CN102857287A - 宽带波束形成设备,宽带波束导向设备及相应的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明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。

Description

宽带波束形成设备,宽带波束导向设备及相应的方法
技术领域
本发明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。本发明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，本发明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。
背景技术
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。在与本发明相关的实施例中，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.Hu et al，″Design ofLook-up Based Architecture for Wideband Beam forming″，2010 InternationalWaveform Diversity and Design Conference August 08-132010)，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.Hu et at，″Robust Wideband Beam forming″，IEEE National Aero-space and Electronics Conference，July 14-16th 2010)，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.Matthews etal，″Wideband Radar Adaptive Beam forming using Frequency Domainderivative based updating″)，描述了一种执行宽带自适应波束形成以缓和宽带干扰(wideband jammer)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，″WidebandCapon Beam forming for a planar phased radar array with antennaswitching″)，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。
发明概述
本发明的一个目的是，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。本发明的另一个目的是，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。
根据本发明的一个方面，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。
根据本发明的另一个方面，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。
根据本发明的另一个方面，提供一种波束形成和波束导向设备，包括：
宽带发送单元，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；
波束导向单元，其通过使用波束导向权重执行波束导向，以从所述发送信号中形成发送波束，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；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。
根据本发明的再另一个方面，提供了一种有源成像设备，其包括根据本发明的波束形成设备、波束导向设备和/或波束形成和波束导向设备、以及用于处理它们的输出信号的处理设备。
根据本发明的再其它方面，还提供了相应的方法，一种包括程序装置的计算机程序，该程序装置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波束形成方法或波束导向方法的步骤；以及其上存储了指令的计算机可读非临时性介质，当在计算机上执行时，使该计算机执行根据本发明的波束形成方法或波束导向方法的步骤。
在从属权利要求中限定了本发明的优选实施例。应该理解的是，所要求保护的设备、所要求保护的方法、所要求保护的计算机程序和所要求保护的计算机可读介质，都像从属权利要求中定义的以及下文中描述的那样，具有相似和/或相同的优选实施例。
