CN105158621B - 基于分区的阵列天线快速故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分区的阵列天线快速故障诊断方法，将阵列天线划分为多个分区，每个分区包含若干辐射单元，对于每个分区，通过雷达控制系统控制关闭分区内的不同辐射单元来模拟各个故障，对无故障和每个模拟故障进行快拍测试得到故障特征向量，将所有分区的故障及其对应的特征向量一起构建故障数据库，阵列天线需要测试诊断时，分别对每个分区进行一次快拍测试，获得该分区的测试向量，先与该分区的无故障特征向量计算相似度，如果相似度大于预设阈值则该分区没有故障，否则在该分区故障特征向量中搜索与测试向量最相似的故障特征向量，对应故障即为当前分区的故障。本发明结合中场区多个测试天线进行快拍测试进行故障诊断，提高测试效率。

Description

基于分区的阵列天线快速故障诊断方法

技术领域

本发明属于天线故障诊断技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于分区的阵列天线快速故障诊断方法。

背景技术

相控阵列天线是一种由许多辐射单元排列而成，通过控制各单元的幅度激励和相位关系实现空间波束合成的天线。相控阵列天线具有波束快速扫描和捷变能力，可进行空间功率合成，便于形成多波束等特点，已广泛应用与军事领域。

传统的天线测试方法主要有远场测试和近场测试两类，这些方法以进行天线整体特性测试为主，没有充分利用相控阵天线辐射单元可控的特点，很难将故障定位到辐射单元，而且对测试场地有较高要求。因而对于相控阵列天线需要一种可以将故障定位至辐射单元的测试方法，以提高后勤保障效率。近年来，中场测试方法得到了重视并取得很好的发展。现在常用的中场单通道测试通过控制相控阵天线依次开关各个辐射单元，在阵面的中场区，即相对于辐射单元的远场区利用宽瓣测试天线进行测试，通过接收功率下降幅度判断单元是否故障。这种方法虽然可将故障进行定位，但每次只能测试一个辐射单元。对于大型相控阵天线成千上万的单元，发展一种效率更高的测试诊断方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于分区的阵列天线快速故障诊断方法，结合中场区多个测试天线进行快拍测试进行故障诊断，提高测试效率。

为实现上述发明目的，本发明基于分区的阵列天线快速故障诊断方法包括以下步骤：

S1：将阵列天线划分为N个分区，每个分区包含若干辐射单元；在阵列天线的中场区不同位置固定设置M个测试天线，M的取值范围为M＞1；

S2：对于每个分区，通过雷达控制系统控制关闭分区内的不同辐射单元来模拟各个故障，对无故障和每个模拟故障进行快拍测试得到故障特征向量，快拍测试的方法为：

S2.1：令测试天线序号m＝1；

S2.2：在当前故障情况下，通过雷达控制系统控制分区中辐射单元的幅相激励，使分区波束指向第m个测试天线，记录M个测试天线各自测得的幅相数据，即幅度值A_mm′和相位值m′＝1,2,…,M；

S2.3：判断是否m＜M，如果是，令m＝m+1，返回步骤S2.2，否则进入步骤S2.4；

S2.4：根据测得的M组幅相数据构建当前故障对应的特征向量

S3：将所有分区的故障情况及其对应的特征向量一起构建故障数据库，阵列天线需要测试诊断时，分别对每个分区进行一次快拍测试，获得该分区的测试向量，先与该分区的无故障特征向量计算相似度，如果相似度大于预设阈值则该分区没有故障，否则在该分区对应故障特征向量中搜索与测试向量最相似的故障特征向量，对应的故障即为当前阵列天线的故障。

本发明基于分区的阵列天线快速故障诊断方法，将阵列天线划分为多个分区，每个分区包含若干辐射单元，对于每个分区，通过雷达控制系统控制关闭分区内的不同辐射单元来模拟各个故障，对无故障和每个模拟故障进行快拍测试得到故障特征向量，将所有分区的故障及其对应的特征向量一起构建故障数据库，阵列天线需要测试诊断时，分别对每个分区进行一次快拍测试，获得该分区的测试向量，先与该分区的无故障特征向量计算相似度，如果相似度大于预设阈值则该分区没有故障，否则在该分区对应故障特征向量中搜索与测试向量最相似的故障特征向量，对应的故障即为当前分区的故障。

