一种阵列天线系统故障诊断方法及装置与流程
本申请涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种阵列天线系统故障诊断方法及装置，可在无参考信号的条件下实施故障诊断。
背景技术：
在当前以及未来的无线通信系统中，阵列天线是关键技术之一。近年来，阵列天线系统故障诊断方法得到了广泛研究，目前提出的阵列天线系统故障诊断方法需要依赖于精确的参考信号，参考信号可以通过在微波暗室中特定位置部署参考信号发射源并根据空间坐标计算得到，在微波暗室中可精确控制无线环境，来确保参考信号的精确性。然而，这样的参考信号生成方法不适用于户外场景中的在线诊断。
因此，在不依赖精确参考信号的情况下，如何实现对阵列天线系统中故障天线阵元的检测与定位，是本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现要素：
本申请提供了一种阵列天线系统故障诊断方法及装置，在不依赖精确参考信号的情况下，实现对阵列天线系统中故障天线阵元的检测与定位。
为了实现上述目的，本申请提供了以下技术方案：
一种阵列天线系统故障诊断方法，包括：
获取待诊断阵列天线系统的空域无线信号，得到信号y或者y，其中，y为均匀线性阵列采样信号，y为均匀平面阵列采样信号；
根据所述待诊断阵列天线系统的阵列构型，确定与所述阵列构型对应的故障诊断方法，所述陈列构型为均匀线性阵列或均匀平面阵列；
将所述空域无线信号作为输入，运行所述故障诊断方法，得到天线阵元的故障响应系数；
根据所述天线阵元的故障响应系数，得到所述待诊断阵列天线系统的故障天线阵元的索引。
优选的，当所述待诊断阵列天线系统的阵列构型为均匀线性阵列时，所述将所述空域无线信号作为输入，运行所述故障诊断方法，得到天线阵元的故障响应系数，具体为：
将所述空域无线信号作为输入，根据公式γ＝[γ1,γ2,...,γg]计算得到离散化角度集合γ，其中，
根据公式aγ＝[a(γ1)，...，a(γg)]计算得到名义观测矩阵aγ，其中，
根据公式
根据公式
优选的，当所述待诊断阵列天线系统的阵列构型为均匀平面阵列时，所述将所述空域无线信号作为输入，运行所述故障诊断方法，得到天线阵元的故障响应系数，具体为：
将所述空域无线信号作为输入，根据公式
优选的，所述根据所述天线阵元的故障响应系数，得到所述待诊断阵列天线系统的故障天线阵元的索引，具体为：
根据公式|fn|＞th确定满足条件的天线阵元索引，所述满足条件的天线阵元索引作为所述待诊断阵列天线系统的故障天线阵元的索引，其中，fn为第n个天线阵元的故障响应系数，th为判决门限。
一种阵列天线系统故障诊断装置，包括：
第一处理单元，用于获取待诊断阵列天线系统的空域无线信号，得到信号y或者y，其中，y为均匀线性阵列采样信号，y为均匀平面阵列采样信号；
第二处理单元，用于根据所述待诊断阵列天线系统的阵列构型，确定与所述阵列构型对应的故障诊断方法，所述陈列构型为均匀线性阵列或均匀平面阵列；
第三处理单元，用于将所述空域无线信号作为输入，运行所述故障诊断方法，得到天线阵元的故障响应系数；
第四处理单元，用于根据所述天线阵元的故障响应系数，得到所述待诊断阵列天线系统的故障天线阵元的索引。
优选的，当所述待诊断阵列天线系统的阵列构型为均匀线性阵列时，所述第三处理单元具体用于：
将所述空域无线信号作为输入，根据公式γ＝[γ1,γ2,...,γg]计算得到离散化角度集合γ，其中，
根据公式aγ＝[a(γ1)，...，a(γg)]计算得到名义观测矩阵aγ，其中，
根据公式
根据公式
优选的，当所述待诊断阵列天线系统的阵列构型为均匀平面阵列时，所述第三处理单元具体用于：
将所述空域无线信号作为输入，根据公式
优选的，所述第四处理单元具体用于：
根据公式|fn|＞th确定满足条件的天线阵元索引，所述满足条件的天线阵元索引作为所述待诊断阵列天线系统的故障天线阵元的索引，其中，fn为第n个天线阵元的故障响应系数，th为判决门限。
