CN102798847A - 波束成形设备和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了波束成形设备和方法。本发明涉及一种波束成形设备，包括：发射单元(110)，包括向场景(1)发射辐射的至少两个发射元件(111)，接收单元(120)，包括从所述场景(1)接收辐射并且从所述接收的辐射生成接收信号的至少两个接收元件(121)，以及波束成形单元(130)，通过使用波束成形权重来执行波束成形以从所述接收信号获得波束成形输出信号，其中，所述波束成形权重适合所述场景与一个或多个发射元件和/或接收元件之间的距离，所述距离通过距离指示符进行指示，并且其中，所述波束成形权重在所述距离改变的情况下被改变。

Description

波束成形设备和方法
技术领域
本发明涉及波束成形(beam forming)设备及相应的方法。本发明更进一步涉及用于场景的成像的有源成像设备和有源成像方法以及波束成形单元和处理方法。更进一步，本发明涉及计算机程序和存储有该计算机程序的非临时性计算机可读介质。特别地，本发明涉及MIMO波束成形设备和方法。
背景技术
在超声波的、微波、毫米波以及太赫兹的频率上，有源成像系统对于包括医疗和安全应用在内的很多应用，正在变得越来越普及。
有源成像系统中的发射器(也被称为“发射元件”)和接收器(也被称为“接收元件”)的布置可以采用多种不同形式。在一个与本发明相关的实施例中，多个发射器和接收器一同工作以形成MIMO雷达(或MIMO有源成像系统)。MIMO雷达主要有两种不同的类型。第一种被称为统计MIMO，其中天线(通常是所述“发射元件”和“接收元件”)被放置的彼此分隔的很远，以提供对目标(通常是所述“场景”)的不同的视角。MIMO的第二种类型被称为波束成形(或集中式的(co-locate))MIMO，其中所述天线被放置的彼此靠近，一起工作以形成一个“虚拟”波束成形阵列。本发明主要适用于所述波束成形MIMO装置。
在一维情况下的MIMO波束成形，通常与其它技术(即，合成孔径雷达)相结合以形成2D图像。可选地，也可以在二维情况下使用MIMO波束成形来形成2D图像。为了生成目标的完全的3D图像(或具有附加的距离/深度信息的2D图像)，所述布置典型地发射宽带连续波形(即调频连续波(FMCW))或宽带脉冲以提供测距信息。
对于任何上述MIMO波束成形布置，在目标和接收器/发射器布置之间有很大的距离时(所谓的“远场”情况)，在到目标的距离有变化的情况下，用于执行MIMO波束成形的针对给定角度方向的最佳权重并没有明显改变。然而，在目标和接收器/发射器布置之间的距离很短时(所谓的“近场”情况)，用于执行MIMO波束成形的最佳权重将随着距离的改变而显著改变。
已经公知使用MIMO波束成形技术的成像系统以及使用该技术获得距离信息。
J.H.G.Ender和J.Klare的“System Architectures and Algorithms forRadar Imaging by MIMO-SAR(用于用多收多发合成孔径雷达进行雷达成像的系统架构和算法)”，IEEE Radar Conference 2009描述了一种系统，其中在一个维度(在这种情况下是机翼的方向)上采用MIMO波束成形阵列并且在移动方向(在这种情况下是飞机的前进运动方向)上产生合成孔径雷达(SAR)以产生2D图像。通过使用调频连续波(FMCW)技术来获得第三维度(从飞机到地面上的目标之间的距离)。然而，该系统用于当发射器和地面上的目标之间有很大的距离时的情境。
J.Klare、O Saalmann和H.Wilden的“First Experimental Results withthe imaging MIMO Radar MIRA-CLE X(成像多收多发雷达MIRA-CLE X的第一实验结果)”EUSAR Conference 2010描述了一种系统，其中SAR与MIMO波束成形结合以生成2D图像并且用FMCW来提供第三维度，该第三维度是到目标的距离信息。该系统的使用方式类似于J.H.G.Ender等描述的系统的使用方式，其中发射器和接收器之间的距离很大。
X.zhuge和A.Yaravoy的“MIMO-SAR Based UWB Imaging forconcealed Weapon Detection(用于检测隐藏武器的基于UWB成像的多收多发合成孔径雷达)”EUSAR Conference 2010Aachen，德国，第195-197页描述了一种系统，其中SAR与MIMO波束成形结合以生成2D图像。利用基于脉冲的超宽带信号(UWB)来获得第三维度(到目标的距离)。