对任何波束形成装置来说通常会有带宽限制，因为形成特定波束的复杂的加权(用在发送器和/或接收器)仅在一个特定频率有效。对发送或接收宽带信号的系统来说，所形成的波束因此严重劣化。基于这个认识，本发明基于这样的理念，使用可应用于宽带系统的波束形成方法(在接收器侧)和/或波束导向方法(在发送器侧)，其中宽带系统中所发送和/或所接收信号的频率以一种已知/确定的方式扫换或随时间变化。可能的示例性应用是FMCW雷达系统、跳频通信系统或基于啁啾的通信系统。
从而，本发明提供一种用于实现发送和/或接收信号的宽带波束形成的简单有效的方法，其中信号频率以已知/确定方式随时间变化。已知的方法比已提出的解决方案复杂得多，因为需要复杂的滤波配置，和/或主要处理同时在许多频率上发送的信号。
如上所述，宽带波束形成的挑战在于，用一个固定的权重向量在不同的频率处将波束引导到不同的方向。已知的解决方案(根据Z.Hu或B.Matthews的提议)提出使用2D滤波或频域滤波器。M.S.Lee提出使用需要计算所接收信号的协方差的卡蓬波束形成。US 6,940,917提出使用多载波系统，并对不同的载波使用不同的权重向量。相反，本发明提出，根据所接收(和/或所发送)信号的频率随时间如何变化，而改变波束形成向量(和/或波束导向向量)。而且，根据本发明，在一个时刻仅发送一个信号(即，一个频率的辐射)，以确保该信号发送(辐射)是已知的，即以确定的方式完成。
更特别地是，本发明教导了如何对不同的频率使用不同的权重。已知的解决方案通过使用2D滤波或FFT处理宽带信号，以将所接收和/或所发送信号分开到不同的频带，然后为不同的频带提供不同的权重，即，它们提供频域中的解决方案。相反，根据本发明，在任何时间点处理的信号被限制为窄带信号，尽管该信号能够在宽带宽中扫换。由于这种约束，所提出的解决方案解决了在时域中所造成的问题，因此更加简单。特别是将FMCW用作发送辐射时，这可以在比RF频率低很多的基带(差频)中完成。
附图说明
参考下文中描述的实施例，通过下面更详细的解释本发明的这些和其它方面将变得清楚。在附图中：
图1示出了根据本发明的包括波束形成设备的有源成像设备的第一实施例的示意图，
图2示出了根据本发明的波束形成设备的实施例的更详细的图，
图3示出了说明波束形成原理的图，
图4示出了说明固定权重波束形成的波束斜视(squint)效果的图，
图5示出了典型的(调频连续波)FMCW雷达系统的示意图，
图6示出了FMCW雷达斜坡函数和采样的图，
图7图示了根据本发明的宽带波束形成的图，
图8A至图8D图示了应用或不应用本发明的点目标的重建的图，
图9图示了在波束形成方向上三个目标的点目标响应的图，
图10图示了在波束形成方向上的点目标响应的更详细的图，
图11图示了在范围方向上三个目标的点目标响应的图，
图12示出了根据本发明包括波束导向设备的有源成像设备的第二实施例的示意图，
图13示出了根据本发明的波束导向设备的实施例的更详细的图，以及
图14示出了根据本发明包括波束导向设备和波束形成设备的有源成像设备的第三实施例的示意图。
具体实施方式
图1中示出了包括根据本发明的波束形成设备2的用于对场景5成像的根据本发明的有源成像设备1a的大体结构。该波束形成设备2包括宽带发送单元10，该宽带发送单元10包括至少一个向所述场景5发送辐射(所述辐射也称为发送信号)的发送部件11，其中辐射的频率在宽带频率范围内以一种确定的方式随时间变化。该波束形成设备2还包括接收器单元20，该接收器单元20包括至少两个从所述场景5中接收辐射并从所述接收到的辐射中生成接收信号的接收部件21、22。提供了波束形成单元30，执行波束形成以形成接收波束，并利用波束形成权重从所述接收信号中获得波束形成后的输出信号，其中对接收信号的不同样本或连续样本的群组来说，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，该依赖于频率的权重适合于导致所述接收波束的预定形状。而且，提供了处理单元45，用于处理波束形成单元30的波束形成后的输出信号，例如用于重建场景5的图像。然而，波束形成后的输出信号也能够用于其它目的，并且可以用在除有源成像设备之外的其它设备中，例如用于目标检测、距离确定等等。
图2中描绘了波束形成设备2a的实施例的更详细的示例性实现方式的示意图。发送器10(即发送单元)包括至少一个发送部件，在这里在本示例中示出了两个发送部件11、12。每个发送部件11、12包括波形生成器13，该波形生成器13产生其频率随时间变化的重复波形，典型地是啁啾(chrip)脉冲。所生成的波形随后传到接收器单元20的每个(至少两个，这里是三个)接收部件21、22、23，并且也传到发送部件11、12的内部RF单元14(也称为发送器前端)。该内部RF单元14典型地放大该波形，以使其具有正确的功率电平用于传输。
通过发送器天线15向场景5发送辐射16。通常，每个发送器天线15耦合于其自身的发送部件11、12。然而，在其它实施例中，两个或更多发送器天线15可以耦合/切换到单个(共同的)发送部件。然后，由不同的接收天线25接收反射的信号26。以与发送器天线15类似的方式，每个接收天线25通常耦合于其自身的接收部件21、22、23。然而，在其它实施例中，两个或更多接收天线25可以耦合/转换到单个(共同的)接收部件。