一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述存储介质所在的设备执行如上述所述的阵列天线系统故障诊断方法。
一种电子设备，所述电子设备包括至少一个处理器、以及与所述处理器连接的至少一个存储器、总线；其中，所述处理器、所述存储器通过所述总线完成相互间的通信；所述处理器用于调用所述存储器中的程序指令，以执行如上述所述的阵列天线系统故障诊断方法。
本申请提供的一种阵列天线系统故障诊断方法及装置，通过对待诊断阵列天线系统的空域无线信号(均匀线性阵列采样信号或均匀平面阵列采样信号)的采样与处理，根据待诊断阵列天线系统的阵列构型(均匀线性阵列或均匀平面阵列)，确定与阵列构型对应的故障诊断方法；将空域无线信号作为输入，运行故障诊断方法，得到天线阵元的故障响应系数；根据天线阵元的故障响应系数，得到待诊断阵列天线系统的故障天线阵元的索引。本申请通过对待诊断阵列天线系统的空域无线信号的采样与处理，故障诊断能在无参考信号的条件下进行，可以检测并定位阵列天线系统中的故障器件，相比传统的阵列天线系统诊断方法，能够降低故障诊断的复杂度与硬件开销。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种阵列天线系统故障诊断方法流程示意图；
图2为本申请实施例提供的阵列天线系统诊断方法的均匀线性阵列的诊断结果展示示意图；
图3为本申请实施例提供的阵列天线系统诊断方法的均匀平面阵列的诊断结果展示示意图；
图4为本申请实施例提供的阵列天线系统诊断方法的诊断成功概率性能示意图；
图5为本申请实施例提供的一种阵列天线系统故障诊断装置结构示意图；
图6为本申请实施例提供的一种电子设备结构示意图。
具体实施方式
申请人发现，随着对系统吞吐量要求的不断增加，阵列天线系统中的器件数量急剧提升，系统结构也日益复杂。然而，阵列天线系统的可靠性问题也随着系统规模的增加而日益突出。例如，集成在单个基板上的多个天线阵元很容易受到外部环境因素(例如沙尘、水渍等)的影响而产生遮挡覆盖，从而导致发射/接收信号功率降低，另外，一些毫米波频段器件较低的热效率和较高的运行频率也直接导致了器件本身的低可靠性。此外，一些新型的阵列天线系统架构(例如混合波束赋形系统)中采用的混合交叉连接结构使得系统复杂性进一步增加，同时也导致器件之间的高度相关性，使得故障器件的影响极易扩散至整个系统，当系统中存在故障器件时，会导致接收信号功率降低、天线方向图失真等一系列问题，最终使得系统性能大幅下降。因此，用于故障器件检测与定位的诊断方法是阵列天线系统维护工作中不可或缺的一部分。
然而，目前提出的阵列天线系统故障诊断方法需要依赖于精确的参考信号，参考信号可以通过在微波暗室中特定位置部署参考信号发射源并根据空间坐标计算得到，在微波暗室中可精确控制无线环境，来确保参考信号的精确性。而对于户外的无线环境而言，户外的无线环境不可能像微波暗室一样可以精确控制，而会受到多径散射等各种衰落因素的影响导致无法根据空间坐标可靠计算参考信号；另外，受限于户外在线诊断场景，参考信号发射源的部署也会极为困难，因此，通过控制无线环境来生成参考信号的方法不适用于户外场景中的在线诊断。
为此，本申请提供一种阵列天线系统故障诊断方法及装置，
本申请的发明目的在于：在不依赖精确参考信号的情况下，实现对阵列天线系统中故障天线阵元的检测与定位。
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
请参见附图2，本申请实施例提供一种阵列天线系统故障诊断方法流程图。如图2所示，本申请实施例提供一种阵列天线系统故障诊断方法，该方法具体包括如下步骤：
s11：获取待诊断阵列天线系统的空域无线信号，得到均匀线性阵列采样信号或均匀平面阵列采样信号。