X.zhuge和A.Yaravoy的“Near-Field Ultra-wideband Imaging with Twodimensional Sparse MIMO Array(用二维稀疏MIMO阵列进行近场超宽带信号成像)”，Proceedings of the fourth European Conference Antennas andPropagation(EuCAP)2010，第1-4页描述了一种系统，其中MIMO波束成形在两个维度上被使用来产生2D图像。利用基于脉冲的超宽带信号(UWB)来获得第三维度(到目标的距离)。
发明内容
本发明的一个目标是提供一种波束成形设备及相应的方法，其可用于近场情况下的有源成像，并且即使在场景(例如要被成像的目标)的距离改变时也提供高精度。本发明进一步的目标是提供一种相应的有源成像设备和相应的有源成像方法、波束成形单元、处理方法、以及相应的用软件实现该处理方法的计算机程序和存储有该计算机程序的非临时性计算机可读介质。
根据本发明的一个方面，提供了一种波束成形设备，包括：
发射单元，包括向场景发射辐射的至少两个发射元件，
辐射接收单元，包括从所述场景接收辐射并且从所述接收的辐射生成接收信号的至少两个接收元件，以及
波束成形单元，通过使用波束成形权重来执行波束成形以从所述接收信号获得波束成形输出信号，其中，所述波束成形权重适合所述场景与一个或多个发射元件和/或接收元件之间的距离，所述距离通过距离指示符进行指示，并且其中，所述波束成形权重在所述距离改变的情况下被改变。
根据本发明进一步的方面，提供了一种用于对场景进行成像的有源成像设备，包括：根据本发明而提出的波束成形设备，以及处理单元，处理所述波束成形输出信号用于从所述波束成形输出信号构建图像和/或检测所述场景中的目标。
根据本发明又进一步的方面，提供了一种波束成形单元，包括：
输入单元，接收从响应于向场景发射的辐射而从所述场景接收的辐射生成的接收信号，以及
处理元件，通过使用波束成形权重来执行波束成形以从所述接收信号获得波束成形输出信号，其中，所述波束成形权重适合所述场景与一个或多个发射元件和/或接收元件之间的距离，所述距离通过距离指示符进行指示，并且其中，所述波束成形权重在所述距离改变的情况下被改变。
根据相应方法的又另一方面，提供了一种计算机程序，包括：用于当所述计算机程序在计算机上执行时使计算机执行根据本发明的图像构建方法的各个步骤的程序代码装置，并且提供了一种存储了指令的非临时性计算机可读介质，所述指令在计算机上被执行时使得计算机执行根据本发明的波束成形方法的各个步骤。
在从属权利要求中限定了本发明的优选实施例。应当理解，要求的波束成形设备、要求的方法、要求的计算机程序和要求的计算机可读介质与要求的波束成形设备具有相似和/或相同的优选实施例，如在从属权利要求中定义的。
本发明是基于以下想法，当照射单元/接收单元(优选地形成共用发射器/接收器布置)和场景(尤其是场景中的应被成像的对象)之间的距离发生变化时，优化波束成形。当目标相对于形成接收波束的接收单元的孔径处于“近场”时，这对于短距离成像应用尤其重要。
对于此类短距离应用，来自到接收天线的不同发射的所接收辐射的相位差随着场景(目标)相对于照射单元和接收单元的距离的变化而变化。这种效果在场景处于远距离(“远场情况”)时没有被观察到，因为所有接收信号具有相同的角度(所有的接收信号都具有平行传播路径)。
为了针对短距离近场成像解决此波束成形(尤其是针对MIMO波束成形)目标，根据本发明主要提出：不同波束成形权重用于不同的接收器/发射器距离，所述距离由距离指示符指示。换句话说，如果距离发生了变化，如距离指示符的改变所指示的，则波束成形权重(其一般是具有振幅和相位的复合权重)会根据变化的距离发生相应的变化以使能针对改变的距离而被优化了的最佳波束成形。因此，本发明提出根据场景(目标)与发射器和接收元件之间的距离而适应性地改变波束成形权重，以保持短距离下最优的波束成形辐射模式。这最终会使得即使在场景的距离持续或不时地变化时也提高成像精度。
如优选实施例所提出的，可以使用现有可用的测距信息(假如有源成像设备具有此功能)测量距离从而得到完全自动的解决方案。可选地，可以使用另外的测距设备(例如，使用光学或超声技术的距离确定单元)测量距离。更进一步的替代方式是，可以由操作者选择感兴趣的需要距离，即操作者可以直接输入如果以任何方式已知(例如，从接收单元和场景间的距离标记)的当前距离(其也被用作距离指示符)。依据本发明，可以有包括两个或多个决定距离的方式的混合实施例。
根据所引述的现有技术的一部分，不会出现以上所说明的问题，特别是在远场情况下的采用MIMO波束成形的设备中，所以它就不需要根据场景(目标)与发射器和接收器之间的距离而改变(预定的且固定的)波束成形权重。根据所引述的现有技术的另一部分，描述了短距离成像，但从场景(目标)到发射器和接收器的距离是预先确定且固定的。
