CN104011558A - 编码的孔径波束分析方法和设备 - Google Patents

Abstract

用于确定反射RF信号的散射物体的范围、径向速度和方位角或者用于确定源RF信号源的范围、径向速度和方位角的方法和设备。使用天线单元阵列，所述天线单元阵列的每个具有关联的双状态调制器，其中根据多比特码字的序列对发射和/或接收的能量进行编码，所述多比特码字中的每个比特具有两种状态，在所述多比特码字序列中的每个给定多比特码字中的两种状态的任意一种发生的概率大致是50％，从而允许在接收到散射信号之后通过数字计算确定范围、径向速度以及方位角。

Description

编码的孔径波束分析方法和设备

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2011年12月28日、标题为“编码的孔径波束分析方法和设备”的美国临时专利申请序列号61/580,997的权益，其公开的内容通过引用结合于此。

本申请还是提交于2012年6月7日、标题为“编码的孔径波束分析方法和设备”的美国专利申请序列号13/490,607的部分继续申请，其公开也通过引用的方式并入。

本申请涉及提交于2012年12月21日、标题为“编码的孔径波束分析的方法和设备”的美国专利申请序列号13/725,621，并要求其权益，该申请通过引用并入于此。

技术领域

本技术减少了相控阵雷达形成宽视场内的散射物体的范围、径向速度和方位角的估计而所需的时间。

背景技术

现有技术的测向方法包括：

(i)传统电子支持测量通常使用非均匀间隔开的宽带天线(例如，螺旋)的小规模稀疏阵列(例如，16个单元)，每个天线配有单独的接收机来收集和解调进入的信号。通过分析接收的信号的相对幅度和相位，其到达角可被确定。由David Adamy著、Artech House出版的“EW101:A First Course in Electronic Warfare”描述了该方法。本技术的一个优点是，它仅需要单个接收机来获得到达角，提供系统成本的显著减少。

(ii)另一种测向方法是基于所谓的多信号分类(MUSIC)算法。这种方法需要比上述传统技术更稠密的天线阵列，各单元后具有接收机。处理由所有单元接收到的信号以确定到达角(参见“MultipleEmitter location and Parameter Estimation”(R.O.Schmidt,IEEE Trans.Ant.Prop.,卷AP-34，第3期，1986年3月)。本文所公开的技术提供了显著成本优势，这是因为只使用一个或两个接收机，而非需要单独的接收机与每个单元关联。

现有技术的编码的孔径波束成形技术包括：

(i)美国专利号5,940,029描述了通过发射和/或接收单元之间的依次切换获取雷达数据。这与合成孔径雷达(SAR)密切相关。此方法不同于本发明的技术，因为它需要RF开关的复矩阵(其实施起来很昂贵)；在接收应用中，其仅需要将一组N个单比特(single bit)调制器插入在天线单元和求和网络之间。

(ii)美国专利号7,224,314描述了一种反射阵列，每个天线单元含有开关装置，所述开关装置改变单元的反射阻抗。通过将开关装置设置为特定的值，在反射阵列在被源照射时，获得较好地聚焦的波束。改变开关装置允许引导反射波束。本技术不同之处在于：不同的调制器状态依次变化，每个调制器状态提供宽角度、低增益(即，未聚焦的)波束。例如，如果调制器是单比特(即2个状态)移相器(如0/180度移相器)，则所有N个模块(对于N单元阵列)都被改变为特定的一组状态，对于每次测量具有不同的一组状态。调制器状态被选择来提供宽角度、低增益波束以覆盖整个视场。然后，在收集数据之后，在信号处理中获得有效的高增益波束(即，聚焦的波束)。

(iii)美国专利号6,266,010描述了天线阵列，其被分为四个象限，由0/180度移相器调制每个象限的输出。通过设定各种状态的移相器，可以得到类似于由单脉冲阵列产生的图案的天线图案(antenna pattern)。其显然没有公开依次收集数据然后通过数据的数字处理获得方位角。本文所公开的技术在各天线单元(非每个象限)后使用调制器，这与现有技术不同，不会形成所需的物理波束但在收集数据之后合成地形成波束。