其中，均匀线性阵列采样信号记作y，均匀平面阵列采样信号记作y。
s12：根据所述待诊断阵列天线系统的阵列构型，确定与所述阵列构型对应的故障诊断方法，所述陈列构型为均匀线性阵列或均匀平面阵列。
s13：将所述空域无线信号作为输入，运行所述故障诊断方法，得到天线阵元的故障响应系数。
需要说明的是，本申请实施例中，分别以均匀线性阵列和均匀平面阵列的诊断为例进行介绍。
本申请实施例中，当所述待诊断阵列天线系统的阵列构型为均匀线性阵列时，所述将所述空域无线信号作为输入，运行所述故障诊断方法，得到天线阵元的故障响应系数，具体为：
将所述空域无线信号作为输入，根据公式γ＝[γ1,γ2,...,γg]计算得到离散化角度集合γ，其中，
根据公式aγ＝[a(γ1)，...，a(γg)]计算得到名义观测矩阵aγ，其中，
根据公式
根据公式
具体的，对于均匀线性阵列：
首先，可以将[-π/2,π/2]的连续角域进行离散化，得到一个包含有g＝cn个离散角度值的离散化角度集合γ＝[γ1,γ2,...,γg]，其中
现假设有k个信号入射阵列，由于实际的入射信号角度是在[-π/2,π/2]区间中连续取值的，因此将κ＝[κ1,κ2,...,κg]定义为真实但未知的离散化角度栅格，其中同样包含有g＝cn个离散角度值。则接收到的信号可写为如下形式：
其中，xg是第g个格点对应的入射信号的增益，
根据一阶泰勒展开，有下式成立：
y′＝aκx≈(aγ+bdiag(β))x
其中，
当系统中存在故障天线阵元和观测噪声时，所观测得到的信号可以写为如下形式：
y＝(aγ+bdiag(β))x+f+w
其中，f为故障响应系数，完好天线阵元的故障响应系数为0，而故障天线阵元的故障响应系数不为0；w为观测噪声。
注意到：入射信号的数量是要远小于天线阵元总数n的，因此，x为一个稀疏信号(稀疏度为k)；而由于一般情况下故障阵元数量是要远低于系统中天线阵元总数的，因此，f也是一个稀疏信号。而从公式y＝(aγ+bdiag(β))x+f+w可以看出，信号x和信号f分别在字典(aγ+bdiag(β))和单位阵下呈现出稀疏特性。因此，可以通过求解如下优化问题获得信号x和信号f：
其中，s.t.表示“subjectto”，即“受限于”，这是数学中常用的缩写，||·||1表示l1范数，||·||2表示l2范数，δ为噪声水平；信号
如图2所示，为本申请实施例提供的阵列天线系统诊断方法的均匀线性阵列的诊断结果展示示意图。其中阵列天线的阵元数量为64，故障天线阵元的索引为32和50；入射信号个数为4，其增益服从独立且相同的单位复高斯分布且到达角服从[-π/2,π/2]区间内的均匀分布；信号噪声功率比为30分贝。图(a)为阵列各个阵元的接收信号强度，图(b)为各个阵元的故障响应系数。从图2可以看出，在无参考信号的情况下是无法判断故障阵元的，而本发明所提出的诊断方法可以成功判断出故障阵元的位置并求出故障响应系数。
本申请实施例中，当所述待诊断阵列天线系统的阵列构型为均匀平面阵列时，所述将所述空域无线信号作为输入，运行所述故障诊断方法，得到天线阵元的故障响应系数，具体为：
将所述空域无线信号作为输入，根据公式
具体的，对于均匀平面阵列：
对于均匀平面阵列，可以将阵列接收到的信号表示为如下形式：
其中，αk表示第k个入射信号的增益，k为入射信号的数量；h和w分别为垂直和水平方向的阵元数量；
当系统中存在故障天线阵元和观测噪声时，所观测得到的信号可以写为如下形式：
y＝y′+f+w
其中，f为故障响应系数，完好天线阵元的故障响应系数为0，而故障天线阵元的故障响应系数不为0；w为观测噪声。
注意到：入射信号的数量是要远小于min(h,w)的，因此y′为一个低秩矩阵(秩为k)；而由于一般情况下故障阵元数量是要远低于系统中天线阵元总数的，因此，f为一个稀疏矩阵。因此，可以采用稀疏与低秩矩阵分解算法求解如下的优化问题从而得到f：
其中，||·||*表示核范数，λ为正则化参数；信号