附图说明
参考以下描述的实施例，本发明的这些和其它方面将会显而易见，并且在以下附图中：
图1示出了统计MIMO装置的示意图，
图2示出了集中式MIMO装置的示意图，
图3示出了已知波束成形单元的实施例，
图4示出了已知波束成形单元的另一实施例，
图5示出了远场成像的信号路径图，
图6示出了近场成像的信号路径图，
图7示出了依据本发明的有源成像设备的第一实施例，
图8示出了依据本发明的波束成形单元的第一实施例，
图9示出了依据本发明的波束成形单元的第二实施例，
图10示出了使用针对固定距离优化了的固定复合权重而获得的在所述距离处的天线阵列响应图，
图11示出了使用针对固定距离优化了的固定复合权重而获得的在另一距离处的天线阵列响应图，
图12示出了使用适合改变后的距离的固定复合权重而获得的天线阵列响应图，
图13A和图13B示出了典型(调频连续波)FMCW雷达系统，
图14示出了FMCW雷达系统的典型的频率对时间波形，以及
图15示出了从位于1米和1.1米的两个目标获得的典型的测距信息。
具体实施方式
包括有源成像装置和方法的有源成像系统在超声波的、微波、毫米波以及太赫兹的频率上，对于包括医疗和安全应用在内的很多应用，正在变得更加普及。例如安全有源图像系统，使隐藏在衣服下或者包里的可疑物品可以被看到并且可以被容易地识别。另一方面，医疗有源图像系统使种类繁多的生物项目可视化。
有源成像系统的发射器和接收器的布置可采取许多不同的形式，但是以下将会主要考虑如下系统，其中多个发射器和接收器共同工作以形成MIMO雷达或者MIMO有源成像设备。
主要有两种不同类型的MIMO雷达。第一种被称为统计MIMO。在这一系统中，天线被放置的彼此相隔很远，并典型地由多个雷达组成以提供对目标的不同的视角。通过这样做，MIMO雷达提供相对于衰落而言鲁棒的信号，因为总接收信号是不同接收信号的叠加。图1示出了统计MIMO的设备10的一个例子，其中的四个雷达单元11、12、13和14提供了对目标1的四个不同视角。
第二种类型的MIMO雷达被称为集中式的MIMO(或波束成形MIMO)。在该系统中，天线被放置的彼此靠近，一起工作以形成“虚拟的”波束成形阵列。图2中示意性地描述了集中式的MIMO设备20，其包括发射阵列21和接收阵列26，发射阵列包括几个(这里是四个)发射器22、23、24、25，接收阵列包括几个(这里是三个)接收器27、28、29。由于任何阵列的天线增益直接与天线元件的个数成正比，因此这一布置的优点(当在最佳设计时)是，在虚拟阵列30(由发射器阵列21和接收器阵列26间的多个点表示)中的元素的个数是NTx×NRx，其中NTx是发射器的个数，NRx是接收器的个数，而发射器和接收器的个数仅仅是NTx+NRx。
本发明主要适用于如图2所描述的集中式的MIMO(或波束形成MIMO)的情况，应该首先更详细地描述它。就像以上所说，发射器天线22、23、24、25和接收器天线27、28、29一起工作以形成虚拟阵列30。这一虚拟阵列30的每一个位置对应于发射器和接收器天线的一个特定组合。像普通接收器阵列一样，每一个接收信号乘以复合权重(Aeja)(也被称为“波束成形权重”)，其中每一个接收信号的振幅权重通过A表示且相移通过角度α表示。然后这些乘法器的输出被加起来产生最后的输出。
通过改变每个接收信号的相移，阵列具有最高灵敏度的接收信号的角度会随之改变，因此可以通过改变相移来引导(steer)产生的波束。通过改变每个接收信号的振幅权重，每个接收信号在全部接收器功率中的比例可以被改变，而且针对角度的精确的波束接收器灵敏度会被改变。
普通接收器波束成形和MIMO波束成形之间主要的区别是，对于MIMO波束成形，来自于各个发射器/接收器组合(或虚拟阵列位置)的每个接收信号需要乘以正确的复合(波束成形)权重以引导波束到正确的角度。如果不同发射信号(来自不同的天线)一次被发射一个(Tx信号时分复用(time multiplexed))，只有当所有的发射天线都已经发射完它们各自的信号时才能计算出最后输出的成形波束。图3示意性地描述了相应的波束形成单元40的实施例，该波束形成单元40用于进行波束成形以从接收信号获得波束成形输出信号。它包括NTx×NRx个乘法器41和加法单元42，该乘法器用于将每个波束成形权重乘以NTx×NRx个不同的接收信号51(例如存储在缓冲器43中，该缓冲器43接收作为输入的NRx个接收向量50)，该加法单元用于把乘法器41的输出加和起来。提供了查找表(LUT)44，其存储了正确的NTx×NRx个复合权重52以在指定的方向引导波束。从加法单元42输出波束成形输出53。