在接收器前端24中的几级RF放大(和/或下变频)之后，将得到的信号传到混合器27(优选地是I/Q混合器或者是混合器和I/Q生成电路，比如Hilbert滤波器变换)，该混合器27将该信号与直接从发送部件11、12中接收到的波形混合，以产生复合“差频(beat frequency)”波形，其频率与目标的距离相对应(例如，通过应用如下所述的常见的FMCW接收器原理)。
混合器27的复合输出通常随后被滤波并被传到产生数字输出29的两个A/D(模拟到数字)转换器28，所述数字输出29优选地是I和Q输出(即，同相输出和正交输出)。将这些输出29传到波束形成单元30，波束形成单元30对不同的接收到的信号29进行放大和相移，从而可以形成不同的波束位置。波束形成后的输出信号31随后可以受到进一步的处理，例如在如上所述的有源成像设备中可以用以重建场景5的图像。
根据本发明的波束形成设备2a的这个实施例，该A/D输出29也被传到频率测定单元50，该频率测定单元50测量、估计或预测相应接收信号26的样本的瞬时频率。在此基础上，波束形成单元30根据该瞬时频率改变复合权重，以获得预定形状的波束。基于天线几何形状和频率，数学上能够计算用以波束形成到某一个方向的辐射的权重，理论上它可以补偿到达每个天线的波传播延迟。然而，在正常运行中，一般使用预先优化的权重或者可以用数学方法在运行中计算权重。
由于所发送辐射的确定的性质，瞬时频率能够被预测；或者，例如用频率跟踪电路能够测量瞬时频率。此外，存在确定瞬时频率的另外的方法并且可以用于本文。
在解释本发明的更多细节之前，将更详细地解释波束形成。
波束形成沿一个特定的方向集中能量，从而在这个方向上接收或发送信号，同时拒绝来自其它方向的信号。来自一组较小天线的无线电信号被合并，以实现较大的方向孔径。这些天线可以沿着一条直线、在一个平面内、以一种系统性或者随机的方式放置。这些天线也可以布置为单入多出(SIMO)系统、多入单出(MISO)系统或多入多出(MIMO)系统。在通信中，波束形成用于将天线指向信号源，以降低干扰并且提高通信质量。在成像系统中，波束形成可以用于将天线引导并聚焦于不同的方向，以形成不同位置的图像。
波束形成的基本理念是补偿整个天线阵列上的波传播延迟，以创建某种干涉图样，如图3中所说明的，其中大部分信号能量进入一个角方向。
有不同的方案可以对信号进行波束形成。一个方案是使用真实的时间延迟以补偿时间延迟。需要具有恒定组延迟的延迟结构。这经常通过光学装置生成。因此，宽带波束形成可以用真实的时间延迟实现。另一个方案利用相移来补偿时间延迟。对于这种情况，每个相移将阵列中每个天线的接收信号的相位改变稍微不同的量。通过改变每个接收到的(或所发送的)信号的相移，使得阵列具有最高敏感性的接收到的(或所发送的)信号的角度可以改变并因此可以导向波束。
相移可以利用模拟移相器实现。相位通常是固定的，即它们不随时间改变，或者具有有限形式的适应性。最常用的波束形成技术是，保持振幅权重固定而仅改变相位权重以导向波束。这种自适应的天线被称为是相控阵列(phased array)。每个天线元件的输出(或输入，在传输情况下)连接到移相器，将这些移相器的输出求和，得到期望方向上的波束。这就得到了单个波束。如果同时需要更多波束，则使用更多波束形成网络。
另一方面，数字波束形成利用数字信号处理技术实现了相移。从天线接收到的信号在RF频率、IF频率或在基带从模拟域转换到数字域。在模拟信号转换到数字域之后，通过与预定的复合权重相乘来加权所接收的信号来执行波束形成。这些复合权重可以预先确定，并可以自适应地变化。数字波束形成是有吸引力的，因为与模拟域中应用的简单方法相反，可以应用高度复杂的自适应信号处理算法。可以容易地同时生成多个波束而不用增加任何附加硬件。
本发明通常涉及在数字域中利用相移补偿时间延迟的数字波束形成。下面的论述将集中于波束形成接收器。然而，本发明也适用于波束形成发送器和MIMO系统。
对某一时间延迟来说，对特定的频率存在固定的相移。不同的频率具有不同的相移。对于窄带系统，相移几乎对频带中的所有频率都相同，因此其时间延迟可以近似为中心频率的单一相移。对于宽带系统，这种近似不再有效，因为在频带中低频和高频之间的波长差太大。因此，对不同的频率引导波束到不同的方向。这种效果称为波束斜视(squint)。如图4中看到的，固定的权重向量被用于导向该波束。波束在142.35GHz导向为14.7度，在140GHz导向为15度以及在137.65GHz导向为15.25度。波束导向方向差随着频率差的增加而增加。在这样的宽带系统中，使用固定相移的传统波束形成方法不再起作用。
本发明提出一种自适应波束形成方法，其根据所发送或所接收信号的频率改变其复合权重。该方法适用于宽带系统，其中所发送或所接收信号的频率以预定的方式随时间扫换或变化。可能的示例性应用可能是通常用于传输各种数据的FMCW雷达系统、跳频通信系统或基于啁啾的通信系统。此外，本发明还可以适用于这样的系统，其同时发送多个扫换或时间变化的信号，而这些信号在接收器中可以分开。