如图3所示，为本申请实施例提供的阵列天线系统诊断方法的均匀平面阵列的诊断结果展示示意图。其中阵列天线的阵元数量为4096，故障天线阵元的索引为(16，62)、(14，35)、(29，15)、(51，36)、(47，11)；入射信号个数为4，其增益服从独立且相同的单位复高斯分布且到达角服从[-π/2,π/2]区间内的均匀分布；信号噪声比为30分贝。图(a)为阵列各个阵元的接收信号强度，图(b)为各个阵元的故障响应系数。从图3可以看出，在无参考信号的情况下是无法判断故障阵元的，而本发明所提出的诊断方法可以成功判断出故障阵元的位置并求出故障响应系数。
s14：根据所述天线阵元的故障响应系数，得到所述待诊断阵列天线系统的故障天线阵元的索引。
本申请实施例中，上述所述根据所述天线阵元的故障响应系数，得到所述待诊断阵列天线系统的故障天线阵元的索引，具体可以为：
根据公式|fn|＞th确定满足条件的天线阵元索引，所述满足条件的天线阵元索引作为所述待诊断阵列天线系统的故障天线阵元的索引，其中，fn为第n个天线阵元的故障响应系数，th为判决门限。
如图4所示，为本申请实施例提供的阵列天线系统诊断方法的诊断成功概率性能示意图。图4以诊断成功概率为指标。成功概率越高说明诊断效果越好。设置不同的故障阵元数为1、2、3(图(a)，均匀线性阵列)以及1、5、10(图(b)，均匀平面阵列)。图3(a)的三条曲线分别用圆形“●”、交叉符号“×”以及空心圆形“○”为曲线的节点作为区分，图3(b)的三条曲线同样分别用圆形“●”、交叉符号“×”以及空心圆形“○”为曲线的节点作为区分。随着信号噪声功率比的增加，成功概率逐渐增加。另外，随着故障阵元数量的增加，相同信号噪声功率比下的成功概率是逐渐降低的。
本申请实施例提供的一种阵列天线系统故障诊断方法，通过对待诊断阵列天线系统的空域无线信号(均匀线性阵列采样信号或均匀平面阵列采样信号)的采样与处理，根据待诊断阵列天线系统的阵列构型(均匀线性阵列或均匀平面阵列)，确定与阵列构型对应的故障诊断方法；将空域无线信号作为输入，运行故障诊断方法，得到天线阵元的故障响应系数；根据天线阵元的故障响应系数，得到待诊断阵列天线系统的故障天线阵元的索引。本申请实施例通过对待诊断阵列天线系统的空域无线信号的采样与处理，故障诊断能在无参考信号的条件下进行，可以检测并定位阵列天线系统中的故障器件，相比传统的阵列天线系统诊断方法，能够降低故障诊断的复杂度与硬件开销。
请参阅图5，基于上述实施例公开的一种阵列天线系统故障诊断方法，本实施例对应公开了一种阵列天线系统故障诊断装置，具体的，该装置包括：
第一处理单元51，用于获取待诊断阵列天线系统的空域无线信号，得到均匀线性阵列采样信号或均匀平面阵列采样信号；
第二处理单元52，用于根据所述待诊断阵列天线系统的阵列构型，确定与所述阵列构型对应的故障诊断方法，所述陈列构型为均匀线性阵列或均匀平面阵列；
第三处理单元53，用于将所述空域无线信号作为输入，运行所述故障诊断方法，得到天线阵元的故障响应系数；
第四处理单元54，用于根据所述天线阵元的故障响应系数，得到所述待诊断阵列天线系统的故障天线阵元的索引。
优选的，当所述待诊断阵列天线系统的阵列构型为均匀线性阵列时，所述第三处理单元53具体用于：
将所述空域无线信号作为输入，根据公式γ＝[γ1,γ2,...,γg]计算得到离散化角度集合γ，其中，
根据公式aγ＝[a(γ1)，...，a(γg)]计算得到名义观测矩阵aγ，其中，
根据公式
根据公式
优选的，当所述待诊断阵列天线系统的阵列构型为均匀平面阵列时，所述第三处理单元53具体用于：
将所述空域无线信号作为输入，根据公式
优选的，所述第四处理单元54具体用于：
根据公式|fn|＞th确定满足条件的天线阵元索引，所述满足条件的天线阵元索引作为所述待诊断阵列天线系统的故障天线阵元的索引，其中，fn为第n个天线阵元的故障响应系数，th为判决门限。
