專利名稱：寬帶波束形成設(shè)備,寬帶波束導(dǎo)向設(shè)備及相應(yīng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及寬帶波束形成設(shè)備和方法，以及寬帶波束導(dǎo)向(steering)設(shè)備和方法。本發(fā)明還涉及用于對(duì)場(chǎng)景成像的有源成像設(shè)備及其相應(yīng)的方法。此外，本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)程序及存儲(chǔ)這樣的計(jì)算機(jī)程序的計(jì)算機(jī)可讀非臨時(shí)性介質(zhì)。
背景技術(shù)：
對(duì)于包括醫(yī)學(xué)和安全應(yīng)用的許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，包括波束形成的有源成像系統(tǒng)在超聲波、微波、毫米波和太赫茲頻率上變得越來(lái)越普遍。有源成像系統(tǒng)中的發(fā)送器(在此也稱為“發(fā)送單元”)和接收器(在此也稱為“接收單元”)的配置可以采用許多不同的形式。在與本發(fā)明相關(guān)的實(shí)施例中，多個(gè)發(fā)送器和接 收器共同運(yùn)作以形成MMO雷達(dá)(或者M(jìn)MO有源成像系統(tǒng))。主要有兩種不同類型的MMO雷達(dá)。第一種類型稱為統(tǒng)計(jì)ΜΙΜ0，其中天線(通常是“發(fā)送單元”和“接收單元”)彼此遠(yuǎn)離地放置，以提供物體(通常為“場(chǎng)景”)的不同視圖。第二種類型的MIMO稱為波束形成(或協(xié)同定位)ΜΙΜ0，其中天線彼此接近地放置，并共同行動(dòng)以形成一個(gè)“虛擬的”波束形成陣列。為在波束形成設(shè)備中的接收器上執(zhí)行波束形成，通常多個(gè)接收天線用于執(zhí)行波束形成。這樣的配置可以使用一個(gè)發(fā)送天線或者可以使用多個(gè)發(fā)送天線與多個(gè)接收天線相組合以執(zhí)行MIMO波束形成?；蛘?，波束形成可以使用多個(gè)發(fā)送天線在波束導(dǎo)向設(shè)備中的發(fā)送器上排他地執(zhí)行。這里應(yīng)該注意的是，在下文中參考僅在發(fā)送器側(cè)執(zhí)行波束形成(波束導(dǎo)向)時(shí)的波束導(dǎo)向設(shè)備及方法，并且在下文中參考僅在接收器側(cè)執(zhí)行波束形成時(shí)的波束形成設(shè)備及方法。更具體地，波束形成和波束導(dǎo)向都使用權(quán)重來(lái)形成波束圖案。其區(qū)別是，在發(fā)送器側(cè)，波束導(dǎo)向通常僅使用一個(gè)權(quán)重向量來(lái)形成波束圖案并將其向空間輻射(即，在某個(gè)時(shí)刻物理上僅存在一個(gè)輻射圖案)。在接收器側(cè)，數(shù)字波束形成可以使用多個(gè)權(quán)重向量來(lái)同時(shí)并行地形成多個(gè)波束圖案并得到多個(gè)波束形成后的輸出。一維波束形成一般與其他技術(shù)(即，合成孔徑雷達(dá))相結(jié)合以形成2D圖像。或者，可以以二維方式執(zhí)行波束形成以形成2D圖像。為了產(chǎn)生物體的完整3D圖像(或者具有附加的距離/深度信息的2D圖像)，這種配置典型地發(fā)送寬帶連續(xù)波形(即，頻率調(diào)制的連續(xù)波(FMCW))或者寬帶脈沖以提供范圍(距離)信息。大多數(shù)實(shí)現(xiàn)寬帶波束形成的傳統(tǒng)方法利用濾波器組(bank)。這些方法在時(shí)域中與二維濾波器組一起工作，或者在頻域(在FFT之后)中運(yùn)行，分別對(duì)每個(gè)頻帶進(jìn)行濾波。它們力求將寬帶信號(hào)分成單獨(dú)窄帶濾波的許多子頻帶，或者力求提供頻率不變的波束形成。在下面的文件中描述了為雷達(dá)和通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)寬帶波束形成的示例性方法。2010年8月13日，2010國(guó)際波形多樣性及設(shè)計(jì)會(huì)議，Z. Hu等人的“用于寬帶波束形成的基于查找表的架構(gòu)設(shè)計(jì)”(Z. Hu et al, " Design of Look-up Based Architecturefor Wideband Beam forming;/ ,2010 International Waveform Diversity and DesignConference August 08-132010),描述了如何通過(guò)在2D中使用時(shí)間濾波或者通過(guò)使用跟隨著ID濾波的FFT來(lái)實(shí)現(xiàn)寬帶波束形成。具體地，它描述了在ADC之后使用2D濾波器組。為了以這種方式執(zhí)行寬帶波束形成，ADC的采樣速率需要大于發(fā)送信號(hào)的帶寬的兩倍。2010年6月14日至16日，IEEE國(guó)家航空航天與電子會(huì)議，Z. Hu等人的“魯棒寬帶波束形成，，(Z. Hu et at, " Robust Wideband Beam forming" , IEEE National Aero-spaceand Electronics Conference, July 14_16th 2010),描述了實(shí)現(xiàn)寬帶波束形成的魯棒優(yōu)化的方法。與上述Z. Hu的論文中相 同的方式，在ADC之后使用2D濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)寬帶波束形成。