作为一个示例，在这里更加详细地解释FMCW。2005年11月21-23日，在新西兰北帕默斯顿召开的第一届国际传感技术会议，第152-157页G.Brooker发表的“理解毫米波FMCW雷达”中给出了FMCW的详细说明。如图5中描绘的那样，FMCW雷达发送连续波信号，该连续波信号被调频(频率随时间变化)以产生啁啾脉冲。将其发送到要被检查的目标并且也通过耦合器将其提供给接收器。取决于目标的性质，所发送信号将被目标反射，并由FMCW雷达的接收器部分接收。由于所发送的啁啾脉冲随时间改变其频率，对给定的时间点接收到的准确频率取决于目标位于多远及相应的飞行时间(Tp)。这个接收到的信号随后与所发送的啁啾(通过耦合器提供给混合器)混合，而且混合器输出的频率是所发送和接收到的信号之间的频率差。这被称为差频(fb)，并与FMCW雷达和目标之间的距离成正比。
由模数转换器(ADC)将差频信号从模拟域转换到数字域。然后，将来自ADC的复合I/Q信号通过傅里叶变换转换到频域，以得到每个频率仓(bin)。这些频率仓直接涉及到目标的范围。
在图6中以实线和虚线分别示出了发送器信号(啁啾脉冲)和所接收信号的相对于时间的频率变化。也标注了所发送信号和所接收信号之间的频率差，差频(fb)。如图6中看到的，所发送和所接收信号的频率随时间变化。在每个采样点，信号的频率已知，并且所发送和所接收信号的带宽限于一个给定的时间点。因此，提出对不同样本使用不同权重向量，而且针对该(啁啾)波形的每个样本的瞬时频率对这些权重向量执行优化。
FMCW信号的模型可以表达为：
S ( t ) = exp { j ( ω 0 + α 2 t 2 ) } , 0 ≤ t ≤ T - - - ( 1 )
其中T是啁啾脉冲周期，ω0是初始频率而α是啁啾率。脉冲被发送并且被目标反射回来。从单个目标接收到的回波信号是：
S r ( t ) = exp { j ( ω 0 ( t - T p ) + α 2 ( t - T p ) 2 ) } - - - ( 2 )
其中Tp是所发送信号的往返飞行时间。从目标反射的所接收信号的瞬时频率由下式给出：
ωinst＝ω0+α(t-Tp).                                (3)
假设要补偿的时间延迟为τ，用于导向波束所要求的相移由下式给出：
在数字波束形成系统中，在应用波束形成之前样本被数字化。假设ADC采样率是fs，采样间隔是Δt，在等式(4)中时间t可以用t＝Δt·n代替。得出的相移由下式给出：
Figure BSA00000744797500122
其中n是时间样本的数量。从上面的等式可以看出，不同的相移应用于不同的时间样本。优选地是，针对每个单独的时间样本根据单独的瞬时频率对相移进行优化。
假设在天线阵列中M个通道可用，每个通道的相移可以由下式给出：
Figure BSA00000744797500123
上面的等式可以以向量形式改写为：
Figure BSA00000744797500124
图7示出了根据本发明所提出的宽带波束形成方法的框图。由天线的阵列接收来自方向θ的信号波。邻近的天线之间的时间延迟为τ。所接收的信号被去啁啾，并随后转换到数字域。来自每个通道的复合数字样本与复合权重相乘以移动其相位。最后，计算所有相移后的样本的和，以得到波束形成后的信号。根据所接收信号的瞬时频率针对每个时间样本优化该复合权重。
图8到11中示出了所提出的宽带波束形成方法的仿真性能。该仿真的中心频率为140GHz。FMCW信号的带宽为15GHz。九个点目标均匀地放置在大小为0.3m×0.5m的二维场景中。
图8表示利用传统的固定权重方法(图8A和8C)和所提出的自适应权重方法(图8B和8D)二者的点目标的仿真重建。可以看到，自适应权重方法在波束形成方向和范围方向二者上表现出更好的性能。图8C和8D显示一个重建的点目标。图8中明显地示出了，所提出的自适应权重方法产生比固定权重方法小得多的点，这意味着所提出的自适应权重方法具有更好的空间分辨率。
图9到11分别针对传统的固定权重方法和所提出的自适应权重方法，示出了波束形成维度(图9和10)和范围维度(图11)中的点目标响应。
在图9中，示出了在相同范围距离和不同波束形成方向中的三个目标的点目标响应。如图9中所示，在波束形成维度中，当波束指向中心方向(0°)时，两种方法没有区别。只要引导波束离开中心，固定权重方法的性能就降低。波束宽度变得越宽，而波束的增益越下降。然而，在引导波束离开时，自适应权重方法几乎保持了相同的性能。如图9中所示，在所有三个方向上，所提出方法的波束宽度几乎相同。当波束被导向到±14.5°时，波束增益仅有少量降低，而与传统的固定权重方法相比，所提出方法的增益下降相当少。
图10中示出了波束形成维度中在14.5°的一个目标的放大的点目标响应。可以看到，当波束被导向到14.5°时，所提出的自适应权重波束形成方法的半功率波束宽度(HPBW)大约是0.7°，而传统的固定权重波束形成方法的HPBW大约是1.4°。因此，所提出的自适应方法与传统方法相比，实现了好两倍的空间分辨率。