相信没有人先前提出利用单位调制器对天线阵列孔径编码的RF数字波束成形。传统的相控阵列天线在各单元后设置多比特移相器，以通过单元场的相长干涉或相消干涉为单次测量形成尖锐的发射或接收波束图案。另一方面，本文所公开的技术在单次测量期间仅使用不形成尖锐的波束图案(即，“笔形波束”)的单比特调制器(例如，移相器)。有效的尖锐波束图案是在收集数据之后使用数字信号处理数字化产生的。本方法的一个重要特征(使其区别于传统的相控阵列)是这样的码字(移相器的状态)被选择为使得所获得的波束图案或多或少地均匀填充所期望的视场，而没有任何方向性的(“笔形”)波束。在这些条件下，添加附加的比特(超出1比特)将不会提高雷达性能，因为单比特移相器的控制足以获得线性独立的一组测量，该组测量可以被“反转”以估计天线单元的信号，然后处理这些信号以生产数字形式的波束。常规的相控阵列雷达可以在此单比特模式下运行，以便在获取周期中获得范围、速度和方位角信息，该周期以大致N的因子减少，其中N是在视场内的波束的数量。这是可能的，因为本文所公开的编码孔径雷达(CAR)在单个雷达信息获取周期(即，单个的一组具有足够程度和持续期的频率扫描来产生所需的范围和速度分辨率)内从视场内的所有散射体获取信息。与此相反，传统的相控阵列对每个波束位置必须驻留同一信息获取周期(对于相同的速度分辨率)，依次步进通过所有N个波束位置，并且因此花费N倍长的时间。在这种模式下运行常规相控阵列雷达的优点在于，可以在视场中快速地收集信息，然后，对任何感兴趣的物体，阵列接着可以以多个移相器的比特来进行操作，以引导射向物体的波束，并且提高雷达灵敏度。

本技术的一个优点在于显著简化了天线阵列，从而降低成本和功耗，同时仍提供范围、速度、和方位的估计，并在传统相阵覆盖宽视场所需要的时间的一小部分内获得这些估计。传统的相控阵列雷达天线在每个天线单元处包含大量的微波电子器件(例如，多比特移相器和可变增益放大器)，导致非常高的成本和高功率耗散。此外，传统的相控阵列必须依次获得每个波束位置的范围和多普勒估计，从而导致覆盖宽视场的高增益波束需要较长的信息获取时间。本技术在传统相控阵列雷达的单个波束位置相同的时间周期内获得范围、多普勒和方位估计，大大降低了总的获取时间。

该技术在雷达实施中的另一个优点在于，发射的RF能量不需要被聚焦进高增益波束，而是可以在宽视场中被辐射。这产生具有被电子传感器截获的低概率的雷达信号。

此外，该技术提供了软件可重新配置性的优势，因为波束是通过数字计算而形成的(即合成地)。通过改变信号处理算法的参数，可以从相同的一组硬件获得在任意方向上(在视场内)、以任意波束宽度(由衍射设定的限度内)指向的波束。

发明内容

本发明公开的编码的孔径波束技术使用天线阵列在指定的视场(例如，视场的上半球)以及指定的频带上接收信号，并对信号施加时间调制码。然后，该编码的信号被一起求和以形成可以由单个接收机处理(例如，放大，下变频，解调等)并由A/D转换器数字化的单个编码的波形。通过适当的数字处理，码字可被有效地反转以确定入射信号的到达方向。本技术的重要特征在于，在对信号一起进行求和并且由接收机处理前，使用非常简单的单比特调制器(例如，0/180度移相器)对各单元接收的信号进行编码。

本文档教导如何实施雷达系统以使用单个雷达接收机和仅含有二进制(两种状态)的调制器(幅度、相位等)的天线阵列来获得一组散射物体的范围、速度和方位角。不同于传统的相控阵列雷达，本技术的天线单元相位调制不被用来产生特定方向上的高增益波束，而是用于以期望的方式对单元信号进行编码。在接收后，使用信号处理(其使用天线单元调制码字)来提取范围、径向速度和方位角信息(即，所述散射物体所在的方向)。