本发明具有以下有益效果：

(1)通过对阵面进行分区，可以同时测试分区内多个辐射单元，相对于单通道测试大大减少了测试次数；

(2)快拍测试利用了多个测试天线，可以更好地刻画分区特性以进行故障诊断；并且利用快拍测试可以通过简单测试快速获得大量测试数据，显著提高测试效率和诊断精度。

附图说明

图1是基于分区的阵列天线快速故障诊断方法的流程图；

图2是本发明中阵列分区示例图；

图3是本发明中测试天线放置示例图；

图4是快拍测试的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图1是基于分区的阵列天线快速故障诊断方法的流程图。如图1所示，基于分区的阵列天线快速故障诊断方法包括以下步骤：

S101：阵列天线分区：

将阵列天线划分为N个分区，每个分区包含若干辐射单元。分区的大小，也就是每个分区中辐射单元的数量可以根据实际需要进行设置。一般来说阵列天线在分区时是平均分区的。图2是本发明中阵列分区示例图。

S102：测试天线设置：

在阵列天线的中场区不同位置固定设置M个测试天线，M的取值范围为M＞1。由于要通过测试天线接收信号的幅相数据构建特征向量，为了使特征向量具有更好地表征效果，测试天线数量不宜太少，一般来说，测试天线数量M≥4。测试天线可以一字排列，以可以矩形排列，以使不同测试天线位于阵列天线分区空间方向图的不同位置，同样也可以使特征向量具有更好地表征效果。图3是本发明中测试天线放置示例图。本发明中，当测试天线位置设置好后，其位置是不变的。

S103：设置分区序号n＝1；

S104：快拍测试：

通过雷达控制系统控制关闭第n个分区内的不同辐射单元，用以模拟不同故障情况，如无故障、单辐射单元故障和多辐射单元故障，得到无故障样本向量和故障样本向量。多辐射单元故障的模拟故障数量可以根据实际需要来确定。通常情况下，雷达一个T/R组件有8个辐射单元，一个T/R组件内部电路故障会导致这个组件上的辐射单元全部故障。所以故障模式可以设置成一个T/R组件上的8个单元故障，两个T/R组件16个单元故障等。同时还可以加入因意外情况导致的随机位置的辐射单元的损坏，比如1个、2个、3个。图4是快拍测试的流程图。如图4所示，快拍测试包括以下步骤：

S401：令测试天线序号m＝1；

S402：获得第m组测试数据：

在当前故障情况下，通过雷达控制系统控制分区中辐射单元的幅相激励，使分区波束指向第m个测试天线，记录M个测试天线各自测得的幅相数据，即幅度值A_mm′和相位值m′＝1,2,…,M。不同单元的幅相激励是由雷达控制系统根据不同指向角度进行计算，指向角度由雷达阵面分区空间坐标和测试天线空间坐标确定。

S403：判断是否m＜M，如果是，进入步骤S404，否则进入步骤S405。

S404：令m＝m+1，返回步骤S402。

S405：构建当前故障的特征向量：

根据测得的M组幅相数据构建当前故障对应的特征向量

S105：判断是否n＜N，如果是，进入步骤S106，否则进入步骤S107。

S106：令n＝n+1，返回步骤S104。

S107：构建故障数据库：

将所有分区的故障及其对应的特征向量一起构建故障数据库，这些特征向量即为判断故障的对比数据。

S108：故障测试：

阵列天线需要测试诊断时，分别对每个分区进行一次快拍测试，从而获得该分区的测试向量。先与该分区的无故障特征向量比较，计算其相似度，如果相似度大于预设阈值，则该分区没有故障，否则说明该分区存在故障，计算测试向量在故障数据库中该分区对应的各个故障特征向量的相似度，搜索与测试向量相似度最大的故障特征向量，对应的故障即为当前阵列天线的故障。