所述阵列天线系统故障诊断装置包括处理器和存储器，上述第一处理单元、第二处理单元、第三处理单元和第四处理单元等均作为程序单元存储在存储器中，由处理器执行存储在存储器中的上述程序单元来实现相应的功能。
处理器中包含内核，由内核去存储器中调取相应的程序单元。内核可以设置一个或以上，通过调整内核参数来达到在不依赖精确参考信号的情况下，实现对阵列天线系统中故障天线阵元的检测与定位，相比传统的阵列天线系统诊断方法，能够降低故障诊断的复杂度与硬件开销。
本申请实施例提供了一种存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现所述阵列天线系统故障诊断方法。
本申请实施例提供了一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行所述阵列天线系统故障诊断方法。
本申请实施例提供了一种电子设备，如图6所示，该电子设备60包括至少一个处理器601、以及与所述处理器连接的至少一个存储器602、总线603；其中，所述处理器601、所述存储器602通过所述总线603完成相互间的通信；处理器601用于调用所述存储器602中的程序指令，以执行上述的所述阵列天线系统故障诊断方法。
本文中的电子设备可以是服务器、pc、pad、手机等。
本申请还提供了一种计算机程序产品，当在数据处理设备上执行时，适于执行初始化有如下方法步骤的程序：
获取待诊断阵列天线系统的空域无线信号，得到信号y或者y，其中，y为均匀线性阵列采样信号，y为均匀平面阵列采样信号；
根据所述待诊断阵列天线系统的阵列构型，确定与所述阵列构型对应的故障诊断方法，所述陈列构型为均匀线性阵列或均匀平面阵列；
将所述空域无线信号作为输入，运行所述故障诊断方法，得到天线阵元的故障响应系数；
根据所述天线阵元的故障响应系数，得到所述待诊断阵列天线系统的故障天线阵元的索引。
优选的，当所述待诊断阵列天线系统的阵列构型为均匀线性阵列时，所述将所述空域无线信号作为输入，运行所述故障诊断方法，得到天线阵元的故障响应系数，具体为：
将所述空域无线信号作为输入，根据公式γ＝[γ1,γ2,...,γg]计算得到离散化角度集合γ，其中，
根据公式aγ＝[a(γ1)，...，a(γg)]计算得到名义观测矩阵aγ，其中，
根据公式
根据公式
优选的，当所述待诊断阵列天线系统的阵列构型为均匀平面阵列时，所述将所述空域无线信号作为输入，运行所述故障诊断方法，得到天线阵元的故障响应系数，具体为：
将所述空域无线信号作为输入，根据公式
优选的，所述根据所述天线阵元的故障响应系数，得到所述待诊断阵列天线系统的故障天线阵元的索引，具体为：
根据公式|fn|＞th确定满足条件的天线阵元索引，所述满足条件的天线阵元索引作为所述待诊断阵列天线系统的故障天线阵元的索引，其中，fn为第n个天线阵元的故障响应系数，th为判决门限。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
在一个典型的配置中，设备包括一个或多个处理器(cpu)、存储器和总线。设备还可以包括输入/输出接口、网络接口等。
存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(ram)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(rom)或闪存(flashram)，存储器包括至少一个存储芯片。存储器是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitorymedia)，如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
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