如图11中所示，在范围维度中，所提出的自适应权重方法在所有不同的范围都比传统方法表现得更好。所提出的方法表现出更窄的波束宽度和更高的副瓣抑制。
在图12中示意性地示出了，包括根据本发明的波束导向设备3的根据本发明的有源成像设备1b的第二实施例。波束导向设备3包括宽带发送单元10和接收器单元20，该宽带发送单元10包括至少两个向所述场景5发送辐射的发送部件11、12，其中辐射的频率在一个宽带频率范围内以预定的方式随时间变化，该接收器单元20包括至少一个从所述场景5中接收辐射并从所述接收到的辐射中生成接收信号的接收部件21。而且，波束导向设备1b包括波束导向单元40，该波束导向单元40通过利用波束导向权重来执行波束导向，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组来说，样本表示在不同频率的所述发送辐射，依赖于频率的权重被用于波束导向，该依赖于频率的权重适合于导致预定形状的所述发送波束。而且，提供了处理单元45，用于处理接收器单元20的接收信号，例如重建场景5的图像。然而，接收信号也能够用于其它目的，并且可以用在除有源成像设备之外的其它设备中，例如用于目标检测、距离确定等等。
图13中示意性地示出了波束导向设备3a的实施例的更详细的示例的实现方式，在很大程度上与图2中示出的波束形成设备2a的实现类似，除了这里由波束导向单元40取代波束形成单元30之外。然而，可选择地，可以另外提供波束形成单元30，但是接收部件21、22、23的数字输出29也可以被有区别地处理或用于其它目的。
而且，在这个实现方式中提供了存储依赖于频率的权重的存储器单元60。在波束形成设备2、2a中也可以提供这样的存储器单元60。通常，能够预先获得这些依赖于频率的权重，例如，在设置波束导向设备3a(或者有源成像设备1b)期间，或者在制造和安装之后，或者以有规律的间隔。该依赖于频率的权重随后可以从存储器单元60(无论存储任何权重)中获得，并在设备的实际运行期间由波束导向单元40用于波束导向。
而且，在这个实现方式中，波束导向设备3a包括权重计算单元70，其通过如上所述的数值计算来计算所述依赖于频率的权重。同样，可以在波束形成设备2、2a中提供这样的权重计算单元70。
尽管本实施例的波束导向设备3a包括存储器单元60和权重计算单元70二者，也可以只提供存储器单元60和权重计算单元70其中之一。同样适用于波束形成设备。
在图14中示出了根据本发明包括波束导向和波束形成设备4的有源成像设备1c的第三实施例。它包括如上所述的波束导向单元40，和用于在发送器侧及接收器侧都执行波束形成的波束形成单元30。
通常，在波束导向设备中，发送部件11、12配置为同时向所述场景5发送辐射，其中由不同的发送部件发送的辐射是相同的。
而且，在一个实施例中，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，并且使用适合于所发送辐射的连续样本群组的中心频率或平均频率的权重。优选地，波束导向单元40配置为使用所述权重的依赖于频率的相移来进行波束导向。
甚至，在优选的实施例中，发送单元被设计为照亮场景的照明单元。
总之，本发明提供的有源成像设备和方法，其能够在发送器侧和/或接收器侧提供最适宜的波束形成性能和由此而来的高成像空间分辨率，特别用于宽带数字波束形成。而且，提出了一种适当地自适应波束形成设备及方法和一种适当地自适应波束导向设备及方法。本发明的主要优势在于可以用最小的波束宽度(即，没有波束斜视)实现最佳的波束形成，而且可以很容易地用简单的实现方法来实现本发明。
在附图和前述的说明书中已经详细地图示并描述了本发明，但是这样的图示和描述被认为是图示性的或示例性的而不是限制性的。本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过对附图、说明书及所附权利要求的研究，在实践要求保护的发明过程中，可想到并实现所公开的实施例的其它变型。
在权利要求中，词语“包括”不排除其它部件或步骤，并且不定冠词“一个”不排除多个。单一元件或其它单元可以实现权利要求中叙述的几个项目的功能。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的事实，不代表不能用这些措施的组合进行改进。
一种计算机程序，可以存储/分配在一种适当的非临时性介质上，比如与其他硬件一起提供或者作为其一部分提供的光存储介质或者固态介质，而且也可以以其他形式分配，比如通过英特网或者其他的有线的或无线的电信系统。
权利要求中的任何附图标记将不被解释为对其保护范围的限制。

Claims (24)

1.一种波束形成设备(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。
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.根据前述任何一个权利要求的波束形成设备，