在一个方面中，本技术提供了一种用于确定从物体反射的至少一个RF信号的至少一个源的至少一个RF信号的到达方向的设备，所述设备包括接收天线和发射天线，所述接收天线和发射天线中的至少一个包括天线单元阵列，其用于发射或接收所述至少一个RF信号；以及至少一个单比特调制器阵列，所述至少一个单比特调制器阵列中的每个单比特调制器与所述天线单元阵列的相应的天线单元耦接，用于根据供应的多比特码字的序列来为相应的天线单元调制信号或对来自于相应的天线单元的信号进行调制，所述多比特码字的每个具有两种状态，在所述多比特码字的序列中，在每个给定的多比特码字中两种状态的任意一种发生的概率优选地为大致50％。优选地，发射和/或接收的能量是0/180度相位，所述0/180度相位是根据供应给所述至少一个单比特调制器阵列的多比特码字序列、通过所述至少一个单比特调制器阵列中的相应单比特调制器、关于天线单元阵列中的每个单元来进行编码的。

在另一方面中，本技术提供了一种用于确定反射散射的信号的散射物体的范围、径向速度和方位角的方法，所述方法包括：使用天线单元阵列，所述天线单元阵列的每个具有相关联的双状态调制器，根据多比特码字的序列对发射和/或接收的能量进行编码，所述多比特码字的每个具有两种状态，在所述多比特码字的序列中，每个给定的多比特码字中两种状态的任意一种发生的概率是大致50％，从而允许在收到散射的信号之后，通过数字计算确定范围、径向速度以及方位角。

在又一方面中，本技术提供了一种用于确定来自至少一个RF信号的至少一个源的至少一个RF信号的到达方向的设备，所述设备包括：天线单元阵列，其用于接收所述至少一个RF信号；单比特调制器阵列，所述单比特调制器阵列中的每个单比特调制器与所述天线单元阵列中的相应的天线单元耦接，用于根据多比特码字调制来自相应的天线单元的信号；混频器；求和网络，其用于将来自单比特调制器阵列的信号的求和供应给所述混频器，所述混频器将信号的求和转换成基带或中频模拟信号；仿真-数字转换器，其用于检测来自混频器的基带或中频模拟信号并将来自混频器的基带或中频模拟信号转换为相应的数字信号；以及用于分析相应的数字信号以确定自至少一个RF信号的至少一个源的至少一个RF信号的到达方向。

本方法的一个重要特征(使其区别于传统的相控阵列)是，这样的码字(移相器的状态)被选择为使得所获得的波束图案或多或少地均匀填充所期望的视场，而没有任何的定向波束。在这些条件下，添加额外的比特(超出调制器中的1个比特)并不会提高雷达性能，因为单比特移相器控制足以获得线性独立的一组测量，该组测量可以被“反转”以估计天线单元信号，并且接着处理这些信号以产生数字形式的波束。常规的相控阵列雷达可以在该单比特模式下运行，以在一个获取周期获得范围、速度和方位角信息，该周期以大致N的因子减小，其中N是在视场内的波束的数目。这是可能的，因为CAR在单个雷达获取周期(即，单个的一组具有足够程度和持续期的频率扫描来产生所需的范围和速度分辨率)内从视场内的所有散射体获取信息。与此相反，传统的相控阵列对每个波束位置必须驻留同一信息获取周期(对于相同的速度分辨率)，依次步进通过所有N个波束位置，并且因此花费N倍长的时间。在这种模式下运行的常规相控阵列雷达的优点在于，可以在视场中快速地收集信息，并且对任何感兴趣的物体，接着可以以多个移相器比特进行操作，以引导射向物体的波束，提高雷达的灵敏度。