如果MIMO波束成形系统被设计为使所有的发射天线能同时进行发射，因为只有一个发射信号需要被发射，所以最后波束成形输出可以被更快地计算出来。图4示意性地描述了实施这样一个波束成形单元40’的实施例。在这个情况下，输入单元45正在同时接收作为输入的NTx×NRx个接收向量50’且因此不需要缓冲器(如图3所示实施例中的缓冲器43)。
图5示出了一个如何把发射和接收信号从MIMO阵列中的发射天线向远处的示例目标(通常为一场景)1传播的例子。对于这样的情境，因为在收发器阵列60(包括在阵列60边缘的多个发射天线61-68和在阵列60中间的多个接收天线69、70、71)和目标(对象)1之间的距离很远，因此在不同发射天线61-68和示例目标1之间的不同的传播路径基本上是平行的。两个示例路径T1和T4被示出。因为这个原因，所以在目标1和阵列60之间的距离发生变化时，在不同发射器61-68和目标1之间的路径长度的差却没有变化。应该注意，所述距离指的是在目标和阵列60中的参考点75之间的距离，参考点75位于例如在阵列60的中间位置(但是通常也会被放到其它位置，由于依据本发明，距离的变化是很常见的，这也是本发明的主要关注点)。
图5还示出了发射路径差T1-T4的例子。对从目标1到天线阵列60的接收到的反射信号来说也是同样的。在图5中接收信号路径的例子被标示为d1、d2和d3。在这些路径间的差的例子被标示为d1-d3和d2-d3。随着从目标1到天线阵列60的距离发生变化(并且只要不同的传播路径间保持平行)，这些接收路径的差不会发生变化。
如以上所说明的，在不同的接收信号之间的相移，使通过改变复合波束成形权重(特别是相移(这里相移差相当于路径长度差))来移动需要的波束的角度变为可能。由于在如图5所示的这种长距离情况下，当目标到天线阵列的距离变化时，路径差并不变化，所以当距离变化时，因为相应的路径差保持相同，所以设置在MIMO阵列中以引导到特定的角度的任何复合相位权重仍是有效的。
然而当目标靠近于天线阵列时，情况发生了变化。在图6中描述了这种情况。在这种情况下，从不同的发射天线61-68到示例目标1的所有的传播路径都有不同的角度(它们不再是平行的)。示例的路径如T1和T4所示。对从示例目标1到接收天线69、70、71的接收信号来说，也有同样的情况。当距离发生变化时，对于接收信号也有同样的情况。这意味着，当目标1和天线阵列60之间的距离发生改变时，不同发射信号与目标1之间的路径差也随之改变。当距离改变时，对于接收信号来说也是同样的。当改变目标距离时路径差随之发生的这种改变意味着，当目标到阵列的距离发生改变时，设置在MIMO阵列中以引导到特定角度的任何复合权重就不再是有效的。
这里应当注意，为了进行说明，图5和图6中已经示出了当目标1靠近天线阵列60时以及当目标1距离所述天线阵列60很远时信号传播路径的差别。然而，阵列60的尺寸也很重要。因此“(到目标的距离)/(阵列的尺寸)”的比值是另一有效的准则。如果这个比值高，可以认为目标位于远场中(即传播路径是平行的)，并且如果该比值低，可以认为目标位于近场中(即传播路径不是平行的)。换句话说，无论什么时候在此提及从目标至天线阵列(即发射元件和接收元件)的距离小(即本发明主要应用于的近场情况)，都应当理解这包括上述提及的“(到目标的距离)/(阵列的尺寸)”的比值很低的情况。
通常，被放置为距天线阵列的距离超过
2 D 2 λ - - - ( 1 )
的目标通常被称作处于远场中，其中D是天线的孔径尺寸(或MIMO阵列的‘虚拟尺寸’)，λ是正被发射(或者接收)的信号的波长。对于被放置在距天线阵列较近距离R1的目标，其通常被称作处于“辐射近场”中，其中R1被定义为
0.62 D 3 &lambda; < R 1 < 2 D 2 &lambda; - - - ( 2 )
对于被以更近距离R2放置的目标，其通常被称作处于“反应近场”中，其中R2被定义为
R 2 < 2 D 2 &lambda; - - - ( 3 )
通常，作为示例，如果假设操作频率是35GHz(λ＝8.57mm)并且天线的孔径尺寸为25λ(D＝21.4cm)，则在天线到目标的距离大于10.7米时远场开始。放置在距离天线10.7米和0.663米之间的目标被称为处于“辐射近场”中。放置在比0.663米更接近的目标被称为处于“反应近场”中。因此，在该示例中，本发明至少被应用于其中目标可被定位在距天线阵列小于10.7米的距离处的所有应用。
