CN101156082A - 利用共极化和交叉极化映射的定位系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种利用共极化和交叉极化雷达映射的本地定位系统。在一个方法实施例中，发射具有第一极化的至少第一电磁脉冲。在一段相应时间内接收优选地具有第一极化的第一返回信号。处理该第一返回信号，以便将对应于定位系统雷达探测区域内目标的第一返回脉冲分离。还发射具有第一极化的至少第二电磁脉冲。在一段相应时间内接收优选地具有第二极化的第二返回信号。处理该第二返回信号，以便将对应于该目标的第二返回脉冲分离。目标的特征根据该第一返回脉冲和该第二返回脉冲的相对信号强度来确定。

Description

利用共极化和交叉极化映射的定位系统

本申请是2003年7月3日提出的未决美国专利申请No.10/614,097的部分继续申请，美国专利申请No.10/614,097在这里被全部引用作为参考。

相关申请

下列申请与本申请相关，它们在这里被引用作为参考：

美国专利申请no.11/103,964，2005年4月11日提交，名称为“Improved Radar System for Improved Positioning”；

美国专利申请no.11/103,965，2005年4月11日提交，名称为“Positioning System with a Sparse Antenna Array”；

美国专利申请no.11/103,950，2005年4月11日提交，名称为“Positioning System with Intentional Multi-Path Signal”；

美国专利申请no.11/104,007，2005年4月11日提交，名称为“Decoherence Plate for Use in a Communications System”。

技术领域

本发明一般地涉及定位系统，尤其涉及一种利用共极化和交叉极化映射，确定目标相对于定位系统的位置的系统和方法。

背景技术

本地定位系统正在成为需要导航能力的移动设备中一项重要功能(enabler)，特别是在自控车辆和精确建筑工具的应用中。诸如GPS的全球定位系统只提供通常不优于10cm的中等精度的定位信息，并且需要有接近地平线的清晰天空视觉。具有分布在工作空间中的有源或无源组件的本地定位系统，可以允许进行精确得多的定位(例如定位精度大于1cm)，并且允许用户按照需要扩充系统，使其即使在最复杂的封闭地形中也能运行。

常规的本地定位系统包括声学和激光测距系统。声学系统通常利用无线电应答信标来测量设备网络内部的范围，其中一些设备被固定形成本地坐标系统。

不幸的是，由于声音在空气中传播的特性，声学系统只能测量精度到厘米或更多的距离，并且只能在相对较短的距离上测量。基于激光的本地定位系统利用设备与一个或更多诸如棱镜之类的反射目标之间的角度和距离的测量，对设备位置进行三角或者三边测量。然而，现在的激光系统使用昂贵的瞄准机构，使系统成本达到三万美元或更高。

能够确定2D或3D位置达到几个毫米精度的成本相对较低(例如低于2000美元)的本地定位系统将会在某些应用领域中带来大批有潜力的产品，这些应用领域诸如精确室内和室外建筑、采矿、精细农业和大范围收割和处理。本发明克服了常规的本地定位系统在成本和精确度方面的局限性。

发明内容

雷达映射的系统和方法提供一种低成本但是高度精确的本地定位系统。

在方法的一个实施例中，发射具有载波信号频率和第一极化的第一电磁脉冲。在一段相应的时间内接收第一返回信号。该第一返回信号优选地具有第一极化。该第一返回信号包括来自定位系统雷达探测区域内目标的第一返回脉冲。处理该第一返回信号，以便将该第一返回脉冲从该第一返回信号中分离。

发射具有载波信号频率和第一极化的第二电磁脉冲。在一段相应的时间内接收第二返回信号。该第二返回信号优选地具有第二极化。该第二返回信号包括来自定位系统雷达探测区域内目标的第二返回脉冲。处理该第二返回信号，以便将该第二返回脉冲从该第二返回信号中分离。根据第一返回脉冲和第二返回脉冲的相对信号强度确定目标的特征。

在一些实施例中，第一极化是右旋圆极化，第二极化是左旋圆极化。在一些实施例中，该第一极化是左旋圆极化，而第二极化是右旋圆极化。

在一个系统实施例中，设备配置为发射具有载波信号频率和第一极化的第一电磁脉冲。该设备配置为在一段相应的时间内，接收包括第一返回脉冲的第一返回信号，其中该第一返回脉冲来自定位系统雷达探测区域内的目标。该第一返回信号优选地具有第一极化。该装置配置为处理该第一返回信号，以便将该第一返回脉冲从该第一返回信号中分离。