附图说明

图1是在接收机应用中使用所公开的编码的孔径波束检测技术的框图。

图2是“y”参数与角方向(度)的示图。

图3是每个天线单元由两种状态调相器调制的FMCW雷达的框图。

图4是示出图1的雷达发射的瞬时频率的示图。

图5是框图，其示出实施编码的孔径雷达信号处理器的一种可能的硬件实现。

图6示出了建模的半波偶极子的计算机仿真的方位，该半波偶极子具有其指示的几何图形的相邻偶极子之间的半波长间隔。

图7仿真的散射幅度y的图，散射幅度y是对于等于物体的实际范围的参考范围的速度和方位角的函数。

图8是对于参考范围和方位角等于物体的范围和方位角的两个散射体的散射幅度与速度的关系图。

图9是两个散射物体的散射幅度与对于参考速度和方位角等于物体的速度和方位角的范围的示图。

图10是两个散射体的散射幅度的示图，散射幅度是对于参考范围r′和速度ν′等于物体的范围和速度的方向角的函数。

图11是对于发射和接收使用单个天线的编码的孔径雷达的一个实施例的框图。

具体实施方式

本文所公开的编码的孔径波束成形技术可以应用于许多方面，包括无线电测向和雷达(其中发生重复信号)。首先描述使用孔径波束成形技术的无线电测向的一个实施例，之后描述使用孔径波束成形技术的雷达的数个实施例。

“重复”信号f(t)具有时间周期性，因此满足f(T)＝f(t+T)，其中T是重复周期。虽然这种定义严格地仅适用于具有无限持续时间(这在实际中不会发生)的信号，但是术语“重复”是常用来描述这样的信号：对该信号而言，上述条件适用于有限的时间段，但对所考虑的系统具有显著的持续时间。重复信号可以包括脉冲雷达波形、许多通信信号(例如，AM和/或FM无线电)的载波、通过通信系统发射的同步信号，所有这些都表现出脉冲或信号的重复率。AM信号的正弦波载波具有可以被看作是具有脉冲重复率的信号的频率。在这种技术背景下，重复信号可以是由于其频率而重复的载波，或者重复信号可以是例如重复的载波的调制信号。未调制的载波(以及从调制信号中提取的载波)具有频率，并且因此具有脉冲或信号的重复率。

下面描述的用于无线电测向和雷达的实施例包括某些相似之处，因而经常使用相同的参考标号来指示在描述的所有实施例中具有相同或相似功能的元件。

编码的孔径波束成形

图1示出实现使用编码的孔径波束成形的测向设备和方法的框图。通过一个N单元天线阵列12(实际上，其优选是二维阵列，但是一维阵列便于分析和仿真，并且可在实践中使用)接收信号10。由每个单元12₁……12_N收集的信号由相应的单比特调制器14₁……14_N调制。调制器14₁……14_N的优选实施例是两状态的移相器(例如，0度或180度)，但作为替代，调制器14₁……14_N能够调制幅度或天线信号增益模式。这种技术的期望特征是能低成本地实现单比特调制器14₁……14_N的阵列。有许多方式使用为本领域技术人员已知的方法来实现单比特调制器。可以使用能够具有多于两个相位状态(即，具有多于一个比特的移相器)的移相器。下面描述的技术对多种具有多于两种状态的移相器均具有良好效果，但增加移相器的状态数没有获得性能的改善。因此，在优选实施例中，移相器仅具有两种状态。但是本编码孔径方案可以应用于已有的具有多比特移相器的硬件。如果做到这一点，则这些多比特移相器只需要被操作为一比特移相器，并且尽享本技术的益处。

来自远程信号源的信号10在时间周期T中被收集，在该时间周期T期间，调制器14₁……14_N被设置为特定的一组状态，形成N比特孔径编码。孔径编码包括K个不同的码，一个码(优选地包括N个比特)在每个信号接收(码字)间隔内被施加到调制器14₁……14_N。对来自单个发射外部源的入射波形，由第n个天线单元12收集到的信号具有形式：

$s_n\left(t\right)=A\left(t\right)e^{-j({\mathrm{\ω}}_{0}t+\mathrm{\φ}\left(t\right)){\tilde{e}}_n}(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})$

入射信号10的信号幅度A(t)被表示为时间的函数，以便包括幅度调制，幅度调制在例如脉冲雷达中通常使用。相位函数φ(t)表示入射信号10的相位(或者等同地，频率)调制。函数与第n个天线单元的远区辐射E场成比例，其被归一化，使得是第n个单元的增益。当存在多个信号时，其成为各个信号的求和，所有的单个信号被乘以共同的函数为了简化说明，应假定仅存在一个信号。优选地，码字中比特的数目(N)等于调制器14₁……14_N的数目，但码字中的比特数目可以是不同的，在这种情况下，根据需要，一些比特将被忽略或重复。

