具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例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。

图1为本申请实施例示出的测向方法流程图，如图1所示，本实施例的方法包括步骤S110至步骤S130：

步骤S110，利用预先构建的测向系统接收来波信号，获得测向系统中多条测向基线对应的耦合放大电路对来波信号的响应信号。

其中，多条测向基线一般为5条测向基线以上，例如测向系统为五条基线测向系统、七条基线测向系统等。

本实施例的测向系统是多阵元相位干涉仪测向系统，相位干涉仪测向系统中的两两阵元构之间构成多条测向基线，每条测向基线都对应设置有耦合放大电路，利用耦合放大电路获得对来波信号的响应信号。

步骤S120，根据各条测向基线对应的响应信号，计算出各条测向基线的相位差测量值。

在获得各条测向基线的响应信号之后，可以对响应信号进行傅里叶变换得到频域下的响应信号，通过计算频域下响应信号的幅角即可得到各条测向基线的相位差测量值。

步骤S130，根据各条测向基线的相位差测量值和各条测向基线的相位差理论值，得到来波信号的到达角估计值。

利用现有方法，例如教科书中基于测向系统流型矩阵方法计算出各条测向基线的相位差理论值，由于相位差测量值中混合了测向误差，使相位差测量值与相位差理论值之间的差值最小化，即可估计出来波信号的到达角。

由图1所示可知，本实施例构建包括多条测向基线的测向系统来接收来波信号，多条测向基线可以对远场信号进行全方向的测向，不受测向方位的限制，通过利用多条测向基线的耦合放大电路对接收到的来波信号进行相位差放大，进而得到相位差放大后的响应信号，这样不需要增大测向基线的长度，即可以基于响应信号计算出高精度的来波信号的到达角，有助于实现设备的小型化与高精度，且通过采用多条测向基线的响应信号计算到达角，不但极大地改善了测向边缘的测向精度，还不需要进行解模糊的处理，不会限制来波方向的测向精度。

为便于说明来波信号到达角的计算过程，本申请先通过下述实施例说明多阵元相位干涉仪测向系统。

本实施例构建多阵元的均匀圆阵，在均匀圆阵的中心设置中心阵元，在圆周上均匀设置多个圆周阵元，在由中心阵元和多个圆周阵元构成的多条测向基线上分别设置耦合放大电路，每个耦合放大电路的两输入端分别接入其所在测向基线接收到的来波信号，输出端均接入选择开关，所述选择开关按照设定时间间隔依次选通多个耦合放大电路，获取多个耦合放大电路对来波信号的响应信号。

需要说明的是，本实施例的测向系统还可以采用其他阵型，例如采用多阵元的均匀线阵构建相位干涉仪测向系统，对于测向系统所采用的阵列结果本实施例不作具体限定。

如图2所示，在均匀圆阵的中心设置中心阵元A0，在其半径为r的圆周上均匀地布置N个圆周阵元，这里依次记为A1，……，AN。圆周上每个阵元 Ai(i＝1，……，N)与中心阵元A0之间均设置一耦合方放大电路，记为耦合放大电路i。耦合放大电路i均有两路输入及两路输出，两路输入分别接入中心阵元A0与圆周阵元Ai的来波信号，两路输出分别送至选择开关，选择开关依次选通阵元A0Ai之间的耦合放大电路所输出的响应信号。选择开关的后续电路则对选通的两路响应信号进行滤波、放大、采样，最后对两路采样信号进行相位差提取及测向处理。由于选择，滤波、放大、采样等处理电路与常规干涉仪测向系统的电路无任何差异，这里仅就耦合放大电路予以具体说明。

在耦合放大电路的第一输入端和第二输入端之间串联连接第一电阻R1、第一电感L1、第一电容C1、第二电容C2、第二电感L2和第二电阻R2，在第一电容C1和第二电容C2之间的连接点处连接依次串联接入第三电阻R3、第三电容C3，这里设置第一电阻R1和第二电阻R2为阻值相同的电阻R，设置第一电感L1和第二电感L2为电感值相同的电感L，设置第一电容C1和第二电容C2为电容值相同的电容C。

如图3所示，以第i条测向基线对应的耦合放大电路为例，在第一输入端 v_o(t)和第二输入端v_i(t)之间依次串联连接电阻R、电感L、电容C、电容C、电感L和电阻R，在两个电容C之间的连接点处连接第三电阻R3和第三电容C3，第三电容C3、第一输入端v_o(t)和第二输入端v_i(t)还分别接地。这里第一输入端 v_o(t)接收中心阵元A0的来波信号，第二输入端v_i(t)接收圆周阵元Ai的来波信号，图3中的电流i_o和电流i_i分别为耦合放大电路的输出电流。

