵元诊断方法，其特征在于：具体包含如下步骤：步骤1，对存在故障阵元的双基地MIMO雷达接收信号进行匹配滤波，获得M×N个虚拟阵元在Q个脉冲周期的输出信号Y＝(Ar⊙At)S+Z；其中，M为发射阵元数，N为接收阵元数，(·)T表示转置运算，为第(n-1)×M+m(n＝1,2,...,N,m＝1,2,...,M)个虚拟阵元在Q个脉冲内的输出信号，At和Ar分别为发射和接收阵列流型矩阵，S是目标系数矩阵，为噪声项，⊙表示Khatri-Rao积；当第pt(pt∈ΩT)个发射阵元出现故障，则发射阵列流型矩阵At中的第pt行为零；当第pr(pr∈ΩR)个接收阵元出现故障，接收阵列流型矩阵Ar中的第pr行为零，其中ΩT和ΩR分别为故障发射和接收阵元位置集合；则，存在故障阵元的双基地MIMO雷达的第(n-1)×M+m(n＝1,2,…,N,m＝1,2,…,M)个虚拟阵元输出信号可表示为其中，ym,n(q)表示第(n-1)×M+m个虚拟阵元在第q个脉冲周期的输出信号，zm,n表示该虚拟阵元在Q个脉冲周期内输...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈金立，张廷潇，李家强，陈宣，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32