宽带波束形成设备,宽带波束导向设备及相应的方法技术

本发明专利技术提供了宽带波束形成设备，宽带波束导向设备及相应的方法。为能够用于宽带数字波束形成并提供高精度成像，提出的波束形成设备包括：宽带发送单元，其包括向场景发送辐射的至少一个发送天线，其中发送信号的频率在一个宽带频率范围内以确定的方式随时间变化；接收器单元，其包括至少两个接收天线和至少一个接收部件，从场景接收辐射并从接收辐射中生成接收信号；以及波束形成单元，其通过利用波束形成权重执行波束形成，以形成接收波束并从接收信号中获得形成波束的输出信号，其中对接收信号的不同样本或连续样本群组来说，样本表示在不同频率处的接收信号，依赖于频率的权重用于波束形成，该依赖于频率的权重适合于产生预定形状的接收波束。

【技术实现步骤摘要】
宽带波束形成设备，宽带波束导向设备及相应的方法
本专利技术涉及宽带波束形成设备和方法，以及宽带波束导向(steering)设备和方法。本专利技术还涉及用于对场景成像的有源成像设备及其相应的方法。此外，本专利技术涉及计算机程序及存储这样的计算机程序的计算机可读非临时性介质。
技术介绍
对于包括医学和安全应用的许多应用来说，包括波束形成的有源成像系统在超声波、微波、毫米波和太赫兹频率上变得越来越普遍。有源成像系统中的发送器(在此也称为“发送单元”)和接收器(在此也称为“接收单元”)的配置可以采用许多不同的形式。在与本专利技术相关的实施例中，多个发送器和接收器共同运作以形成MIMO雷达(或者MIMO有源成像系统)。主要有两种不同类型的MIMO雷达。第一种类型称为统计MIMO，其中天线(通常是“发送单元”和“接收单元”)彼此远离地放置，以提供物体(通常为“场景”)的不同视图。第二种类型的MIMO称为波束形成(或协同定位)MIMO，其中天线彼此接近地放置，并共同行动以形成一个“虚拟的”波束形成阵列。为在波束形成设备中的接收器上执行波束形成，通常多个接收天线用于执行波束形成。这样的配置可以使用一个发送天线或者可以使用多个发送天线与多个接收天线相组合以执行MIMO波束形成。或者，波束形成可以使用多个发送天线在波束导向设备中的发送器上排他地执行。这里应该注意的是，在下文中参考仅在发送器侧执行波束形成(波束导向)时的波束导向设备及方法，并且在下文中参考仅在接收器侧执行波束形成时的波束形成设备及方法。更具体地，波束形成和波束导向都使用权重来形成波束图案。其区别是，在发送器侧，波束导向通常仅使用一个权重向量来形成波束图案并将其向空间辐射(即，在某个时刻物理上仅存在一个辐射图案)。在接收器侧，数字波束形成可以使用多个权重向量来同时并行地形成多个波束图案并得到多个波束形成后的输出。一维波束形成一般与其他技术(即，合成孔径雷达)相结合以形成2D图像。或者，可以以二维方式执行波束形成以形成2D图像。为了产生物体的完整3D图像(或者具有附加的距离/深度信息的2D图像)，这种配置典型地发送宽带连续波形(即，频率调制的连续波(FMCW))或者宽带脉冲以提供范围(距离)信息。大多数实现宽带波束形成的传统方法利用滤波器组(bank)。这些方法在时域中与二维滤波器组一起工作，或者在频域(在FFT之后)中运行，分别对每个频带进行滤波。它们力求将宽带信号分成单独窄带滤波的许多子频带，或者力求提供频率不变的波束形成。在下面的文件中描述了为雷达和通信系统实现宽带波束形成的示例性方法。2010年8月13日，2010国际波形多样性及设计会议，Z.Hu等人的“用于宽带波束形成的基于查找表的架构设计”(Z.Huetal，″DesignofLook-upBasedArchitectureforWidebandBeamforming″，2010InternationalWaveformDiversityandDesignConferenceAugust08-132010)，描述了如何通过在2D中使用时间滤波或者通过使用跟随着1D滤波的FFT来实现宽带波束形成。具体地，它描述了在ADC之后使用2D滤波器组。为了以这种方式执行宽带波束形成，ADC的采样速率需要大于发送信号的带宽的两倍。