该设备还配置为发射具有载波信号频率和第一极化的第二电磁脉冲。该设备配置为在一段相应的时间内，接收包括来自该目标的第二返回脉冲的第二返回信号。所接收的该第二返回信号优选地具有第二极化。该装置配置为处理该第二返回信号，以便将该第二返回脉冲从该第二返回信号中分离。该设备配置为根据第一返回脉冲和第二返回脉冲的相对信号强度来确定目标的特征。

在一些实施例中，第一极化是右旋圆极化，第二极化是左旋圆极化。在一些实施例中，该第一极化是左旋圆极化，而第二极化是右旋圆极化。

附图说明

当结合附图时，从下述的详细说明和所附权利要求中，本发明的其他目标和特征将变得更加显而易见。

图1图解了在一个定位系统的实施例中所实施的操作的流程图。

图2图解了所述定位系统的实施例。

图3图解了所述定位系统的实施例。

图4图解了所述定位系统的实施例。

图5是在所述定位系统的实施例中设备中的典型部件的图示。

相同的附图标记在几个附图中是指相对应的部分。

具体实施方式

现在详细地参照本发明的各实施例，它们的实例被示于附图中。在下面的详细描述中，为了实现对本发明的全面理解，阐述了大量特殊细节。然而，对本领域普通技术人员来说，很明显地，本发明可以在没有这些特殊细节的情况下实现。在其它例子中，没有对公知的方法、过程、部件和电路进行详细描述，但这样不致于使得本发明的各个方面不清楚。

电磁信号(有时称作电磁波)具有电场矢量分量和磁场矢量分量。电磁信号的极化由电磁信号的电场矢量在垂直于电磁信号传播方向的平面上的形状和轨迹确定。电磁信号的极化可以包括线性极化、椭圆极化、右旋椭圆极化、左旋椭圆极化、右旋圆极化(RHCP)和左旋圆极化(LHCP)。

通常，当被目标反射或散射时，电磁信号的极化将会由于电磁信号的相位改变而变化。散射包括镜面反射和漫散射。极化在镜面反射上的变化是目标和诸如空气之类的电磁信号传播介质的菲涅耳反射系数之差的结果。正如本领域所公知的，菲涅耳反射系数是电磁信号波长、电磁信号入射角、目标和介质折射复指数的函数，如果有的话，还是目标和/或介质折射复指数中的各向异性的函数。极化在漫反射上的变化包括由目标(例如树皮)表面的粗糙所造成的多个散射事件，以及由于穿透目标(例如，树、树枝和树叶)体积的折射系数中的空间不均一性所造成的多个散射事件。

对于初始具有RHCP或LHCP的电磁信号来说，诸如树的杂波将返回一个反射的电磁信号，该反射的电磁信号具有基本上相反的圆极化。相反地，对于初始具有RHCP或LHCP的电磁信号来说，具有基本上垂直的两个表面、也称做二面反射器的角形反射器会引起具有基本上初始的圆极化的返回电磁信号。

一些本地定位系统通过确定从设备到一个或更多具有已知位置的目标的一个或更多距离来确定该设备的位置。在一些本地定位系统中，该目标是地标。在一些本地定位系统中，该地标是无源反射器，例如二面反射器。利用无源反射器的本地定位系统中的一个挑战是要区分对应于无源地标的返回电磁信号和对应于本地定位系统雷达探测区域内其它目标的返回电磁信号。另外，区分自然目标和诸如无源地标的人造目标通常也很困难。

在一些本地定位系统中，地标是有源地标。有源地标接收来自设备的电磁信号，并且发射返回电磁信号。在一些实施例中，返回电磁信号具有极化。返回信号的极化可以与接收信号的极化相同或不同。

当从地标和其它目标反射时，电磁信号极化的改变可以用于帮助区分来自地标的反射和来自其它目标的反射。特别地，通过发射具有相应极化的电磁信号，并比较对应于具有相同的相应极化(共极化)或正交极化(交叉极化)的返回电磁信号的接收信号的相对信号强度或信号功率，可确定目标的特征。例如，所确定的特征可以是目标的粗糙度。该特征使得将无源地标与其它目标区分开，并且使得将人造目标与自然目标区分开。