可以有许多方式来为调制器14₁……14_N的每个码字周期选择移相器的状态。如果调制器是0/180度移相器，则可以将每个调制器14₁……14_N的两个可能的移相器的状态表示为正一和负一(或作为单比特二进制数)。选择状态的一种方法是用伪随机数发生器为N个天线单元12₁...12_N产生N个随机状态(如N比特二进制码字，每个比特是正一或负一)，优选地(但非必须的)这两种状态任意一种具有50％的概率。可能利用来自该组码字的N比特随机数的K个这样的组，并且这些值可以收集在“编码矩阵”S_k,n中，S_k,n的每行代表相应扫描的N个移相器值。另一种方法是利用公知的哈达玛矩阵来形成码字。可以使用为本领域技术人员所熟知的技术形成KⅹK哈达玛矩阵，然后通过移除(K-N)列来截断矩阵，以形成矩阵S_k,n。这个过程产生的编码矩阵S具有正交列，这种性质可被利用来提高性能或计算吞吐量，而且最小化由于编码矩阵的优化调节而造成的数值舍入误差的影响。然而，优选地，选择这样的码字，使得获得的天线信号增益模式(对每个k)在感兴趣的视场中尽可能均匀地扩展。产生具有优选方向的天线信号增益模式的一组N个码值通常应被丢弃。例如，将不利用全部由一或负一组成的哈达玛矩阵的列，这是因为其将产生高增益宽边天线模式(假设馈入或组合网络对所有端口均设计有恒定的输入/输出相位)。为此，通常将天线阵列设计为每个阵列单元关于公共功率合成器输出功率参考平面具有不同的并且优选地为伪随机的相位延迟。这可以防止形成明确定义的波束，即使在相位状态都设置为共同的值(例如+1)的时候。在选择码字时，另一个重要的考虑是对应于码字的场的线性独立性。例如，如果两个码字产生线性相关的场(如仅相差乘法的复常数的场)，则这两个码字提供本质上冗余的信息。这样的情况减少了本文所揭示的编码的孔径方案的性能，并可能引入数值不稳定性。为了避免这种情况，码字优选地被选择为编码矩阵的奇异值分解(SVD)的非零奇异值尽可能大。注意，正交的码字组使非零奇异值最大化，保证线性无关性以及优化调节的编码矩阵。可使用许多其它的方法来选择码字组，并且每个方法导致略微不同的编码的孔径性能。

在每个信号接收(码字)间隔，使用求和网络16将单元信号加在一起，产生的RF信号正比于：

$v_k^{\′}\left(t\right)=V(t+\mathrm{kT})e^{-j({\mathrm{\ω}}_0(t+\mathrm{kT})+(t+\mathrm{kT}))}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{S}_{\mathrm{kn}}{\tilde{e}}_n(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})$

其中S_kn是从第n个天线单元传播到针对第k个调制器码字的求和网络输出的信号的复传递函数。下标k被用来表示第k个码字间隔，时间0<t<T在单个码字间隔中持续，码字索引依次为k＝0,1,...,K-1，之后重复码字周期。注意，求和网络16的实现对本领域技术人员而言是众所周知的。例如，威尔金森功率合成器可以用于求和网络16。从求和网络16输出的RF信号ν′_k(t)是天线单元信号的线性组合，每个由特定的(已知的)调制值来调制。对于K个连续的时间间隔的每个，该组N个调制器14₁……14_N被设置到不同的值。

为了相干地合并多个码字周期上的信号，信号应当被下变频，以将来自于求和网络16的RF信号ν′_k(t)转换至(例如)基带，并且解调以移除相位调制。在数学上，下变频和解调是通过将信号乘以具有共轭相位依赖关系的连续波(CW)信号18来实现。注意，这需要知道信号10的RF频率和相位调制，这些参数是通过被设计用于信号识别的接收机来提取。在实际中，下变频和解调通常使用混频器20来实现，混频器20的LO是来自VCO的相位调制的CW信号18，如图1所示。如果期望，解调可以在下变频转换和数字化之后在数字域中实现。参照图1，混频器20的输出电压是