2007年11月，軟件定義的無(wú)線電論壇論文集,B. Matthews等人的“使用基于更新的頻域?qū)?shù)的寬帶雷達(dá)自適應(yīng)波束形成”(B. Matthews et al, " Wideband Radar AdaptiveBeam forming using Frequency Domain derivative based updating")，描述了一種執(zhí)行寬帶自適應(yīng)波束形成以緩和寬帶干擾(wideband jammer)影響的方法。具體地，所提出的方法包含上述Z. Hu的論文中描述過(guò)的觀點(diǎn)(即，2D濾波或頻域?yàn)V波)，此外還提出寬帶協(xié)方差矩陣的計(jì)算以找到最佳權(quán)重。2009年6月，ETRI雜志，第31冊(cè)，第3頁(yè)，M. _S. Lee的“用于使用天線切換的平面相控雷達(dá)陣列的寬帶卡蓬波束形成”(M.-S. Lee, " Wideband Capon Beam forming for aplanar phased radar array with antenna switching")，描述了一種FMCW系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用2D天線陣列，其中該2D天線陣列的每行順序地被切換到波束形成陣列。波束形成器的權(quán)重根據(jù)選擇哪一行和在該時(shí)間期間可能已經(jīng)出現(xiàn)的啁啾(chirp)波形中的對(duì)應(yīng)的頻率差而變化。此外，該論文僅涉及需要計(jì)算接收到的信號(hào)的協(xié)方差的卡蓬波束形成的使用。美國(guó)專利6，940，917B2描述了一種波束導(dǎo)向多載波(或0FDM)通信系統(tǒng)。每個(gè)不同頻率的載波在相同的時(shí)間被發(fā)送，并且被分配一個(gè)不同的加權(quán)向量。發(fā)明概述本發(fā)明的一個(gè)目的是，提供一種簡(jiǎn)單有效的在接收器側(cè)用于寬帶數(shù)字波束形成的波束形成設(shè)備及相應(yīng)的方法，以及一種簡(jiǎn)單有效的在發(fā)送器側(cè)用于寬帶數(shù)字波束導(dǎo)向的波束導(dǎo)向設(shè)備及相應(yīng)的方法，所述設(shè)備及方法能夠?qū)Πl(fā)送的和/或接收的信號(hào)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單有效的波束形成。本發(fā)明的另一個(gè)目的是，提供相應(yīng)的有源成像設(shè)備和方法，以及相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序，用以在軟件中實(shí)施所述波束形成方法，以及存儲(chǔ)這樣的計(jì)算機(jī)程序的計(jì)算機(jī)可讀的非臨時(shí)性介質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供用于對(duì)一個(gè)場(chǎng)景成像的波束形成設(shè)備，包括寬帶發(fā)送單元，包括向場(chǎng)景發(fā)送輻射的至少一個(gè)發(fā)送天線，其中輻射的頻率在一個(gè)寬帶頻率范圍內(nèi)以確定的方式隨時(shí)間變化；接收器單元，包括至少兩個(gè)接收天線和至少一個(gè)接收部件，從所述場(chǎng)景接收輻射并從所述接收到的輻射中生成接收信號(hào)；以及波束形成單元，其通過(guò)使用波束形成權(quán)重執(zhí)行波束形成，以形成接收波束并從所述接收信號(hào)中獲得波束形成的輸出信號(hào)，其中對(duì)接收信號(hào)的不同樣本或連續(xù)樣本群組來(lái)說(shuō)，樣本表示在不同頻率處的所述接收信號(hào)，依賴于頻率的權(quán)重被用于波束形成，所述依賴于頻率的權(quán)重適合于產(chǎn)生預(yù)定形狀的所述接收波束。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供用于對(duì)一個(gè)場(chǎng)景成像的波束導(dǎo)向設(shè)備，包括寬帶發(fā)送單元，包括向場(chǎng)景發(fā)送輻射的至少兩個(gè)發(fā)送天線，其中輻射的頻率在一個(gè)寬帶頻率范圍內(nèi)以確定的方式隨時(shí)間變化；接收器單元，包括至少一個(gè)接收天線和至少一個(gè)接收部件，從所述場(chǎng)景中接收輻射并從所述接收到的輻射中生成接收信號(hào)；以及波束導(dǎo)向單元，其通過(guò)使用波束導(dǎo)向權(quán)重執(zhí)行波束導(dǎo)向，以從所述發(fā)送的輻射中形成發(fā)送波束，其中對(duì)發(fā)送的輻射的不同樣本或連續(xù)樣本群組來(lái)說(shuō)，樣本表示在不同頻率處的所述發(fā)送輻射，依賴于頻率的權(quán)重被用于波束導(dǎo)向，所述依賴于頻率的權(quán)重適合于產(chǎn)生預(yù)定形狀的所述發(fā)送波束。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種波束形成和波束導(dǎo)向設(shè)備，包括寬帶發(fā)送單元，包括向場(chǎng)景發(fā)送輻射的至少兩個(gè)發(fā)送天線，其中輻射的頻率在一個(gè)寬帶頻率范圍內(nèi)以確定的方式隨時(shí)間變化；接收器單元，包括至少兩個(gè)接收天線和至少一個(gè)接收部件，從所述場(chǎng)景接收輻射 并從所述接收到的輻射中生成接收信號(hào)；波束導(dǎo)向單元，其通過(guò)使用波束導(dǎo)向權(quán)重執(zhí)行波束導(dǎo)向，以從所述發(fā)送信號(hào)中形成發(fā)送波束，其中對(duì)發(fā)送的輻射的不同樣本或連續(xù)樣本群組來(lái)說(shuō)，樣本表示在不同頻率處的所述發(fā)送輻射，依賴于頻率的權(quán)重被用于波束導(dǎo)向，所述依賴于頻率的權(quán)重適合于產(chǎn)生預(yù)定形狀的所述發(fā)送波束；以及波束形成單元，其通過(guò)使用波束形成權(quán)重執(zhí)行波束形成，以形成接收波束并從所述接收信號(hào)中獲得波束形成的輸出信號(hào)，其中對(duì)接收信號(hào)的不同樣本或連續(xù)樣本群組來(lái)說(shuō)，樣本表示在不同頻率處的所述接收信號(hào)，依賴于頻率的權(quán)重被用于波束形成，所述依賴于頻率的權(quán)重適合于產(chǎn)生預(yù)定形狀的所述接收波束。