例如，可确定交叉极化(正交极化)的信号强度与共极化(相同极化)的信号强度之比。该比值对于平滑表面非常低，并且随着表面的粗糙度增加，当表面粗糙度的大小大约为电磁信号波长时达到峰值。相似地，对于由穿透目标体积的折射系数中的空间不均一性所造成的多个散射事件，该比值将会很高。然而，对于光滑的无源二面反射器，该比值将会很低。

图2图解了一个本地定位系统200的实施例。在一些实施例中，系统200的雷达探测区域的最大范围为50m、100m、250m、500m、1000m、5000m或10000m。设备210发射一个或更多具有载波信号频率和第一极化214的电磁脉冲212，在这个示图中该极化是LHCP。在其它实施例中，该第一极化214是RHCP。在一个实施例中，电磁脉冲212持续1纳秒(ns)并且具有6千兆赫兹(GHz)的载波信号频率。其它实施例可以利用的电磁脉冲212的持续时间和载波信号频率对是：1ns和24GHz，5ns和6GHz，以及1ns和77GHz。还有很多其它的脉冲持续时间和载波信号频率可用于其它实施例中。

电磁脉冲212被系统200的雷达探测区域中的目标反射。目标包括无源反射器216、植物222和建筑物224。尽管图2示出了具有一个设备210和一个无源反射器216的实施例，但是，一些实施例可以具有两个或更多设备、两个或更多无源反射器，或者两者皆有。在一些实施例中，无源反射器216是无源二面反射器或无源角锥反射器。设备210在一段时间内接收包括一个或更多返回脉冲在内的一个或更多返回信号218。诸如返回信号218-1或218-2的相应返回信号(由特定目标的初次脉冲反射产生的)的极化220，或者与第一极化214基本相同，或者具有与第一极化214基本垂直的第二极化。在一些实施例中，第一极化214是RHCP，而极化220是LHCP或RHCP。在一些实施例中，第一极化214是LHCP，而极化220是LHCP或RHCP。通过比较共极化和交叉极化的返回信号218的相对信号强度或信号功率，可确定诸如目标粗糙度的目标特征。这就使得将具有光滑表面的无源反射器216与植物222和建筑物224区分开。

特别地，为了生成特定区域(例如，设备210附近或周围)的雷达映射，设备210发射具有载波信号频率和诸如极化214的第一极化的至少第一脉冲，诸如脉冲212-1。该设备接收优选地具有诸如极化220的第一极化的第一返回信号，诸如返回信号218-1。该第一返回信号包括至少第一返回脉冲。设备210处理该第一返回信号，以便将该第一返回脉冲从该第一返回信号中分离。该设备还发射具有载波信号频率和第一极化的至少第二脉冲，诸如脉冲212-2。注意到，图2中用于发射脉冲212和返回信号218的箭头仅仅是为了解释的目的，而不一定非要表示该脉冲和返回信号具有特殊的方向性。在一些实施例中，该发射脉冲是各向同性的，而在其它实施例中，它们是方向会聚的。

该设备接收诸如返回信号218-2的第二返回信号，该第二返回信号优选地具有基本上正交于该第一极化的第二极化，诸如极化220。该第二返回信号包括至少第二返回脉冲。该设备210处理该第二返回信号，以便将该第二返回脉冲从该第二返回信号中分离。该设备210根据该第一返回脉冲和该第二返回脉冲的相对信号强度，确定目标的一个或更多个特征。在一些实施例中，该特征是目标至少一个表面的粗糙度。在一个示例性实施例中，第一极化是RHCP，而第二极化是LHCP。在另一个示例性实施例中，第一极化是LHCP，而第二极化是RHCP。在又一个实施例中，响应发射脉冲，基本上同时接收具有两个极化的返回信号。