$v_k\left(t\right)=G_{\mathrm{rec}}V(t+\mathrm{kT})\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{S}_{\mathrm{kn}}{\tilde{e}}_n(\mathrm{\&theta;},\mathrm{\&phi;})$

其中G_rec是从求和网络16的输出端至A/D转换器22的输入端的总电压增益。

通过混频器20的电压输出然后由A/D转换器22进行数字化，并且用于不同码字的值被存储在缓冲器24，使得随后的处理可以在数字域中根据需要实现。对于许多感兴趣的信号，信号幅度可以独立于时间从而使V(t+kT)＝V＝常数，或者由数个恒定幅度脉冲组成。在这任一情况下，可以通过在码字周期进行平均而去除时间相关性：其中t_q＝qΔt是离散时间变量，并且T＝QΔt。A/D转换器22以时间周期Δt对时间进行数字化，T是码字周期。注意，我们假定码字持续时间T(这是单个码字的持续时间)长于脉冲重复周期，使得大致上相同数目的脉冲被包含在每个码字周期内。如果需要的话，可以将编码与脉冲速率同步，以使码字周期等于脉冲重复时间间隔的整数倍。

该技术与重复(即，周期性的)信号或恒定信号(例如载波信号)一起使用。虽然有些信号在它们的调制范围内可以是不重复的，一旦信号被解调，则其结果是重复的(或恒定的)。

在对时间进行积分，并为了简化分析，将混频器电压缩放为单位元素之后，混频器20的输出值可以被表示为矩阵形式：

$v=S\tilde{e}(\mathrm{\&theta;},\mathrm{\&phi;})$

其中S是复数KⅹN“码字”矩阵，是复数N元素向量。为获得方向信息，通过矩阵相乘反转码字矩阵：

$x={\left(S^{H}S\right)}^{-1}{S}^H=\tilde{e}(\mathrm{\&theta;},\mathrm{\&phi;})$

其中，上标H表示厄密(Hermitian)共轭。注意，矩阵(S^HS)^-1S^H仅依赖于硬件实现和所选择的码字组，因此可以被计算一次并存储在存储器28。在实际中，调制码字的组(字)的总数K优选地大于或等于天线单元的数目N，从而提供对所采集的数据的最小均方误差拟合。为在特定方向θ′，φ′上测试信号10的发射器，乘以由天线E场函数的共轭，并且增加结果如下：

$y={\tilde{e}}^H({\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;},{\mathrm{\&phi;}}^{\&prime;}){\left(S^{H}S\right)}^{-1}{S}^{H}v={\tilde{e}}^H({\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;},{\mathrm{\&phi;}}^{\&prime;})\tilde{e}(\mathrm{\&theta;},\mathrm{\&phi;})$

信号10的发射器的方向是通过确定使得y最大化的方向θ′,φ′而获得，在θ′,φ′＝θ,φ时y最大化。上述得到的估计给出了均匀孔径分布的等效值。如果需要，可通过使得孔径根据函数a_n逐渐变细来控制旁瓣。在这种情况下，参数y由给出，其中A是对角矩阵，其元素为a_n。向量的元素仅依赖于天线硬件和想测试的发射器方向。在实际中，规定的视场优选地被分为一组离散的方向θ′_i,φ′_j，并且的值优选地也被存储在存储器28中。然后，矩阵相乘可以使用现场可编程门阵列(FPGA)26或其他一些类型的数字信号处理器来有效计算，以提供方向θ′_i,φ′_j上的发射器强度估计。CPU30可以被用来确定哪些方向具有超过某个阈值的局部峰值并且指示相应的方向作为系统输出。

图2示出位于坐标系统的x-y平面中的具有相等强度的两个发射器的仿真结果，两个发射器与位于原点处的测向系统等距离。接收天线阵列12包括16个Z方向半波长偶极子，所述半波长偶极子在该仿真中沿y轴间隔开半个波长。一个发射器沿φ＝0(x-轴)定位，而另一个沿φ＝-45°。仿真器假定两个发射器以相同的频率发射CW信号。每个天线单元12被耦合到单比特(0/180度)理想移相器14，并其输出都为定义求和网络16的理想威尔金森加和器的网络求和。对于每个码字周期，移相器14值被随机地选择，每个移相器141……14N的状态具有50％的概率。图2示出所计算的参数y的幅度(单位dB)与入射角φ′的示图。可以清楚地看到对于等于发射器的入射角的φ′的值的明显的强度峰值。