2010年6月14日至16日，IEEE国家航空航天与电子会议，Z.Hu等人的“鲁棒宽带波束形成”(Z.Huetat，″RobustWidebandBeamforming″，IEEENationalAero-spaceandElectronicsConference，July14-16th2010)，描述了实现宽带波束形成的鲁棒优化的方法。与上述Z.Hu的论文中相同的方式，在ADC之后使用2D滤波器来实现宽带波束形成。2007年11月，软件定义的无线电论坛论文集，B.Matthews等人的“使用基于更新的频域导数的宽带雷达自适应波束形成”(B.Matthewsetal，″WidebandRadarAdaptiveBeamformingusingFrequencyDomainderivativebasedupdating″)，描述了一种执行宽带自适应波束形成以缓和宽带干扰(widebandjammer)影响的方法。具体地，所提出的方法包含上述Z.Hu的论文中描述过的观点(即，2D滤波或频域滤波)，此外还提出宽带协方差矩阵的计算以找到最佳权重。2009年6月，ETRI杂志，第31册，第3页，M.-S.Lee的“用于使用天线切换的平面相控雷达阵列的宽带卡蓬波束形成”(M.-S.Lee，″WidebandCaponBeamformingforaplanarphasedradararraywithantennaswitching″)，描述了一种FMCW系统，该系统使用2D天线阵列，其中该2D天线阵列的每行顺序地被切换到波束形成阵列。波束形成器的权重根据选择哪一行和在该时间期间可能已经出现的啁啾(chirp)波形中的对应的频率差而变化。此外，该论文仅涉及需要计算接收到的信号的协方差的卡蓬波束形成的使用。美国专利6,940,917B2描述了一种波束导向多载波(或OFDM)通信系统。每个不同频率的载波在相同的时间被发送，并且被分配一个不同的加权向量。专利技术概述本专利技术的一个目的是，提供一种简单有效的在接收器侧用于宽带数字波束形成的波束形成设备及相应的方法，以及一种简单有效的在发送器侧用于宽带数字波束导向的波束导向设备及相应的方法，所述设备及方法能够对发送的和/或接收的信号实现简单有效的波束形成。本专利技术的另一个目的是，提供相应的有源成像设备和方法，以及相应的计算机程序，用以在软件中实施所述波束形成方法，以及存储这样的计算机程序的计算机可读的非临时性介质。根据本专利技术的一个方面，提供用于对一个场景成像的波束形成设备，包括：宽带发送单元，包括向场景发送辐射的至少一个发送天线，其中辐射的频率在一个宽带频率范围内以确定的方式随时间变化；接收器单元，包括至少两个接收天线和至少一个接收部件，从所述场景接收辐射并从所述接收到的辐射中生成接收信号；以及波束形成单元，其通过使用波束形成权重执行波束形成，以形成接收波束并从所述接收信号中获得波束形成的输出信号，其中对接收信号的不同样本或连续样本群组来说，样本表示在不同频率处的所述接收信号，依赖于频率的权重被用于波束形成，所述依赖于频率的权重适合于产生预定形状的所述接收波束。根据本专利技术的另一个方面，提供用于对一个场景成像的波束导向设备，包括：宽带发送单元，包括向场景发送辐射的至少两个发送天线，其中辐射的频率在一个宽带频率范围内以确定的方式随时间变化；接收器单元，包括至少一个接收天线和至少一个接收部件，从所述场景中接收辐射并从所述接收到的辐射中生成接收信号；以及波束导向单元，其通过使用波束导向权重执行波束导向，以从所述发送的辐射中形成发送波束，其中对发送的辐射的不同样本或连续样本群组来说，样本表示在不同频率处的所述发送辐射，依赖于频率的权重被用于波束导向，所述依赖于频率的权重适合于产生预定形状的所述发送波束。根据本专利技术的另一个方面，提供一种波束形成和波束导向设备，包括：宽带发送单元，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种波束形成设备(1a，1b)，包括：宽带发送单元(10)，包括向场景(5)发送辐射的至少一个发送天线(15)，其中辐射的频率在一个宽带频率范围内以确定的方式随时间变化；接收器单元(20)，包括至少两个接收天线(25)和至少一个接收部件(21，22)，从所述场景(5)接收辐射并从所述接收到的辐射中生成接收信号；以及波束形成单元(30)，其通过使用波束形成权重执行波束形成，以形成接收波束并从所述接收信号中获得波束形成的输出信号，其中对接收信号的不同样本或连续样本群组来说，样本表示在不同频率处的所述接收信号，依赖于频率的权重被用于波束形成，所述依赖于频率的权重适合于产生预定形状的所述接收波束。