如上构建好测向系统之后，即可利用测向系统接收来波信号，选择开关按照设定时间间隔Δt来选通各个测向基线对应的耦合放大电路的响应信号，其中可以根据来波信号的持续时间和测向系统的测向精度设置所述设定时间间隔Δt，设定时间间隔Δt的数值越大，测向精度越高，但如果设定时间间隔Δt太大，在来波信号持续时间内，可能无法获得所有耦合放大电路对来波信号的响应信号，也就是说，设定时间间隔Δt应使得选择开关在来波信号的持续时间内至少完成一轮选通，获得每个耦合放大电路对来波信号的响应信号，在此基础上，基于测向精度设置合适的设定时间间隔Δt。

在测量来波信号的相位差时，根据耦合放大电路的电路结构，构建与电压信号相关的输入输出微分方程，其中电压信号为每条测向基线对应的耦合放大电路对来波信号响应的两组电压信号；对输入输出微分方程组中每个方程两端进行傅里叶变换，得到与相位相关的两组电压响应信号，这里的两组电压响应信号即为耦合放大电路对来波信号的响应信号。

以图3所示的第i条测向基线对应的耦合放大电路为例，该耦合放大电路对应的输入输出微分方程可构建为：

在式(1)中，u_o(t)和u_i(t)分别为图3中第一电容和第二电容两端的电压，也为耦合放大电路的第一输出端和第二输出端，第一输出端一般是连接选择开关的基础端，第二输出端一般是连接选择开关的选通端；在式(1)中，还有 和分别为v_i(t)对时间t的两阶微分和一阶微分，和分别为v_o(t)对时间t的两阶微分和一阶微分。

对上述式(1)进行傅里叶变换，可以得到：

在式(2)中，U_i(ω)和U_o(ω)分别表示u_i(t)和u_o(t)的傅里叶变换，V_i(ω)和 V_o(ω)分别表示v_i(t)和v_o(t)的傅里叶变换，ω为频率，

将上述N₁(ω)、N₂(ω)和P(ω)代入上述式(2)可以得到：

为简化响应信号的表示，对上述式(3)进行如下的变换处理。

对图1所示的N+1阵元的均匀圆阵，不失一般性地，建立如图4所示的测向系统坐标系，假设阵元A0A1连线为y轴，以右手螺旋法则确定x轴，同时以y轴顺时针旋转至来波矢量的夹角为到达角α。

以中心阵元A0为参考阵元，则不失一般性可以假设V_o(ω)＝1，这样其中，c为光速。此时，将与V_o(ω)＝1 代入式(3)可以得到：

上述式(4)中的U_i(ω)和U_o(ω)即为第i条测向基线的耦合放大电路输出的响应信号。

这里，每个耦合放大电路输出的响应信号均为两组，U_i(ω)对应为圆周阵元Ai对来波信号经过耦合放大电路后所得到的响应信号，U_o(ω)对应为中心阵元A0对来波信号经过耦合放大电路后所得到的响应信号。

在得到各条测向基线对应的响应信号之后，即可以根据各条测向基线的两组电压响应信号，分别计算两组电压响应信号比值的虚部和实部；计算所述虚部与所述实部的比值的四象限反正切函数，得到各条测向基线的相位差测量值。具体而言，可以根据下述式(5)计算得到各条测向基线的相位差测量值

在式(5)中，运算符arg(X)指取复数X的幅角，运算符imag(X)指取复数 X的虚部，运算符real(X)指取复数X的实部，运算符atan2(Y)指取实数Y的四象限反正切函数。

本实施例对各条测向基线的相位差测量值和各条基线的相位差理论值的差值采用最小二乘法准则，计算出来波信号的到达角估计值，即可以根据式(6) 计算出到达角估计值

在式(6)中，矢量矢量f(α)＝[f₁(α),...,f_N(α)]^T，f_N(α)为在到达角为α时，基于测向系统流型矩阵计算得到的测向基线A0Ai经过耦合放大后的相位差，变量ξ为来波方向变量，运算符||A||指取矢量A的二范数。

经过上述步骤之后，即可得到来波方向的到达角估计值。

为说明本实施例测向方法所得到来波方向到达角的精度，以下述具体应用场景为例，在该具体应用场景中，利用六阵元(圆周布置五个阵元)的均匀圆阵接收频率为30MHz的远场信号，对接收到的远场信号进行耦合放大电路的放大处理，这里耦合放大电路参数R＝0.5Ω、R₃＝20Ω、L＝5×10^-11H、C＝1×10^-5C、 C₃＝2×10^-5C。均匀圆阵的半径为0.5米，图5给出了五条测向基线对于各波达角(即来波信号的到达角)经耦合放大电路实现的相位差放大倍数，可见每条基线平均可将相位差放大50倍左右。

假设相位差测向误差时，图6示出了各个波达角的测向误差统计值 (每个波达角2000个样本)，为直观说明本实施例测向误差小，测向精度高的特点，图6还示出了各个波达角基于传统未经耦合放大相位差的测向误差统计值，对比可知，本实施例的测向方法可以显著地降低测向误差。此外，结合图 7示出的本实施例测向方法在各个波达角的测向误差缩小倍数，可知，测向误差缩小倍数与波达角存在显著关系，本实施例测向方法的缩小倍数均在4.3倍以上，最大缩小倍数可达54.8倍，这也证明本实施例测向方法的有效性。