天线单元12被假定为具有半波间隔，因为其便于对仿真进行分析，但在实际中，1/2至1个波长是各个天线单元12之间的通常间隔。天线单元12之间的间隔不必是均匀的，因为其可以根据需要进行随机化。

总之，来自每个天线阵列单元12₁……12_N上的信号由关联的一比特调制器14₁……14_N(优选地实施为一比特移相器)通过调制器码字来调制，然后求和成单个的输出信号ν′_k(t)。信号然后被下变频和解调，优选地解调至基带，然后进行数字化。调制器码字的反转产生天线单元信号，然后该信号可以具有适当的幅度和相位加权，以提供表示有多少能量从给定的方向到达的标量。该信号发射器10的方向由使得该标量值最大化的方向给出。

使用相位编码的孔径波束的雷达应用

本文所公开的编码的孔径波束成形技术可以在具有各种雷达类型(例如，脉冲多普勒、频率调制连续波(FMCW)、合成孔径雷达(SAR)等)和雷达波形(例如，调频啁啾(frequency chirp)信号、步进频率、编码相位等)的雷达实施例中使用，并且还可以被使用于发射或接收，或两者兼而有之。为说明本雷达实施例起见，假设使用FMCW雷达来产生一系列线性调频啁啾信号，具有发射(T)和接收(R)的孔径编码。这种类型的雷达例如对汽车雷达应用有效。本实施例使用与测向实施例相同的元件编号(在适当或方便时如此)，但是，因为雷达具有发射和接收能力，在相似的单元被用于发射T或接收R时，有时添加后缀T或R。在发射和接收二者上的孔径编码没有必要。如果期望，则可以对发射或接收单独进行孔径编码。

类似于测向实施例，在编码孔径雷达(CAR)中的发射天线单元12T或接收天线单元12R的每个具有相关联的0/180度(即，优选是单比特调制器)移相器14T或14R。图3示出这样的雷达结构的框图。图4示出由雷达发射的瞬时频率。每次扫描的瞬时雷达频率为并且其与以频率(Hz)相关联，因为ω＝2πf。对于各连续频率扫描(标有“k”)，发射和接收单元移相器被设置为不同的值，总共具有K个状态(每个扫描1组状态)的。如从基本雷达理论可知，径向速度分辨率Δν是由总观测时间KTS确定:Δν＝c2f₀KT_S，其中c是光速，f₀是以Hz为单位的中心频率。范围分辨率Δr由RF带宽(单位为Hz)根据Δr＝c/2Δf确定。

一般来说，天线单元12T和12R优选地布置为二维阵列(但为说明方便，仅描述单维阵列)，其可能与某种表面一致，每个阵列具有N个单元12T₁…12T_N，12R₁…12R_N，间隔开大约半个波长至一个波长。一个阵列中的同一单元可例如使用循环器来既用于接收又用于发射。

参考图3所示，馈电网络16T和求和网络16R的每个在调制信号的每个天线单元12T和12R处分别与二进制调制器14T和14R相关联。馈电网络16T分割发射能量，而求和网络16R合并接收能量，如参考图1的测向实施例所说明的。如同在测向实施例中，调制器14R优选地由一比特移动器来实现，该一比特移相器根据码字间隔期间接收的码字的特定位的状态来提供0度或180度的相移。如上面所解释的，可以使用具有多于两种状态的移相器来实现本文公开的概念，但是优选的实施例使用单比特移相器，因为其具有最低的成本。在每个码字间隔k期间，各个调制器14T和14R设置为特定的状态，每组状态对于每个码字间隔是不同的。因此，对于每个码字间隔，发射和接收阵列提供了特定的发射和接收场模式，这些场模式可以利用天线理论的标准方法来预测。