根據(jù)本發(fā)明的再另一個(gè)方面，提供了一種有源成像設(shè)備，其包括根據(jù)本發(fā)明的波束形成設(shè)備、波束導(dǎo)向設(shè)備和/或波束形成和波束導(dǎo)向設(shè)備、以及用于處理它們的輸出信號(hào)的處理設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明的再其它方面，還提供了相應(yīng)的方法，一種包括程序裝置的計(jì)算機(jī)程序，該程序裝置用于當(dāng)所述計(jì)算機(jī)程序在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行時(shí)，使計(jì)算機(jī)執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的波束形成方法或波束導(dǎo)向方法的步驟；以及其上存儲(chǔ)了指令的計(jì)算機(jī)可讀非臨時(shí)性介質(zhì)，當(dāng)在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行時(shí)，使該計(jì)算機(jī)執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的波束形成方法或波束導(dǎo)向方法的步驟。在從屬權(quán)利要求中限定了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。應(yīng)該理解的是，所要求保護(hù)的設(shè)備、所要求保護(hù)的方法、所要求保護(hù)的計(jì)算機(jī)程序和所要求保護(hù)的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，都像從屬權(quán)利要求中定義的以及下文中描述的那樣，具有相似和/或相同的優(yōu)選實(shí)施例。對(duì)任何波束形成裝置來(lái)說(shuō)通常會(huì)有帶寬限制，因?yàn)樾纬商囟úㄊ膹?fù)雜的加權(quán)(用在發(fā)送器和/或接收器)僅在一個(gè)特定頻率有效。對(duì)發(fā)送或接收寬帶信號(hào)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，所形成的波束因此嚴(yán)重劣化?；谶@個(gè)認(rèn)識(shí)，本發(fā)明基于這樣的理念，使用可應(yīng)用于寬帶系統(tǒng)的波束形成方法(在接收器側(cè))和/或波束導(dǎo)向方法(在發(fā)送器側(cè))，其中寬帶系統(tǒng)中所發(fā)送和/或所接收信號(hào)的頻率以一種已知/確定的方式掃換或隨時(shí)間變化?？赡艿氖纠詰?yīng)用是FMCW雷達(dá)系統(tǒng)、跳頻通信系統(tǒng)或基于啁啾的通信系統(tǒng)。從而，本發(fā)明提供一種用于實(shí)現(xiàn)發(fā)送和/或接收信號(hào)的寬帶波束形成的簡(jiǎn)單有效的方法，其中信號(hào)頻率以已知/確定方式隨時(shí)間變化。已知的方法比已提出的解決方案復(fù)雜得多，因?yàn)樾枰獜?fù)雜的濾波配置，和/或主要處理同時(shí)在許多頻率上發(fā)送的信號(hào)。
如上所述，寬帶波束形成的挑戰(zhàn)在于，用一個(gè)固定的權(quán)重向量在不同的頻率處將波束引導(dǎo)到不同的方向。已知的解決方案(根據(jù)Z. Hu或B. Matthews的提議)提出使用2D濾波或頻域?yàn)V波器。M.S. Lee提出使用需要計(jì)算所接收信號(hào)的協(xié)方差的卡蓬波束形成。US6，940，917提出使用多載波系統(tǒng)，并對(duì)不同的載波使用不同的權(quán)重向量。相反，本發(fā)明提出，根據(jù)所接收(和/或所發(fā)送)信號(hào)的頻率隨時(shí)間如何變化，而改變波束形成向量(和/或波束導(dǎo)向向量)。而且，根據(jù)本發(fā)明，在一個(gè)時(shí)刻僅發(fā)送一個(gè)信號(hào)(即，一個(gè)頻率的輻射)，以確保該信號(hào)發(fā)送(輻射)是已知的，即以確定的方式完成。更特別地是，本發(fā)明教導(dǎo)了如何對(duì)不同的頻率使用不同的權(quán)重。已知的解決方案通過(guò)使用2D濾波或FFT處理寬帶信號(hào)，以將所接收和/或所發(fā)送信號(hào)分開(kāi)到不同的頻帶，然后為不同的頻帶提供不同的權(quán)重，即，它們提供頻域中的解決方案。相反，根據(jù)本發(fā)明，在任何時(shí)間點(diǎn)處理的信號(hào)被限制為窄帶信號(hào)，盡管該信號(hào)能夠在寬帶寬中掃換。由于這種約束，所提出的解決方案解決了在時(shí)域中所造成的問(wèn)題，因此更加簡(jiǎn)單。特別是將FMCW用作發(fā)送輻射時(shí)，這可以在比RF頻率低很多的基帶(差頻)中完成。