本实施例中采用余弦相似度，计算公式为：

在多维空间中，两个向量越相似，它们的夹角越小，余弦值越接近1。为使结果显示更明显，对余弦相似度求取了反余弦，即得到测试向量与特征向量的夹角，角度越小即越相似。

在本发明中，由于要模拟多个故障，前期得到故障特征向量的快拍测试所需时间较长，但是在后期故障测试时，就可以只对每个分区进行一次快拍测试就可以确定故障，从而大大提高了测试阶段的效率。

实施例

为了说明本发明的技术效果，采用一个具体实施例进行实验验证。本实施例中待测的阵列天线为拥有52×12个辐射单元、工作在S波段的小型相控阵天线阵面。测试天线为摆放在距离阵列天线7m处一字排开四个喇叭天线，测试天线间距1m，中心正对阵列天线中心。阵列天线与测试天线摆放关系如图3所示。对阵列天线进行分区，每个分区包含4×2个辐射单元(为便于实验和说明，每个分区所含辐射单元数量较小)。

选中一个分区，通过雷达控制系统控制分区模拟一种故障，并使分区波束指向1号测试天线。记录4个测试天线测得的幅相数据。依次使测试分区波束指向2号测试天线、3号测试天线、4号测试天线，每次均记录4个测试天线的测试幅相数据。将所有测试数据顺序存放，获得该分区的该故障的特征向量，存入数据库中。

按照同样方法对每个分区均模拟不同故障，并进行测试，将不同故障的特征向量存入数据库中，直至数据库中包含所有故障类型。本实施例中仅模拟单辐射单元故障。

测试诊断时，测试天线相对于阵列天线的位置不变。选中一个分区，通过雷达控制系统控制当前分区的进行快拍测试，即：首先使分区波束指向1号测试天线，记录4个测试天线测得的幅相数据，依次使测试分区波束指向2号测试天线、3号测试天线、4号测试天线，进行测试，获得测试向量。

利用相似度算法先比较测试向量与无故障特征向量的相似度，如果相似度大于阈值，则认为该分区无故障，否则再计算与不同故障特征向量的相似度，找出与测试向量最相似的故障特征向量，其对应的故障即为本分区的故障。

通过雷达控制系统控制阵面进行下一分区测试，并进行故障诊断。直至所有分区测试完成。整个阵列天线的测试诊断结束。

表1是本实施例中某分区测试向量与对应特征向量的相似度结果。如表1所示，表中数值为测试向量与特征向量的夹角大小，数值越小表示测试向量与数据库中的特征向量越相似。可以看出，本例中利用4×2分区和间距1m的4个测试天线进行快拍测试，可以对故障进行准确判断，其故障隔离度达到100％。

表1

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种基于分区的阵列天线快速故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将阵列天线划分为N个分区，每个分区包含若干辐射单元；在阵列天线的中场区不同位置固定设置M个测试天线，M的取值范围为M＞1；

S2：对于每个分区，通过雷达控制系统控制关闭分区内的不同辐射单元来模拟各个故障，对无故障和每个模拟故障进行快拍测试得到故障特征向量，快拍测试的方法为：

S2.1：令测试天线序号m＝1；

S2.2：在当前故障情况下，按照预设的幅相参数，通过雷达控制系统控制分区中辐射单元的幅相激励，使分区波束指向第m个测试天线，记录M个测试天线各自测得的幅相数据，即幅度值A_mm′和m′＝1,2,…,M；

S2.3：判断是否m＜M，如果是，令m＝m+1，返回步骤S2.2，否则进入步骤S2.4；

S2.3：根据测得的M组幅相数据构建当前故障对应的特征向量

S3：将所有分区的故障情况及其对应的特征向量一起构建故障数据库，阵列天线需要测试诊断时，分别对每个分区进行一次快拍测试，获得该分区的测试向量，先与该分区的无故障特征向量计算相似度，如果相似度大于预设阈值则该分区没有故障，否则在该分区对应故障特征向量中搜索与测试向量最相似的故障特征向量，对应的故障即为当前分区的故障。

2.根据权利要求1所述的阵列天线快速故障诊断方法，其特征在于，所述测试天线的数量M≥4。