图7示出了依据本发明的有源成像设备100的示意图，该设备用于对目标1，或者更通常地，对包括目标的场景进行成像。它包括发射单元110(此处分为两个发射子单元)，该发射单元110包括至少两个(此处，八个)向目标1发射辐射112的发射元件111(之后辐射112也被称为发射信号112)。辐射接收单元120被设置，其包括至少两个(此处，三个)接收元件121，该接收元件121从目标1接收辐射122，并从接收辐射122产生接收信号123。在不同的实施例中，发射单元110和接收单元120一起形成天线阵列，其中不同的天线即发射元件111和接收元件121被沿一行布置(如图7所示，其中发射元件111被布置在左边缘和右边缘，接收元件121被布置在中间)或者被布置在一个共用平面上以形成二维阵列。然而，发射元件111和接收元件121的其它布置也是可能的。
为了从接收信号123形成目标1或整个场景的波束，有源成像设备100进一步包括例如由处理器、计算机或专用硬件来实现的波束成形单元130，其利用波束成形权重来执行波束成形以从接收信号123获得波束成形输出信号131。在一些实施例中，例如在采用了FMCW方法(如以下所说明的)的实施例中，发射信号112被与接收信号123一起使用(例如在FMCW雷达的接收器侧的混合器中)以获得波束成形输出信号131。
波束成形输出信号131可在处理单元200中被进一步处理以获得输出信号210(例如用于构建场景的图像210的图像构建单元)，其中处理单元200可以由处理器、计算机或专用硬件来实现。但是波束成形输出信号131也可以用于其它应用的其它目的，例如用于分析目标的结构和/或材料、用于检测或追踪目标或用于确定目标的距离和/或速度，对于其它应用，处理也可以在处理单元200中被执行。
依据本发明的有源成像设备100通常被配置用于MIMO波束成形。发射元件111向场景顺序发射或向场景同时发射辐射(发射信号)，其中由不同发射元件111发射的辐射被不同地编码、不同地调制或以不同频率发射。
依据本发明，波束成形权重适合(adapted to)目标1与一个或多个发射元件111和/或接收元件121之间的距离，该距离由距离指示符来指示。如果距离发生变化，如由距离指示符所指示的，则波束成形权重则随之相应变化以确保在波束成形单元中的最佳波束成形，从而不论目标与发射单元110和接收单元120之间的距离如何都获得可靠的波束成形输出信号，并且因此实现处理单元200中最准确的信号处理来获得例如最准确的场景图像。
所述距离指示符可以是在所述目标1(或场景)和参考点140之间的距离。如图7所示，所述参考点140通常位于天线阵列的中间，但是也可以被布置在到目标1(或场景)的距离清楚地且最准确地指示所述距离的任何变化的别处(例如在天线阵列的边缘)。
在另一个实施例中，所述距离指示符是在所述目标(或场景)和平均距离之间的距离，该平均距离是所述目标1(或场景)与不同发射元件111和/或接收元件121之间的两个或多个距离的平均值。换句话说，如果所述目标1(或场景)与两个或不同的发射元件111和/或接收元件121之间的距离是已知的(如以下所说明的)，可以生成平均值作为所述距离指示符使用。
依据本发明的波束成形单元130a的实施例，在图8中被示意性图示。通常地，这个波束成形单元130与如图3和4中所示的波束成形单元40、40’有一些相似点，但是进一步包括多个元件和功能。接收信号123也通常被存储于缓冲器150中，所述缓冲器150被设置用于存储来自于不同的发射器和接收器组合的所有的接收信号。如以上说明的，在乘法器133中，接收信号被乘以相应的波束成形权重134。设置求和单元135用于将乘法器133的输出相加和以获得波束成形输出信号131。
然而，与已知的实施例相反，波束成形权重134不是固定的和预先确定的，而是如果目标1(场景)与天线阵列110、120之间的距离发生变化(如通过也被提供给波束成形单元130a的距离指示符151所指示的)，则波束成形权重也发生变化。基于这个距离指示符151，选择单元136从存储单元152中选择正确的波束成形权重134，存储单元152存储用于不同距离的波束成形权重的多个集合。由于发射单元110和接收单元120的位置通常是固定的，所以优选地利用合适的仿真或计算提前获得这些波束成形权重的集合。这些仿真/计算得到的权重可以在测量单独的接收器和发射器的特定性质的校准过程发生后得到调节。然后最终优化的波束成形权重被存储在存储单元152中。
由于在实践中存储的波束成形权重的集合的数量是有限的(即不是对确切地每一个距离都有一个可用的集合)，所以由所述选择单元136从所述存储单元152中取出指定给当前距离或指定给最接近于当前距离的距离的波束成形权重的集合用于执行波束成形。在另一个实施例中，将由选择单元136从所述存储单元152中取出指定给最接近于当前距离的多个距离的波束成形权重的多个集合，并且将优选地由选择单元或独立的计算单元根据从所述存储单元152中取出的多个集合来计算内插后的波束成形权重的集合用于执行波束成形。
在如图9所描述的波束成形单元的替换实施例130b中，设置了权重计算单元137，其依据由距离指示符151指示的当前距离确定波束成形权重。这样，权重就不是被提前获得并存储在存储单元中的，而是在运行中来计算的。