參考下文中描述的實(shí)施例，通過(guò)下面更詳細(xì)的解釋本發(fā)明的這些和其它方面將變得清楚。在附圖中圖I示出了根據(jù)本發(fā)明的包括波束形成設(shè)備的有源成像設(shè)備的第一實(shí)施例的示意圖，圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的波束形成設(shè)備的實(shí)施例的更詳細(xì)的圖，圖3示出了說(shuō)明波束形成原理的圖，圖4示出了說(shuō)明固定權(quán)重波束形成的波束斜視(squint)效果的圖，圖5示出了典型的(調(diào)頻連續(xù)波)FMCW雷達(dá)系統(tǒng)的示意圖，圖6示出了 FMCW雷達(dá)斜坡函數(shù)和采樣的圖，圖7圖示了根據(jù)本發(fā)明的寬帶波束形成的圖，圖8A至圖8D圖示了應(yīng)用或不應(yīng)用本發(fā)明的點(diǎn)目標(biāo)的重建的圖，圖9圖示了在波束形成方向上三個(gè)目標(biāo)的點(diǎn)目標(biāo)響應(yīng)的圖，圖10圖示了在波束形成方向上的點(diǎn)目標(biāo)響應(yīng)的更詳細(xì)的圖，圖11圖示了在范圍方向上三個(gè)目標(biāo)的點(diǎn)目標(biāo)響應(yīng)的圖，圖12示出了根據(jù)本發(fā)明包括波束導(dǎo)向設(shè)備的有源成像設(shè)備的第二實(shí)施例的示意圖，圖13示出了根據(jù)本發(fā)明的波束導(dǎo)向設(shè)備的實(shí)施例的更詳細(xì)的圖，以及圖14示出了根據(jù)本發(fā)明包括波束導(dǎo)向設(shè)備和波束形成設(shè)備的有源成像設(shè)備的第三實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施例方式圖I中示出了包括根據(jù)本發(fā)明的波束形成設(shè)備2的用于對(duì)場(chǎng)景5成像的根據(jù)本發(fā)明的有源成像設(shè)備Ia的大體結(jié)構(gòu)。該波束形成設(shè)備2包括寬帶發(fā)送單元10，該寬帶發(fā)送單元10包括至少一個(gè)向所述場(chǎng)景5發(fā)送輻射(所述輻射也稱為發(fā)送信號(hào))的發(fā)送部件11，其中輻射的頻率在寬帶頻率范圍內(nèi)以一種確定的方式隨時(shí)間變化。該波束形成設(shè)備2還包括接收器單元20，該接收器單元20包括至少兩個(gè)從所述場(chǎng)景5中接收輻射并從所述接收到的輻射中生成接收信號(hào)的接收部件21、22。提供了波束形成單元30，執(zhí)行波束形成以形成接收波束，并利用波束形成權(quán)重從所述接收信號(hào)中獲得波束形成后的輸出信號(hào)，其中對(duì)接收信號(hào)的不同樣本或連續(xù)樣本的群組來(lái)說(shuō)，樣本表示在不同頻率處的所述接收信號(hào)，依賴于頻率的權(quán)重被用于波束形成，該依賴于頻率的權(quán)重適合于導(dǎo)致所述接收波束的預(yù)定形狀。而且，提供了處理單元45，用于處理波束形成單元30的波束形成后的輸出信號(hào)，例如用于重建場(chǎng)景5的圖像。然而，波束形成后的輸出信號(hào)也能夠用于其它目的，并且可以用在除有源成像設(shè)備之外的其它設(shè)備中，例如用于目標(biāo)檢測(cè)、距離確定等等。圖2中描繪了波束形成設(shè)備2a的實(shí)施例的更詳細(xì)的示例性實(shí)現(xiàn)方式的示意圖。發(fā)送器10(即發(fā)送單元)包括至少一個(gè)發(fā)送部件， 在這里在本示例中示出了兩個(gè)發(fā)送部件11、12。每個(gè)發(fā)送部件11、12包括波形生成器13，該波形生成器13產(chǎn)生其頻率隨時(shí)間變化的重復(fù)波形，典型地是啁啾(chrip)脈沖。所生成的波形隨后傳到接收器單元20的每個(gè)(至少兩個(gè)，這里是三個(gè))接收部件21、22、23，并且也傳到發(fā)送部件11、12的內(nèi)部RF單元14(也稱為發(fā)送器前端)。該內(nèi)部RF單元14典型地放大該波形，以使其具有正確的功率電平用于傳輸。通過(guò)發(fā)送器天線15向場(chǎng)景5發(fā)送輻射16。通常，每個(gè)發(fā)送器天線15耦合于其自身的發(fā)送部件11、12。然而，在其它實(shí)施例中，兩個(gè)或更多發(fā)送器天線15可以耦合/切換到單個(gè)(共同的)發(fā)送部件。然后，由不同的接收天線25接收反射的信號(hào)26。以與發(fā)送器天線15類似的方式，每個(gè)接收天線25通常耦合于其自身的接收部件21、22、23。然而，在其它實(shí)施例中，兩個(gè)或更多接收天線25可以耦合/轉(zhuǎn)換到單個(gè)(共同的)接收部件。在接收器前端24中的幾級(jí)RF放大(和/或下變頻)之后，將得到的信號(hào)傳到混合器27 (優(yōu)選地是I/Q混合器或者是混合器和I/Q生成電路，比如Hilbert濾波器變換)，該混合器27將該信號(hào)與直接從發(fā)送部件11、12中接收到的波形混合，以產(chǎn)生復(fù)合“差頻(beatfrequency)”波形，其頻率與目標(biāo)的距離相對(duì)應(yīng)(例如，通過(guò)應(yīng)用如下所述的常見(jiàn)的FMCW接收器原理)?；旌掀?7的復(fù)合輸出通常隨后被濾波并被傳到產(chǎn)生數(shù)字輸出29的兩個(gè)A/D (模擬到數(shù)字)轉(zhuǎn)換器28，所述數(shù)字輸出29優(yōu)選地是I和Q輸出(即，同相輸出和正交輸出)。將這些輸出29傳到波束形成單元30，波束形成單元30對(duì)不同的接收到的信號(hào)29進(jìn)行放大和相移，從而可以形成不同的波束位置。波束形成后的輸出信號(hào)31隨后可以受到進(jìn)一步的處理，例如在如上所述的有源成像設(shè)備中可以用以重建場(chǎng)景5的圖像。根據(jù)本發(fā)明的波束形成設(shè)備2a的這個(gè)實(shí)施例，該A/D輸出29也被傳到頻率測(cè)定單元50，該頻率測(cè)定單元50測(cè)量、估計(jì)或預(yù)測(cè)相應(yīng)接收信號(hào)26的樣本的瞬時(shí)頻率。在此基礎(chǔ)上，波束形成單元30根據(jù)該瞬時(shí)頻率改變復(fù)合權(quán)重，以獲得預(yù)定形狀的波束?；谔炀€幾何形狀和頻率，數(shù)學(xué)上能夠計(jì)算用以波束形成到某一個(gè)方向的輻射的權(quán)重，理論上它可以補(bǔ)償?shù)竭_(dá)每個(gè)天線的波傳播延遲。然而，在正常運(yùn)行中，一般使用預(yù)先優(yōu)化的權(quán)重或者可以用數(shù)學(xué)方法在運(yùn)行中計(jì)算權(quán)重。由于所發(fā)送輻射的確定的性質(zhì)，瞬時(shí)頻率能夠被預(yù)測(cè)；或者，例如用頻率跟蹤電路能夠測(cè)量瞬時(shí)頻率。此外，存在確定瞬時(shí)頻率的另外的方法并且可以用于本文。