在本地定位系统200的变型中，目标可以包括至少一个可选有源地标226。该有源地标226返回具有载波信号频率的电磁脉冲228。该返回电磁脉冲的极化220与第一极化214基本上相同，或者具有基本上正交于第一极化214的第二极化。在一些实施例中，该返回电磁脉冲228具有与该载波信号频率不同的第二载波信号频率。在一些实施例中，返回电磁脉冲226是幅度或频率调制的。在一些实施例中，返回电磁脉冲226是方波。在一些实施例中，返回电磁脉冲226是被编码的。例如，该返回电磁脉冲可以利用如下方式编码：开关键控、正交幅度调制、连续相位频移键控、频移键控、相移键控、差分相移键控、正交相移键控、最小移位键控、高斯最小移位键控、脉冲位置调制、脉冲幅度调制、脉冲宽度调制、Walsh码调制、Gold码调制、Barker码调制、伪随机噪声序列调制或dc-free码，该dc-free码在零时间偏移上具有1的自相关，并且在非零时间偏移上具有基本上接近零的自相关。有源地标226的使用使得将返回电磁脉冲228在距离本地定位系统200中的设备210更远的距离上区分开。

图1图解了具有共极化和交叉极化雷达映射的定位系统中操作实施例的流程图。在112，发射具有第一极化的第一脉冲。在114，接收包括至少第一返回脉冲的第一返回信号。在116，处理该第一返回信号，以便分离该第一返回脉冲。在118，发射具有第一极化的第二脉冲。在120，接收包括至少第二返回脉冲的第二返回信号。在122，处理该第二返回信号，以便分离该第二返回脉冲。在124，根据该第一返回脉冲和该第二返回脉冲的相对信号强度来确定目标特征。

图3是定位系统实施例300的图解。设备310包括多个发射器312和一个接收器320。设备310发射至少第一组脉冲314。脉冲314被目标316散射。设备310接收返回信号318。

图4是定位系统实施例400的图解。设备410包括一个发射器412和多个接收器420。设备410发射至少第一脉冲414。脉冲414被目标416散射。设备410接收一组返回信号418。

图5是定位系统实施例中诸如设备210、设备310和设备410之类的典型设备510中各部件的图解。设备510中的一个或更多发射器和一个或更多接收器都未示出。该设备包括至少一个天线508。在一些实施例中，设备510可以包括至少一个圆极化天线。在一些实施例中，设备510可以包括用于发射和接收的至少一个极化天线。在一个实施例中，设备510包括两个天线，一个用于发射和接收RHCP信号，另一个用于发射和接收LHCP信号。

设备510包括前端电路512和用于改变一个或更多信号的信号处理器514。该改变可以包括放大、滤波和/或去除调制编码。设备510包括一个或更多处理单元(CPU)516、存储器520以及一个或更多用于连接这些部件的通信总线518。在可替换实施例中，设备510的某些或全部功能可以在一个或更多专用集成电路(ASIC)中实施，由此消除对处理单元516的需要，或者减少处理单元516的任务。存储器520可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，诸如一个或更多磁盘存储设备。存储器520可以包括位于远离处理单元520处的大容量存储器。

存储器520存储操作系统522，该操作系统522包括用于处理各种基本系统服务以便实施依赖于硬件的任务的程序。存储器520还存储一个或更多程序模块524。该程序模块524包括脉冲分离模块或指令集526，以便将一个或更多脉冲从返回信号中分离。程序模块524还包括目标特征确定模块或指令集528，以便根据共极化和交叉极化的返回信号的相对信号强度来确定目标特征。

存储器520中的模块或指令集由处理单元516执行。另外，设备510可以包括可执行程序、子模块、表格或者其它数据结构(未示出)。在一些实施例中，可以使用附加的或不同的模块和数据结构，也可以不使用上面列出的一些模块和/或数据结构。在一些实施例中，设备510的功能可以更多地用硬件而更少地用软件实施，或者更少地用硬件而更多地用软件来实施，这在本领域是公知的。

为了便于解释，上面的说明使用了特殊术语，以便彻底理解本发明。然而，对本领域技术人员来说很明显的是，不需要特殊细节以便实现本发明。为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，选择这些实施例进行描述，由此使其他本领域技术人员能够最好地利用本发明和各种实施方式，这些各种实施方式具有各种适于特殊应用的改变。因此，前面的公开并不力求详尽，也不旨在将本发明限制到所公开的精确形式。考虑到上述教导，可以进行很多修改和变化。

本发明的范围意由下面的权利要求及其等价形式来限定。

Claims (22)