优选地，为了该计算，权重计算单元137接收关于天线阵列的几何形状(特别是发射元件111和接收元件121的位置)、需要的波束角度、到目标的距离以及操作频率的输入信息。一旦权重计算单元137接收到这些变量，就可针对需要的波束角度、到目标的距离以及操作频率来计算用于不同信道(不同发射器(Tx)和接收器(Rx)元件)的不同传播路径间的相位差。假设有NTx个发射元件111和NRx个接收元件121，可以生成一个(NTx×NRx)矩阵T，其包含表示每个Tx/Rx组合之间的这些相位差的指数
Figure BSA00000723913900131
在需要的波束方向上的最大信号强度的简单算法然后将把最后的复合波束成形权重设置为T*，其中(*)表示共轭运算。
应当注意，这只是在需要的波束方向上最大信号功率的波束成形算法的一个例子。可以采用考虑了干扰信号的存在(以及优化载波干扰比)或者可能需要其它参数(即在需要最小响应情况下的角度)的更为复杂的算法。
图10示出了示例性MIMO波束成形线路布置(类似于图2所示的布置)的仿真响应(相对于角度的功率增益)，其中使用了八个发射器(具有0.5个波长的间距)和八个接收器。天线阵列和目标之间的距离被设置为117个波长。在该例子中，波束成形权重被计算出以在这个距离处使用并且指向零度位置。
当在58个波长距离的情况下采用相同的波束成形布置(以及相同的复合权重)时，可以得到如图11示出了仿真响应。可以看出，与图10相比，在天线阵列的响应方面有相当的退化。
然而，如果在58个波长的新的距离时，如本发明所建议，对所述复合权重进行修改和优化，则天线阵列响应就可以被大大改进。图12示出了当使用具有为58个波长而优化的新复合权重的相同的天线阵列时的响应。正如可以看到的，产生的响应几乎与在117个波长时的(如图10所示)相同。
根据本发明不同的实施例，有多种不同的方法可以得到依据本发明的距离指示符，其用于选择或者计算最佳波束成形权重。在图9中示出了不同的选项(其也可以被同时使用或者在其它波束成形单元的实施例中使用)。用于获得距离的各种元件作为有源成像设备的、波束成形单元外部的元件被示出，其也可以(部分地或完全地)是波束成形单元的一部分。
在一个实施例中，可以由用户或者操作者通过接口160选择距离值151(表示距离指示符)，如图9所示的一个选项。所述接口可以由选择轮、触摸屏、屏幕菜单、鼠标、键盘或者任意其它合适的人机接口来实现。如果所述距离是已知的或者是由用户或操作者通过使用任何标记(例如在地面或者墙面上)很容易得到的，这是特别有用的。
在另一个实施例中，距离值151(表示距离指示符)是利用用于确定当前距离的外部距离确定单元161a来测量的。所述距离确定单元161a优选地包括距离测量单元165，特别是光学测量单元、超声波测量单元或电子测量单元，即使用激光技术、超声波技术或一些其它距离测量技术。
在距离确定单元的又一个实施例161b中，设置了距离计算单元164，其根据所述发射的发射信号以及响应于所述发射信号而接收的从辐射获得的接收信号来计算距离，例如根据单个接收信号或至少两个接收信号的平均或加权平均来计算距离。包含在发射信号和接收信号中的至少部分的信息(例如自发射元件至接收元件的信号的时间持续)通常被用于确定距离。
于是，在距离确定单元的示例性实施例161b中，距离值来源于使用MIMO波束成形的有源成像系统得到的测距信息。该选项假设(将经常为这种情况)采用MIMO波束成形的有源成像系统发射用于获得测距/距离信息的波形。典型地，这种波形包括宽带短脉冲(经常被用于超宽带(UWB)雷达中)、调频连续波(FMCW＝Frequency ModulatedContinuous Wave)脉冲(啁啾脉冲(chirp pulses))或可包括也可不包括任何扩展或编码技术的一些其它合适的波形。
因为许多有源成像系统可能使用上面描述的这样一个测距能力，并且因为这样的系统典型地使用FMCW技术，因此应当简单地介绍一下FMCW技术。在G.Brooker的“Understanding Millimeter Wave FMCWRadars(理解毫米波FMCW雷达)”1st International Conference on SensingTechnology，Novermber 21-23，2005，Palmerston North，New Zealand，第152-157页中可以找到FMCW的完整的说明。