在解釋本發(fā)明的更多細(xì)節(jié)之前，將更詳細(xì)地解釋波束形成。波束形成沿一個(gè)特定的方向集中能量，從而在這個(gè)方向上接收或發(fā)送信號(hào)，同時(shí)拒絕來(lái)自其它方向的信號(hào)。來(lái)自一組較小天線的無(wú)線電信號(hào)被合并，以實(shí)現(xiàn)較大的方向孔徑。這些天線可以沿著一條直線、在一個(gè)平面內(nèi)、以一種系統(tǒng)性或者隨機(jī)的方式放置。這些天線也可以布置為單入多出(SMO)系統(tǒng)、多入單出(MISO)系統(tǒng)或多入多出(MMO)系統(tǒng)。在通信中，波束形成用于將天線指向信號(hào)源，以降低干擾并且提高通信質(zhì)量。在成像系統(tǒng)中，波束形成可以用于將天線引導(dǎo)并聚焦于不同的方向，以形成不同位置的圖像。波束形成的基本理念是補(bǔ)償整個(gè)天線陣列上的波傳播延遲，以創(chuàng)建某種干涉圖樣，如圖3中所說(shuō)明的，其中大部分信號(hào)能量進(jìn)入一個(gè)角方向。有不同的方案可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行波束形成。一個(gè)方案是使用真實(shí)的時(shí)間延遲以補(bǔ)償時(shí)間延遲。需要具有恒定組延遲的延遲結(jié)構(gòu)。這經(jīng)常通過(guò)光學(xué)裝置生成。因此，寬帶波束形成可以用真實(shí)的時(shí)間延遲實(shí)現(xiàn)。另一個(gè)方案利用相移來(lái)補(bǔ)償時(shí)間延遲。對(duì)于這種情況，每個(gè)相移將陣列中每個(gè)天線的接收信號(hào)的相位改變稍微不同的量。通過(guò)改變每個(gè)接收到的 (或所發(fā)送的)信號(hào)的相移，使得陣列具有最高敏感性的接收到的(或所發(fā)送的)信號(hào)的角度可以改變并因此可以導(dǎo)向波束。相移可以利用模擬移相器實(shí)現(xiàn)。相位通常是固定的，即它們不隨時(shí)間改變，或者具有有限形式的適應(yīng)性。最常用的波束形成技術(shù)是，保持振幅權(quán)重固定而僅改變相位權(quán)重以導(dǎo)向波束。這種自適應(yīng)的天線被稱為是相控陣列(phased array)。每個(gè)天線元件的輸出(或輸入，在傳輸情況下)連接到移相器，將這些移相器的輸出求和，得到期望方向上的波束。這就得到了單個(gè)波束。如果同時(shí)需要更多波束，則使用更多波束形成網(wǎng)絡(luò)。另一方面，數(shù)字波束形成利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)了相移。從天線接收到的信號(hào)在RF頻率、IF頻率或在基帶從模擬域轉(zhuǎn)換到數(shù)字域。在模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換到數(shù)字域之后，通過(guò)與預(yù)定的復(fù)合權(quán)重相乘來(lái)加權(quán)所接收的信號(hào)來(lái)執(zhí)行波束形成。這些復(fù)合權(quán)重可以預(yù)先確定，并可以自適應(yīng)地變化。數(shù)字波束形成是有吸引力的，因?yàn)榕c模擬域中應(yīng)用的簡(jiǎn)單方法相反，可以應(yīng)用高度復(fù)雜的自適應(yīng)信號(hào)處理算法?？梢匀菀椎赝瑫r(shí)生成多個(gè)波束而不用增加任何附加硬件。本發(fā)明通常涉及在數(shù)字域中利用相移補(bǔ)償時(shí)間延遲的數(shù)字波束形成。下面的論述將集中于波束形成接收器。然而，本發(fā)明也適用于波束形成發(fā)送器和MIMO系統(tǒng)。對(duì)某一時(shí)間延遲來(lái)說(shuō)，對(duì)特定的頻率存在固定的相移。不同的頻率具有不同的相移。對(duì)于窄帶系統(tǒng)，相移幾乎對(duì)頻帶中的所有頻率都相同，因此其時(shí)間延遲可以近似為中心頻率的單一相移。對(duì)于寬帶系統(tǒng)，這種近似不再有效，因?yàn)樵陬l帶中低頻和高頻之間的波長(zhǎng)差太大。因此，對(duì)不同的頻率引導(dǎo)波束到不同的方向。這種效果稱為波束斜視(squint)。如圖4中看到的，固定的權(quán)重向量被用于導(dǎo)向該波束。波束在142. 35GHz導(dǎo)向?yàn)?4. 7度，在140GHz導(dǎo)向?yàn)?5度以及在137. 65GHz導(dǎo)向?yàn)?5. 25度。波束導(dǎo)向方向差隨著頻率差的增加而增加。在這樣的寬帶系統(tǒng)中，使用固定相移的傳統(tǒng)波束形成方法不再起作用。本發(fā)明提出一種自適應(yīng)波束形成方法，其根據(jù)所發(fā)送或所接收信號(hào)的頻率改變其復(fù)合權(quán)重。該方法適用于寬帶系統(tǒng)，其中所發(fā)送或所接收信號(hào)的頻率以預(yù)定的方式隨時(shí)間掃換或變化?？赡艿氖纠詰?yīng)用可能是通常用于傳輸各種數(shù)據(jù)的FMCW雷達(dá)系統(tǒng)、跳頻通信系統(tǒng)或基于啁啾的通信系統(tǒng)。