1.一种本地定位系统中的雷达映射的方法，包括：

从设备发射至少第一电磁脉冲，该第一电磁脉冲具有载波信号频率和第一极化；

在一段相应时间内，接收第一返回信号，其中该第一返回信号包括来自定位系统雷达探测区域内目标的至少第一返回脉冲，并且该接收包括优选地接收具有该第一极化的信号；

处理该第一返回信号，以便将该第一返回脉冲从该第一返回信号中分离；

从设备发射第二电磁脉冲，该第二电磁脉冲具有载波信号频率和第一极化；

在一段相应时间内，接收第二返回信号，其中该第二返回信号包括来自定位系统雷达探测区域内目标的第二返回脉冲，并且该接收包括优选地接收具有第二极化的信号；

处理该第二返回信号，以便将该第二返回脉冲从该第二返回信号中分离；

根据该第一返回脉冲和该第二返回脉冲的相对信号强度来确定目标特征。

2.根据权利要求1的方法，其中第一极化是右旋圆极化，而第二极化是左旋圆极化。

3.根据权利要求1的方法，其中第一极化是左旋圆极化，而第二极化是右旋圆极化。

4.根据权利要求1的方法，进一步包括使用相同的极化天线进行发射和接收。

5.根据权利要求1的方法，其中使用一个发射器从该设备发射，并且使用多个接收器在该设备中接收。

6.根据权利要求1的方法，其中使用多个发射器从该设备发射，并且使用一个接收器在该设备中接收。

7.根据权利要求1的方法，其中该目标是有源地标。

8.根据权利要求1的方法，其中该目标是无源反射器。

9.根据权利要求1的方法，其中目标特征是该目标至少一个表面的粗糙度。

10.一种本地定位系统，包括：

一种设备，其被配置为发射具有载波信号频率和第一极化的至少第一电磁脉冲，在一段相应时间内，从位于定位系统雷达探测区域内的目标接收包括至少第一返回脉冲的第一返回信号，处理该第一返回信号以便将该第一返回脉冲从该第一返回信号中分离，发射具有载波信号频率和第一极化的至少第二电磁脉冲，在一段相应时间内接收包括来自目标的第二返回脉冲的第二返回信号，处理该第二返回信号以便将该第二返回脉冲从该第二返回信号中分离，根据该第一返回脉冲和该第二返回脉冲的相对信号强度来确定目标特征，

其中该设备优选地接收具有第一极化的第一返回信号和具有第二极化的第二返回信号。

11.根据权利要求10的定位系统，其中第一极化是右旋圆极化，而第二极化是左旋圆极化。

12.根据权利要求10的定位系统，其中第一极化是左旋圆极化，而第二极化是右旋圆极化。

13.根据权利要求10的定位系统，其中该目标是有源地标。

14.根据权利要求10的定位系统，其中该目标是无源反射器。

15.根据权利要求14的定位系统，其中该无源反射器选自由二面角和角隅棱镜组成的组中。

16.根据权利要求10的定位系统，该设备进一步包括至少一个圆极化天线。

17.根据权利要求10的定位系统，该设备进一步包括至少一个极化天线，其中该设备利用该极化天线来发射和接收。

18.根据权利要求10的定位系统，该设备进一步包括一个发射器和多个接收器，其中该设备利用该发射器来发射，且该设备利用该多个接收器来接收。

19.根据权利要求10的定位系统，该设备进一步包括多个发射器和一个接收器，其中该设备利用该多个发射器来发射，且该设备利用该接收器来接收。

20.根据权利要求10的定位系统，该设备进一步包括处理器，其中该处理器处理该第一返回信号以便分离该第一返回脉冲，处理该第二返回信号以便分离该第二返回脉冲，并且根据该第一返回脉冲和该第二返回脉冲的相对信号强度来确定目标的特征。

21.根据权利要求10的定位系统，该设备进一步包括处理器、存储器和至少一个程序模块，该至少一个程序模块包含用于如下目的的指令：

将第一返回脉冲从第一返回信号中分离；

将第二返回脉冲从第二返回信号中分离；

根据该第一返回脉冲和该第二返回脉冲的相对信号强度来确定目标特征。

22.根据权利要求10的定位系统，其中目标特征是该目标至少一个表面的粗糙度。

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