[發明專利]沖擊噪聲下基于張量分解和K-means聚類的MIMO雷達陣列診斷方法

有效

• 申請號: 202110339194.8
• 申請日: 2021-03-30
• 公開（公告）號: CN113064126B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 陳金立;王亞鵬;陳宣;李家強
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: G01S7/40
• 分類號: G01S7/40
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明公開了一種沖擊噪聲下基于張量分解和K?means聚類的MIMO雷達陣列診斷方法，根據MIMO雷達接收陣列在第k個脈沖周期的輸出信號矩陣獲得匹配濾波器系數矢量W_m,n,k；計算出虛擬陣列協方差矩陣R；由虛擬陣列協方差矩陣R構建三階PARAFAC張量快速分解三階協方差張量得到發射陣列和接收陣列流形矩陣的估計值采用K?means聚類方法計算收發陣列流形矩陣估計值的聚類中心；計算用于診斷發射陣列和接收陣列中故障陣元的門限閾值T_t和T_r；由和獲得矢量ω_t和ω_r，對ω_t和ω_r中每個元素分別關于閾值T_t和T_r進行門限檢測，獲得發射陣列和接收陣列故障陣元的位置。本發明在沖擊噪聲下具有較高的陣列診斷成功率，且無需額外的測量探頭，在低信噪比或故障陣元較多時仍能有效檢測MIMO雷達故障陣元的位置。

技術領域

本發明屬于陣列雷達故障陣元診斷領域，具體涉及一種沖擊噪聲下基于張量分解和K-means聚類的MIMO雷達陣列診斷方法。

背景技術

多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)雷達是將通信系統中MIMO技術應用到雷達中而誕生的一種新體制雷達，一經提出立即引起了廣大學者的關注。相比于傳統的相控陣雷達，MIMO雷達利用波形分集技術即多個發射天線發射相互正交的波形，在接收端采用多個天線接收目標信號，并通過匹配濾波處理形成大孔徑的虛擬陣列，從而增強系統的抗雜波與干擾能力，提高多目標探測和參數估計性能。

天線陣列作為雷達的重要組成元器件，能夠實現自適應波束形成、空間譜估計和目標角度估計等功能。但受雷達實際工作環境影響，如惡劣天氣、元器件腐蝕等，MIMO雷達在長時間執行任務中收發陣列中不可避免地會存在故障陣元，而受損陣元無法正常發射和接收信號，從而導致MIMO雷達的目標探測和參數估計性能下降。陣列診斷的目的是在含有大量陣元的陣列中檢測故障天線單元的位置和數量，這對雷達故障陣元的維修是至關重要的。傳統陣列故障陣元診斷方法如反向傳播法、遺傳算法、神經網絡算法和壓縮感知方法等均以高斯噪聲為假設前提。MIMO雷達實際工作環境中，陣列接收數據受到加性噪聲的污染，通常假設加性噪聲為高斯噪聲，然而受雷電、大氣等自然產生、系統電路上的瞬時尖峰以及人為干擾的影響，所涉及的加性噪聲大多數為沖擊噪聲。沖擊噪聲的分布特性具有尖峰或厚重拖尾，通常以α穩定分布來表示。由于沖擊噪聲在時域中分布呈脈沖狀，導致陣列接收數據呈非線性且不具備二階統計量特性，從而導致現有基于高斯噪聲背景下的陣列診斷方法性能下降甚至失效。現有的陣列診斷方法，需要設置額外的探頭或者理想接收數據，在實際探測環境中，難以獲取理想接收數據且額外的探頭會將增加陣列診斷的成本。

MIMO雷達通過匹配濾波處理在接收信號中分離出各個發射通道信號以形成大孔徑虛擬陣列。在加性高斯白噪聲信道中，由于二階統計量的存在，因此保證了匹配濾波器的最優性。然而，沖擊噪聲往往帶有沖擊特性和厚拖尾特性，符合α穩態分布，不具有二階及二階以上的矩特性，因此在沖擊噪聲下匹配濾波效果會大為降低，從而嚴重影響MIMO雷達的通道分離效果，進而導致MIMO雷達陣列診斷失效。針對此問題，陳金立等人在論文“沖擊噪聲下基于無窮范數互信息的MIMO雷達陣列診斷”(中國電子科學研究院學報,2020,15(10):961-968)中提出一種基于無窮范數互信息的MIMO雷達陣列診斷方法，該方法對陣列接收數據進行無窮范數歸一化處理來抑制沖擊噪聲，然后通過匹配濾波處理形成虛擬陣列，對虛擬陣列輸出數據取模處理并等效于灰度圖像數據，通過計算各陣元之間的互信息值實現故障陣元位置的診斷。由于無窮范數歸一化處理方法對沖擊噪聲抑制效果有限，因此殘余的沖擊噪聲仍然會對MIMO雷達匹配濾波處理產生影響。因此，需要對對基于二階矩的傳統匹配濾波器進行改進以適應非高斯噪聲，并挖掘正常陣元和故障陣元的匹配濾波輸出數據的多維度特征以呈現數據的真實結構，這對提高MIMO雷達在沖擊噪聲下的陣列診斷性能是非常有必要的。

發明內容