此外，本發(fā)明還可以適用于這樣的系統(tǒng)，其同時(shí)發(fā)送多個(gè)掃換或時(shí)間變化的信號(hào)，而這些信號(hào)在接收器中可以分開(kāi)。作為一個(gè)示例，在這里更加詳細(xì)地解釋FMCW。2005年11月21_23日，在新西蘭北帕默斯頓召開(kāi)的第一屆國(guó)際傳感技術(shù)會(huì)議，第152-157頁(yè)G. Brooker發(fā)表的“理解毫米波FMCff雷達(dá)”中給出了 FMCW的詳細(xì)說(shuō)明。如圖5中描繪的那樣，F(xiàn)MCff雷達(dá)發(fā)送連續(xù)波信號(hào)，該連續(xù)波信號(hào)被調(diào)頻(頻率隨時(shí)間變化)以產(chǎn)生啁啾脈沖。將其發(fā)送到要被檢查的目標(biāo)并且也通過(guò)耦合器將其提供給接收器。取決于目標(biāo)的性質(zhì)，所發(fā)送信號(hào)將被目標(biāo)反射，并由FMCff雷達(dá)的接收器部分接收。由于所發(fā)送的啁啾脈沖隨時(shí)間改變其頻率，對(duì)給定的時(shí)間點(diǎn)接收到的準(zhǔn)確頻率取決于目標(biāo)位于多遠(yuǎn)及相應(yīng)的飛行時(shí)間(Tp)。這個(gè)接收到的信號(hào)隨后與所發(fā)送的啁啾(通過(guò)耦合器提供給混合器)混合，而且混合器輸出的頻率是所發(fā)送和接收到的信號(hào)之間的頻率差。這被稱為差頻(fb)，并與FMCW雷達(dá)和目標(biāo)之間的距離成正比。由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將差頻信號(hào)從模擬域轉(zhuǎn)換到數(shù)字域。然后，將來(lái)自ADC的復(fù)合I/Q信號(hào)通過(guò)傅里葉變換轉(zhuǎn)換到頻域，以得到每個(gè)頻率倉(cāng)(bin)。這些頻率倉(cāng)直接涉及到目標(biāo)的范圍。
在圖6中以實(shí)線和虛線分別示出了發(fā)送器信號(hào)(啁啾脈沖)和所接收信號(hào)的相對(duì)于時(shí)間的頻率變化。也標(biāo)注了所發(fā)送信號(hào)和所接收信號(hào)之間的頻率差，差頻(fb)。如圖6中看到的，所發(fā)送和所接收信號(hào)的頻率隨時(shí)間變化。在每個(gè)采樣點(diǎn)，信號(hào)的頻率已知，并且所發(fā)送和所接收信號(hào)的帶寬限于一個(gè)給定的時(shí)間點(diǎn)。因此，提出對(duì)不同樣本使用不同權(quán)重向量，而且針對(duì)該(啁啾)波形的每個(gè)樣本的瞬時(shí)頻率對(duì)這些權(quán)重向量執(zhí)行優(yōu)化。FMCW信號(hào)的模型可以表達(dá)為
S(t) = expjj ω0 + c^t1 |, 0<t<T(I)其中T是啁啾脈沖周期，Qci是初始頻率而α是啁啾率。脈沖被發(fā)送并且被目標(biāo)
反射回來(lái)。從單個(gè)目標(biāo)接收到的回波信號(hào)是
Sr(t) = expjy ω0( -TP) + —{t - 7>)2(2)其中Tp是所發(fā)送信號(hào)的往返飛行時(shí)間。從目標(biāo)反射的所接收信號(hào)的瞬時(shí)頻率由下式給出Oinst = ω0+α (t_Tp).(3)假設(shè)要補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間延遲為τ，用于導(dǎo)向波束所要求的相移由下式給出
φ - (ω0 + a(t — Tp)) · τ.(4)在數(shù)字波束形成系統(tǒng)中，在應(yīng)用波束形成之前樣本被數(shù)字化。假設(shè)ADC采樣率是fs，采樣間隔是At，在等式(4)中時(shí)間t可以用t= Afn代替。得出的相移由下式給出
φ\(chéng) \ = (ω0 + a(At ·η- Tp)) · τ(5)
其中η是時(shí)間樣本的數(shù)量。從上面的等式可以看出，不同的相移應(yīng)用于不同的時(shí)間樣本。優(yōu)選地是，針對(duì)每個(gè)單獨(dú)的時(shí)間樣本根據(jù)單獨(dú)的瞬時(shí)頻率對(duì)相移進(jìn)行優(yōu)化。假設(shè)在天線陣列中M個(gè)通道可用，每個(gè)通道的相移可以由下式給出
φη [η] = (ω0 + a(At ·η- Tp)) · Tm, m = 1,2,...,M.(6)上面的等式可以以向量形式改寫為
權(quán)利要求
1.一種波束形成設(shè)備(la, Ib),包括 寬帶發(fā)送単元(10)，包括向場(chǎng)景(5)發(fā)送輻射的至少ー個(gè)發(fā)送天線(15)，其中輻射的頻率在ー個(gè)寬帶頻率范圍內(nèi)以確定的方式隨時(shí)間變化； 接收器單元(20)，包括至少兩個(gè)接收天線(25)和至少ー個(gè)接收部件(21，22)，從所述場(chǎng)景(5)接收輻射并從所述接收到的輻射中生成接收信號(hào)；以及 波束形成単元(30)，其通過(guò)使用波束形成權(quán)重執(zhí)行波束形成，以形成接收波束并從所述接收信號(hào)中獲得波束形成的輸出信號(hào)，其中對(duì)接收信號(hào)的不同樣本或連續(xù)樣本群組來(lái)說(shuō)，樣本表示在不同頻率處的所述接收信號(hào)，依賴于頻率的權(quán)重被用于波束形成，所述依賴于頻率的權(quán)重適合于產(chǎn)生預(yù)定形狀的所述接收波束。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的波束形成設(shè)備， 其中所述波束形成単元(30)配置為根據(jù)瞬時(shí)頻率改變所述權(quán)重以獲得預(yù)定形狀的接收波束。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2的波束形成設(shè)備， 還包括頻率確定單元(50)，其測(cè)量、估計(jì)或預(yù)測(cè)接收信號(hào)的樣本的瞬時(shí)頻率。