通常如图13A所示的FMCW雷达发射被调频的(频率随着时间而改变的)连续波信号以产生啁啾信号。此信号被发送至要被检查的目标并且还通过耦合器被馈送到接收器。发射信号将被目标反射，其中反射的等级将取决于目标的特性，并且被FMCW雷达的接收器部分接收。因为发射的啁啾脉冲(具有啁啾脉冲持续Tb)随着时间改变其频率，所以对于给定时刻所接收到的确切频率取决于目标的位置有多远以及对应的飞行时间(在图13B中被标示为Tp)。此接收信号然后与发射的啁啾(经过所述耦合器)混合，然后混合器的输出的频率是发射和接收信号间的频率差。这个被称为拍频(beat frequency)(fb)，并直接与FMCW雷达和目标之间的距离成正比。
发射信号(啁啾脉冲)和接收信号的相对于时间的频率变化在图13B中分别被示出为实线和虚线。发射信号和接收信号间的频率差即拍频(fb)也被标示出。典型的FMCW雷达系统通常连续地发送啁啾脉冲，并且典型的相对于时间的频率变化如图14所示。也可能有斜坡信号的其它变化。当为了获得测距信息而选择上述确定距离的选项、即使用利用MIMO波束成形而从有源成像系统获得的测距信息时，还有一些关于如何选择和处理测距信息的进一步的选项。
被处理测距信息的选择可基于一个感兴趣的具体的波束，或者可以来源于表示感兴趣的选择区域的一些所选择波束的平均或加权平均。一旦决定了哪个波束或哪个所选波束集合将被用于所述测距信息，就需要从所选测距信息中确定最相关的距离。图15示出了对于两个示例层的测距信息的示例输出。
为了确定最相关的距离，在一实施例中提出选择测距信息的最大峰值。最大峰值可表示测距信息的最高接收功率或最高电压。也可采用更复杂的技术，包括多峰值的平均或加权平均。这样的方案在目标具有多层时(如图15所示)将会很有用。因此，所选的距离将是不同层的距离的平均值(或加权平均值)。
为了获得测距信息，初始信号被发送和接收，这意味着第一个接收到的图像帧可能对于距离没有被正确的优化。因为为了获得测距信息需要至少一个帧，因此这一方法较适合于具有高帧频的系统。
测距信息可以由超过一个的迭代步骤来获得并且可以被持续地更新，这在感兴趣的目标(或感兴趣的选择区域)移动时将会特别有用。
总之，本发明提供了一种有源成像设备和方法，其提供了优化的波束成形性能，并且因此，提供了对目标至天线阵列的所有距离处的以及还针对移动对象(即在距离改变(持续地或不时地)的情况下)的成像空间分辨率。进一步地，当在天线阵列的近场内扫描目标时，这些目标可以位于一距离范围之内，而不是如已知系统所通常要求的位于固定的距离。
在附图和前文的描述中详细地说明和描述了本发明，但这些说明和描述被认为是说明性或示范性的且并非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。通过学习附图、公开内容和所附权利要求书，可由本领域技术人员在实践所要求保护的本发明中理解和实行对所公开的实施例的其它变形。
在权利要求书中，词语“包括”并不排除其它元件或步骤，且不定冠词“一”并不排除为多个。单个元件或其它单元可实现在权利要求书中所叙述的若干条目的功能。在彼此不同的从属权利要求中叙述某些措施的简单事实并不表明不可利用这些措施的组合来取得有益结果。
计算机程序可存储/分布于合适的非临时性介质上，诸如与其它硬件一起供应或作为其它硬件的一部分供应的光储存介质或固态介质，但也可以其它形式被分发，诸如经由因特网或其它有线或无线电信系统。
在权利要求书中的任何附图标记不应认为限制范畴。

Claims (27)

1.一种波束成形设备，包括：
发射单元(110)，包括向场景(1)发射辐射的至少两个发射元件(111)，
接收单元(120)，包括从所述场景(1)接收辐射并且从所述接收的辐射生成接收信号的至少两个接收元件(121)，以及
波束成形单元(130)，通过使用波束成形权重来执行波束成形以从所述接收信号获得波束成形输出信号，其中，所述波束成形权重适合所述场景与一个或多个发射元件和/或接收元件之间的距离，所述距离通过距离指示符进行指示，并且其中，所述波束成形权重在所述距离改变的情况下被改变。
2.如权利要求1所述的波束成形设备，
其中，所述波束成形设备被配置用于MIMO波束成形。
3.如权利要求1或2所述的波束成形设备，
其中，所述波束成形单元(130)被配置为通过将来自于不同发射器的所有接收信号乘以单独的波束成形权重来进行波束成形。
4.如前述任意一个权利要求所述的波束成形设备，
其中，所述发射元件(111)被配置为向所述场景(1)顺序地发射辐射。
5.如权利要求1-3中任意一个所述的波束成形设备，
其中，所述发射元件(111)被配置为向所述场景(1)同时发射辐射，其中，由不同发射元件发射的辐射被不同地编码或调制或者处于不同的频率。
6.如前述任意一个权利要求所述的波束成形设备，
还包括存储单元(152)，存储用于不同距离的波束成形权重的多个集合。
7.如权利要求6所述的波束成形设备，