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.根据前述任何一个权利要求的波束形成设备，
还包括存储单元(60)，其存储所述依赖于频率的权重。
7.根据前述任何一个权利要求的波束形成设备，
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.根据前述任何一个权利要求的波束形成设备，
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)中接收辐射并从所述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。
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至11中任何一个的波束导向设备，
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至12中任何一个的波束导向设备，
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至13中任何一个的波束导向设备，
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至14中任何一个的波束导向设备，
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至15中任何一个的波束导向设备，
其中所述波束导向设备是针对MISO或MIMO波束导向进行配置的。
17.一种波束形成和波束导向设备，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；
波束导向单元(40)，其通过使用波束导向权重执行波束导向，以从所述发送信号中形成发送波束，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；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。
18.一种波束形成方法，包括步骤：
向场景(5)发送宽带辐射，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；
从所述场景(5)接收辐射；
从所述接收到的辐射中生成接收信号；以及
通过使用波束形成权重进行波束形成，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。
19.一种波束导向方法，包括步骤：
向场景(5)发送宽带辐射，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；
从所述场景(5)接收辐射；
从所述接收到的辐射中生成接收信号；以及
通过使用波束导向权重进行波束导向，以从所述发送辐射中形成发送波束，其中对发送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。
20.一种波束形成和波束导向方法，包括步骤：
向场景(5)发送宽带辐射，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；
从所述场景(5)接收辐射；
从所述接收到的辐射中生成接收信号；
通过使用波束导向权重进行波束导向，以从所述发送辐射形成发送波束，其中对发送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；以及
通过使用波束形成权重进行波束形成，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。
21.一种对场景(5)成像的有源成像设备，包括：
如权利要求1限定的波束形成设备，如权利要求9限定的波束导向设备或者如权利要求17限定的波束形成和波束导向设备；以及
处理单元，用于分别处理所述接收信号或所述波束形成的输出信号。
22.一种用于对场景(5)成像的有源成像方法，包括步骤：
如权利要求18限定的波束形成方法，如权利要求19限定的波束导向方法或者如权利要求20限定的波束形成和波束导向方法；以及
分别处理所述接收信号或所述形成波束的输出信号。
23.一种计算机程序，包括程序代码装置，用于当所述计算机程序在计算机上执行时，使计算机执行在权利要求18中要求的波束形成方法的步骤，在权利要求19中要求的波束导向方法的步骤或在权利要求20中要求的波束形成和波束导向方法的步骤。
24.一种计算机可读非临时性介质，其上存储了指令，当在计算机上执行时，使该计算机执行在权利要求18中要求的波束形成方法的步骤，在权利要求19中要求的波束导向方法的步骤或在权利要求20中要求的波束形成和波束导向方法的步骤。
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