4.根據(jù)前述任何一個(gè)權(quán)利要求的波束形成設(shè)備， 其中所述波束形成単元(30)適合于使用如下權(quán)重，其適合于接收信號(hào)的連續(xù)樣本群組的中心頻率或平均頻率。
5.根據(jù)權(quán)利要求I中的波束形成設(shè)備， 其中所述波束形成単元(30)配置為將所述權(quán)重的依賴于頻率的相移用于波束形成。
6.根據(jù)前述任何一個(gè)權(quán)利要求的波束形成設(shè)備， 還包括存儲(chǔ)單元(60)，其存儲(chǔ)所述依賴于頻率的權(quán)重。
7.根據(jù)前述任何一個(gè)權(quán)利要求的波束形成設(shè)備， 還包括權(quán)重計(jì)算單元(70)，其通過(guò)數(shù)值計(jì)算來(lái)計(jì)算所述依賴于頻率的權(quán)重。
8.根據(jù)前述任何一個(gè)權(quán)利要求的波束形成設(shè)備， 其中所述波束形成設(shè)備是針對(duì)MISO、SIMO或MMO波束形成進(jìn)行配置的。
9.ー種波束導(dǎo)向設(shè)備(2a, 2b),包括 寬帶發(fā)送単元(10)，包括向場(chǎng)景(5)發(fā)送輻射的至少兩個(gè)發(fā)送天線(15)，其中輻射的頻率在ー個(gè)寬帶頻率范圍內(nèi)以確定的方式隨時(shí)間變化； 接收器單元(20)，包括至少ー個(gè)接收天線(26)和至少ー個(gè)接收部件(21)，從所述場(chǎng)景(5)中接收輻射并從所述接收到的輻射中生成接收信號(hào)；以及 波束導(dǎo)向單元(40)，其通過(guò)使用波束導(dǎo)向權(quán)重執(zhí)行波束導(dǎo)向，以從所述發(fā)送的輻射中形成發(fā)送波束，其中對(duì)發(fā)送的輻射的不同樣本或連續(xù)樣本群組來(lái)說(shuō)，樣本表示在不同頻率處的所述發(fā)送輻射，依賴于頻率的權(quán)重被用于波束導(dǎo)向，所述依賴于頻率的權(quán)重適合于產(chǎn)生預(yù)定形狀的所述發(fā)送波束。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的波束導(dǎo)向設(shè)備， 其中所述波束導(dǎo)向單元(40)配置為根據(jù)瞬時(shí)頻率改變所述權(quán)重以獲得預(yù)定形狀的發(fā)送波束。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10的波束導(dǎo)向設(shè)備， 其中所述波束導(dǎo)向單元(40)適合于使用如下權(quán)重，其適合于發(fā)送信號(hào)的連續(xù)樣本群組的中心頻率或平均頻率。
12.根據(jù)權(quán)利要求9至11中任何一個(gè)的波束導(dǎo)向設(shè)備， 其中所述波束導(dǎo)向單元(40)配置為將所述權(quán)重的依賴于頻率的相移用于波束導(dǎo)向。
13.根據(jù)權(quán)利要求9至12中任何一個(gè)的波束導(dǎo)向設(shè)備， 其中所述發(fā)送天線(15)配置為同時(shí)地向場(chǎng)景(5)發(fā)送輻射，其中通過(guò)不同發(fā)送天線所發(fā)送的輻射是相同的。
14.根據(jù)權(quán)利要求9至13中任何一個(gè)的波束導(dǎo)向設(shè)備， 還包括存儲(chǔ)單元(60)，其存儲(chǔ)所述依賴于頻率的權(quán)重。
15.根據(jù)權(quán)利要求9至14中任何一個(gè)的波束導(dǎo)向設(shè)備， 還包括權(quán)重計(jì)算單元(70)，其通過(guò)數(shù)值計(jì)算來(lái)計(jì)算所述依賴于頻率的權(quán)重。
16.根據(jù)權(quán)利要求9至15中任何一個(gè)的波束導(dǎo)向設(shè)備， 其中所述波束導(dǎo)向設(shè)備是針對(duì)MISO或MMO波束導(dǎo)向進(jìn)行配置的。
17.一種波束形成和波束導(dǎo)向設(shè)備，包括 寬帶發(fā)送単元(10)，包括向場(chǎng)景(5)發(fā)送輻射的至少兩個(gè)發(fā)送天線(15)，其中輻射的頻率在一個(gè)寬帶頻率范圍內(nèi)以確定的方式隨時(shí)間變化； 接收器單元(20)，包括至少兩個(gè)接收天線(25)和至少ー個(gè)接收部件(21、22)，從所述場(chǎng)景(5)接收輻射并從所述接收到的輻射中生成接收信號(hào)； 波束導(dǎo)向單元(40)，其通過(guò)使用波束導(dǎo)向權(quán)重執(zhí)行波束導(dǎo)向，以從所述發(fā)送信號(hào)中形成發(fā)送波束，其中對(duì)發(fā)送的輻射的不同樣本或連續(xù)樣本群組來(lái)說(shuō)，樣本表示在不同頻率處的所述發(fā)送輻射，依賴于頻率的權(quán)重被用于波束導(dǎo)向，所述依賴于頻率的權(quán)重適合于產(chǎn)生預(yù)定形狀的所述發(fā)送波束；以及 波束形成単元(30)，其通過(guò)使用波束形成權(quán)重執(zhí)行波束形成，以形成接收波束并從所述接收信號(hào)中獲得波束形成的輸出信號(hào)，其中對(duì)接收信號(hào)的不同樣本或連續(xù)樣本群組來(lái)說(shuō)，樣本表示在不同頻率處的所述接收信號(hào)，依賴于頻率的權(quán)重被用于波束形成，所述依賴于頻率的權(quán)重適合于產(chǎn)生預(yù)定形狀的所述接收波束。