其中，所述波束成形单元(130a)被配置为从所述存储单元(152)中取出指定给当前距离或指定给最接近于当前距离的距离的波束成形权重的集合用于执行波束成形。
8.如权利要求6所述的波束成形设备，
其中，所述波束成形单元(130)被配置为从所述存储单元(152)中取出指定给最接近于当前距离的多个距离的波束成形权重的多个集合，并且从取自于所述存储单元的多个集合来计算经过内插的复合权重的集合用于执行波束成形。
9.如权利要求1-5中任意一个所述的波束成形设备，
还包括根据当前距离确定所述波束成形权重的权重计算单元(137)。
10.如前述任意一个权利要求所述的波束成形设备，
还包括确定当前距离的距离确定单元(161a，161b)。
11.如权利要求10所述的波束成形设备，
其中，所述距离确定单元(161a)包括距离测量单元(165)，该距离测量单元(165)是光学测量单元、超声波测量单元或电子测量单元。
12.如权利要求10所述的波束成形设备，
其中，所述距离确定单元(161b)包括距离计算单元(164)，该距离计算单元(164)从所述被发射的发射信号和得自于响应于所述发射信号而接收的辐射的所述接收信号来计算所述距离。
13.如权利要求12所述的波束成形设备，
其中，所述发射元件被配置为发射宽带短脉冲或啁啾脉冲，所述啁啾脉冲是FMCW脉冲。
14.如权利要求12或13所述的波束成形设备，
其中，所述距离计算单元(164)被配置为从单个波束成形接收信号或从至少两个波束成形接收信号的平均或加权平均来计算所述距离。
15.如权利要求14所述的波束成形设备，
其中，所述距离计算单元(164)被配置为从表示最高检测功率或电压的最大峰值来计算所述距离。
16.如权利要求14所述的波束成形设备，
其中，所述距离计算单元(164)被配置为从至少两个表示最高检测功率或电压的最大峰值的平均值或加权平均值来计算所述距离。
17.如前述任意一个权利要求所述的波束成形设备，
还包括接口(160)，使用户能够输入所述距离或修改假定的距离。
18.如前述任意一个权利要求所述的波束成形设备，
其中，所述发射元件(111)和/或所述接收元件(121)被布置为大致形成一维的行或者二维的阵列。
19.如权利要求18所述的波束成形设备，
其中，所述距离指示符是所述场景分别与所述行或阵列上的参考点之间的距离。
20.如权利要求18所述的波束成形设备，
其中，所述距离指示符是所述场景和平均距离之间的距离，该平均距离是在所述场景分别与被布置在所述行或阵列上的不同发射元件和/或接收元件之间的两个或更多个距离的平均。
21.一种波束成形方法，包括：
向场景(1)发射辐射，
从所述场景(1)接收辐射，
从所述接收的辐射生成接收信号，以及
通过使用波束成形权重来执行波束成形以从所述接收信号获得波束成形输出信号，其中，所述波束成形权重适合所述场景与一个或多个发射元件和/或接收元件之间的距离，所述距离通过距离指示符进行指示，并且其中，所述波束成形权重在所述距离改变的情况下被改变。
22.一种用于对场景进行成像的有源成像设备，包括：
如权利要求1所述的波束成形设备，以及
处理单元(200)，处理所述波束成形输出信号(131)用于从所述波束成形输出信号构建图像(210)和/或检测所述场景中的目标。
23.一种用于对场景进行成像的有源成像方法，包括：
如权利要求21所述的波束成形方法，以及
处理所述波束成形输出信号(131)用于从所述波束成形输出信号构建一图像(210)和/或检测所述场景中的目标。
24.一种波束成形单元(130)，包括：
输入单元(133)，接收从响应于向场景(1)发射的辐射而从所述场景(1)接收的辐射生成的接收信号，以及
处理元件(133、134、135)，通过使用波束成形权重来执行波束成形以从所述接收信号获得波束成形输出信号，其中，所述波束成形权重适合所述场景与一个或多个发射元件和/或接收元件之间的距离，所述距离通过距离指示符进行指示，并且其中，所述波束成形权重在所述距离改变的情况下被改变。
25.一种处理方法，包括：
接收从响应于向场景(1)发射的辐射而从所述场景(1)接收的辐射生成的接收信号，以及
通过使用波束成形权重来执行波束成形以从所述接收信号获得波束成形输出信号，其中，所述波束成形权重适合所述场景与一个或多个发射元件和/或接收元件之间的距离，所述距离通过距离指示符进行指示，并且其中，所述波束成形权重在所述距离改变的情况下被改变。
26.一种计算机程序，包括：用于当所述计算机程序在计算机上执行时使计算机执行如权利要求25所述的方法的各个步骤的程序代码装置。
27.一种存储了指令的非临时性计算机可读介质，所述指令在计算机上被执行时使得计算机执行如权利要求25所述的方法的各个步骤。
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