【技术特征摘要】
2011.06.30 EP 11172218.71.一种波束形成设备(1a，1b)，包括：宽带发送单元(10)，包括向场景(5)发送辐射的至少一个发送天线(15)，其中辐射的频率在一个宽带频率范围内以确定的方式随时间变化；接收器单元(20)，包括至少两个接收天线(25)和至少一个接收部件(21,22)，从所述场景(5)接收辐射并从所接收到的辐射中生成接收信号；以及波束形成单元(30)，其通过使用波束形成权重执行波束形成，以形成接收波束并从所述接收信号中获得波束形成的输出信号，其中对接收信号的不同样本或连续样本群组来说，样本表示在不同频率处的所述接收信号，依赖于频率的权重被用于波束形成，所述依赖于频率的权重适合于产生预定形状的所述接收波束。2.根据权利要求1的波束形成设备，其中所述波束形成单元(30)配置为根据瞬时频率改变所述权重以获得预定形状的接收波束。3.根据权利要求1或2的波束形成设备，还包括频率确定单元(50)，其测量、估计或预测接收信号的样本的瞬时频率。4.根据权利要求1或2的波束形成设备，其中所述波束形成单元(30)适合于使用如下权重，其适合于接收信号的连续样本群组的中心频率或平均频率。5.根据权利要求1中的波束形成设备，其中所述波束形成单元(30)配置为将所述权重的依赖于频率的相移用于波束形成。6.根据权利要求1或2的波束形成设备，还包括存储单元(60)，其存储所述依赖于频率的权重。7.根据权利要求1或2的波束形成设备，还包括权重计算单元(70)，其通过数值计算来计算所述依赖于频率的权重。8.根据权利要求1或2的波束形成设备，其中所述波束形成设备是针对MISO、SIMO或MIMO波束形成进行配置的。9.一种波束导向设备(2a，2b)，包括：宽带发送单元(10)，包括向场景(5)发送辐射的至少两个发送天线(15)，其中辐射的频率在一个宽带频率范围内以确定的方式随时间变化；接收器单元(20)，包括至少一个接收天线(26)和至少一个接收部件(21)，从所述场景(5)中接收辐射并从所接收到的辐射中生成接收信号；以及波束导向单元(40)，其通过使用波束导向权重执行波束导向，以从所发送的辐射中形成发送波束，其中对发送的辐射的不同样本或连续样本群组来说，样本表示在不同频率处的所述发送辐射，依赖于频率的权重被用于波束导向，所述依赖于频率的权重适合于产生预定形状的所述发送波束。10.根据权利要求9的波束导向设备，其中所述波束导向单元(40)配置为根据瞬时频率改变所述权重以获得预定形状的发送波束。11.根据权利要求9或10的波束导向设备，其中所述波束导向单元(40)适合于使用如下权重，其适合于发送信号的连续样本群组的中心频率或平均频率。12.根据权利要求9或10的波束导向设备，其中所述波束导向单元(40)配置为将所述权重的依赖于频率的相移用于波束导向。13.根据权利要求9或10的波束导向设备，其中所述发送天线(15)配置为同时地向场景(5)发送辐射，其中通过不同发送天线所发送的辐射是相同的。14.根据权利要求9或10的波束导向设备，还包括存储单元(60)，其存储所述依赖于频率的权重。15.根据权利要求9或10的波束导向设备，还包括权重计算单元(70)，其通过数值计算来计算所述依赖于频率的权重。16.根据权利要求9或10的波束导向设备，其中所述波束导向设备是针对MI...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琪，理查德·斯蒂林加拉彻，拉尔夫·博赫科，
申请(专利权)人：索尼公司，
类型：发明
国别省市：