18.一種波束形成方法，包括步驟 向場(chǎng)景(5)發(fā)送寬帶輻射，其中輻射的頻率在一個(gè)寬帶頻率范圍內(nèi)以確定的方式隨時(shí)間變化； 從所述場(chǎng)景(5)接收輻射； 從所述接收到的輻射中生成接收信號(hào)；以及 通過(guò)使用波束形成權(quán)重進(jìn)行波束形成，以形成接收波束并從所述接收信號(hào)中獲得波束形成的輸出信號(hào)，其中對(duì)接收信號(hào)的不同樣本或連續(xù)樣本群組來(lái)說(shuō)，樣本表示在不同頻率處的所述接收信號(hào)，依賴于頻率的權(quán)重被用于波束形成，所述依賴于頻率的權(quán)重適合于產(chǎn)生預(yù)定形狀的所述接收波束。
19.ー種波束導(dǎo)向方法，包括步驟 向場(chǎng)景(5)發(fā)送寬帶輻射，其中輻射的頻率在一個(gè)寬帶頻率范圍內(nèi)以確定的方式隨時(shí)間變化； 從所述場(chǎng)景(5)接收輻射； 從所述接收到的輻射中生成接收信號(hào)；以及通過(guò)使用波束導(dǎo)向權(quán)重進(jìn)行波束導(dǎo)向，以從所述發(fā)送輻射中形成發(fā)送波束，其中對(duì)發(fā)送輻射的不同樣本或連續(xù)樣本群組來(lái)說(shuō)，樣本表示在不同頻率處的所述發(fā)送輻射，依賴于頻率的權(quán)重被用于波束導(dǎo)向，所述依賴于頻率的權(quán)重適合于產(chǎn)生預(yù)定形狀的所述發(fā)送波束。
20.一種波束形成和波束導(dǎo)向方法，包括步驟 向場(chǎng)景(5)發(fā)送寬帶輻射，其中輻射的頻率在一個(gè)寬帶頻率范圍內(nèi)以確定的方式隨時(shí)間變化； 從所述場(chǎng)景(5)接收輻射； 從所述接收到的輻射中生成接收信號(hào)； 通過(guò)使用波束導(dǎo)向權(quán)重進(jìn)行波束導(dǎo)向，以從所述發(fā)送輻射形成發(fā)送波束，其中對(duì)發(fā)送輻射的不同樣本或連續(xù)樣本群組來(lái)說(shuō)，樣本表示在不同頻率處的所述發(fā)送輻射，依賴于頻率的權(quán)重被用于波束導(dǎo)向，所述依賴于頻率的權(quán)重適合于產(chǎn)生預(yù)定形狀的所述發(fā)送波束；以及 通過(guò)使用波束形成權(quán)重進(jìn)行波束形成，以形成接收波束并從所述接收信號(hào)中獲得波束形成的輸出信號(hào)，其中對(duì)接收信號(hào)的不同樣本或連續(xù)樣本群組來(lái)說(shuō)，樣本表示在不同頻率處的所述接收信號(hào)，依賴于頻率的權(quán)重被用于波束形成，所述依賴于頻率的權(quán)重適合于產(chǎn)生預(yù)定形狀的所述接收波束。
21.ー種對(duì)場(chǎng)景(5)成像的有源成像設(shè)備，包括 如權(quán)利要求I限定的波束形成設(shè)備，如權(quán)利要求9限定的波束導(dǎo)向設(shè)備或者如權(quán)利要求17限定的波束形成和波束導(dǎo)向設(shè)備；以及 處理單元，用于分別處理所述接收信號(hào)或所述波束形成的輸出信號(hào)。
22.一種用于對(duì)場(chǎng)景(5)成像的有源成像方法，包括步驟 如權(quán)利要求18限定的波束形成方法，如權(quán)利要求19限定的波束導(dǎo)向方法或者如權(quán)利要求20限定的波束形成和波束導(dǎo)向方法；以及 分別處理所述接收信號(hào)或所述形成波束的輸出信號(hào)。
23.一種計(jì)算機(jī)程序，包括程序代碼裝置，用于當(dāng)所述計(jì)算機(jī)程序在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行吋，使計(jì)算機(jī)執(zhí)行在權(quán)利要求18中要求的波束形成方法的步驟，在權(quán)利要求19中要求的波束導(dǎo)向方法的步驟或在權(quán)利要求20中要求的波束形成和波束導(dǎo)向方法的步驟。
24.一種計(jì)算機(jī)可讀非臨時(shí)性介質(zhì)，其上存儲(chǔ)了指令，當(dāng)在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行時(shí)，使該計(jì)算機(jī)執(zhí)行在權(quán)利要求18中要求的波束形成方法的步驟，在權(quán)利要求19中要求的波束導(dǎo)向方法的步驟或在權(quán)利要求20中要求的波束形成和波束導(dǎo)向方法的步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供了寬帶波束形成設(shè)備，寬帶波束導(dǎo)向設(shè)備及相應(yīng)的方法。為能夠用于寬帶數(shù)字波束形成并提供高精度成像，提出的波束形成設(shè)備包括寬帶發(fā)送單元，其包括向場(chǎng)景發(fā)送輻射的至少一個(gè)發(fā)送天線，其中發(fā)送信號(hào)的頻率在一個(gè)寬帶頻率范圍內(nèi)以確定的方式隨時(shí)間變化；接收器單元，其包括至少兩個(gè)接收天線和至少一個(gè)接收部件，從場(chǎng)景接收輻射并從接收輻射中生成接收信號(hào)；以及波束形成單元，其通過(guò)利用波束形成權(quán)重執(zhí)行波束形成，以形成接收波束并從接收信號(hào)中獲得形成波束的輸出信號(hào)，其中對(duì)接收信號(hào)的不同樣本或連續(xù)樣本群組來(lái)說(shuō)，樣本表示在不同頻率處的接收信號(hào)，依賴于頻率的權(quán)重用于波束形成，該依賴于頻率的權(quán)重適合于產(chǎn)生預(yù)定形狀的接收波束。
文檔編號(hào)H04B7/08GK102857287SQ20121023186
公開(kāi)日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月30日
發(fā)明者王琪, 理查德·斯蒂林-加拉徹, 拉爾夫·博赫科 申請(qǐng)人:索尼公司