综合上述，本实施例的测向方向在不需要增大测向基线长度的情况下，即可获得高精度的测向结果，实现了设备的小型化与高精度化。与本实施例测向方法相对应，本实施例还提供了一种测向装置。

图8为本申请实施例示出的测向装置的结构框图，如图8所示，本实施例的测向装置800包括：

相位放大单元810，用于利用预先构建的测向系统接收来波信号，获得测向系统中多条测向基线对应的耦合放大电路对来波信号的响应信号；

相位差计算单元820，用于根据各条测向基线对应的响应信号，计算出各条测向基线的相位差测量值；

到达角计算单元830，根据各条测向基线的相位差测量值和各条测向基线的相位差理论值，得到来波信号的到达角估计值。

在一些实施例中，测向装置800还包括模型构建单元，模型构建单元用于构建多阵元的均匀圆阵，在均匀圆阵的中心设置中心阵元，在圆周上均匀设置多个圆周阵元；在由中心阵元和多个圆周阵元构成的多条测向基线上分别设置耦合放大电路，每个耦合放大电路的两输入端分别接入其所在测向基线接收到的来波信号，输出端均接入选择开关，所述选择开关按照设定时间间隔依次选通多个耦合放大电路，获取多个耦合放大电路对来波信号的响应信号。

其中，模型构建单元根据来波信号的持续时间和测向系统的测向精度设置所述设定时间间隔。

模型构建单元，还在耦合放大电路的第一输入端和第二输入端之间串联连接第一电阻、第一电感、第一电容、第二电容、第二电感和第二电阻；在第一电容和第二电容之间的连接点处连接第三电阻、第三电容；其中第一电阻和第二电阻为阻值相同的电阻，第一电感和第二电感为电感值相同的电感，设置第一电容和第二电容为电容值相同的电容。

用于获取数学模型中优化目标所涉及的模型参数值，所述模型参数值包括：发射角对应的导向矢量值、接收阵元与发射阵元之间信道的耦合矢量值、期望最大增益值；以及获取数学模型中约束条件所涉及的接收阵元功率阈值。

在一些实施例中，相位差计算单元820，用于根据耦合放大电路的电路结构，构建与电压信号相关的输入输出微分方程组，所述电压信号为每条测向基线对应的耦合放大电路对来波信号响应的两组电压信号；对所述输入输出微分方程组中每个方程两端进行傅里叶变换，得到与相位相关的两组电压响应信号。

在一些实施例中，相位放大单元810包括响应信号计算模块，用于根据耦合放大电路的电路结构，构建与电压信号相关的输入输出微分方程组，所述电压信号为每条测向基线对应的耦合放大电路对来波信号响应的两组电压信号；对所述输入输出微分方程组中每个方程两端进行傅里叶变换，得到与相位相关的两组电压响应信号。

在一些实施例中，相位差计算单元820，用于根据各条测向基线的两组电压响应信号，分别计算两组电压响应信号比值的虚部和实部；计算所述虚部与所述实部的比值的四象限反正切函数，得到各条测向基线的相位差测量值。

到达角计算单元830，用于对各条测向基线的相位差测量值和各条基线的相位差理论值的差值采用最小二乘法准则，计算出来波信号的到达角估计值。

能够理解，上述测向装置，能够实现前述实施例中提供的测向方法的各个步骤，关于测向方法的相关阐释均适用于测向装置，此处不再赘述。

图9本申请实施例中测向装置的结构示意图。请参考图9，在硬件层面，该测向装置包括处理器、内部总线和存储器，可选地还包括网络接口。其中，存储器可能包含内存，例如高速随机存取存储器(Random-Access Memory， RAM)，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少1个磁盘存储器等。当然，该测向装置还包括其他业务所需要的硬件，如天线阵列，利用天线阵列接收来波信号。

处理器、网络接口和存储器可以通过内部总线相互连接，该内部总线可以是ISA(Industry Standard Architecture，工业标准体系结构)总线、PCI(PeripheralComponent Interconnect，外设部件互连标准)总线或EISA(Extended Industry StandardArchitecture，扩展工业标准结构)总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图9中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

存储器，用于存放程序。具体地，程序可以包括程序代码，所述程序代码包括计算机操作指令。存储器可以包括内存和非易失性存储器，并向处理器提供指令和数据。

处理器从非易失性存储器中读取对应的计算机程序到内存中然后运行，在逻辑层面上形成测向装置。处理器，执行存储器所存放的程序实现如上文描述的测向方法。

上述如本申请图1所示实施例揭示的测向方法可以应用于处理器中，或者由处理器实现。处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述测向方法的步骤。

本申请实施例还提出了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储一个或多个程序，该一个或多个程序包括指令，该指令当被包括多个应用程序的测向装置执行时，能够实现图1所示的测向方法。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、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。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置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。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供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步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

内存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(flash RAM)。内存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(transitory media)，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，并不排除在包括所述要素的过程、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。

以上所述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。