对发射(Tx)或接受(Rx)或二者实施编码的孔径的选择取决于给定的应用的要求。尽管天线阵列和一比特移相器14的成本比传统的相控阵列低，但其不为零，因此如果应用不要求对Tx和Rx进行孔径编码，则可以仅对一个或另一个进行孔径编码。一般说来，相同的性能可以通过对Tx或Rx实施编码的孔径来获得。但是，其他方面的考虑(例如，单比特移相器的功率处理能力)可以激励对Rx实施编码的孔径(针对该功率处理能力问题)。如果孔径编码仅在Tx或Rx上实施，则从孔径编码得到的有效天线图案产生仅单个天线的增益图案。如果编码的天线阵列具有N＝12，则应该使用至少N个码字来实现类似于传统的相控阵列的性能。如果希望获得双天线系统的高增益和低旁瓣性能，则应该在Tx和Rx二者上实施编码的孔径。在这种情况下，如果Tx和Rx阵列各具有N个单元，则一个应该优选地利用至少N²个码字来实现类似于传统的相控阵列的性能。通常，期望选择不同的码字组来用于Tx和Rx，而不是对于Tx和Rx使用相同的码字，因为前者的性能稍微好于后者。

图4示出每次扫描一个码字间隔，但是重要的是要注意如果期望，则可以每扫描周期T_s多个码字来实现该编码的孔径雷达(CAR)技术。

与传统的雷达一样，从单元12T发射的能量在雷达附近被物体散射，并且由接收阵列12R收集。对于FMCW零差雷达，例如，接收到的信号通常被放大并且通过I-Q混频器20来解调，该混频器20的LO 18是发射信号(由图3中信号分频器32提供)的复本。因为来自多个散射物体的信号线性的合并，所以为了简单起见，可以仅考虑单个的物体。如本领域技术人员已知的，对于范围r处和具有径向速度ν的单个散射物体(其范围足够短，使得来往于该物体的行进的光的时间延迟相对于该发射的信号的调制期间是短的)，第k次扫描的混频器的输出电压可以表示为：

$v_k\left(t\right)=V_0{e}^{-j\frac{2\mathrm{\&omega;}\left(t\right)(r+v(r+{\mathrm{kT}}_s))}{c}}{g}_k^{\mathrm{Tx}}(\mathrm{\&theta;},\mathrm{\&phi;})g_k^{\mathrm{Rx}}(\mathrm{\&theta;},\mathrm{\&phi;})$ (公式1)

V₀是信号的电压幅度，其依赖于这些参数，例如Tx功率、物体雷达散射截面、范围(即衍射路径损耗)、混频器的变频损耗和低噪声放大器(LNA)32增益(此处的公式假定每扫描一个码字，与图4一致)。当在通向Tx馈电网络16T的输入处被激励时，函数与第k个码字的天线阵列的复辐射E场成正比，其被归一化，以使得是第k个码字的Tx阵列的增益。类似地，当在Rx馈电网络16T的输出处被激励时，函数与第k个码字的天线阵列的复E场成正比，其被归一化，以使得是第k个码字的Rx阵列的增益。然后，从K次连续扫描所获得的K个信号的组由A/D转换器22数字化，并存储用于参考测向实施例所述的数字计算。注意，仅通过将另一(未编码的)天线调制设置为独立于码字索引k，该实施例可以容易地修改(或简单地使用)以用于提供对Tx或Rx上的编码的情形。上述描述假定每次扫描期间，使用固定的码字来发射和接收能量，并且该码字随着不同的扫描而改变。可以并且有时期望跨RF带宽来经过频率，在每一步长保持频率恒定，并且在每个恒定频率间隔期间使用不同的码字。对于给定数目的扫描，将使用更多的码字，这提高雷达的模糊函数(作为速度和方位角的函数)特性，并且因而提高性能。在每个频率步长处改变码字的缺点是作为函数范围的模糊被恶化。根据考虑的应用，可以选择一种或另一种编码方案来优化雷达性能的特定方面。

应当指出，这种技术也适用于非FMCW雷达，如脉冲多普勒雷达。

在实际中，可以将所公开的CAR技术应用于朝向和远离在感兴趣的距离内的目标的总时间延迟相对于发射信号的调制周期不短的情形。在这种情况下，当完成对发射孔径编码时，所接收的信号是编码的发射信号的时间延迟版本。为了估计范围、速度、和方位角，必须使用相关性分析技术，其中所接收的信号相对于发射信号的延迟副本而相关。这些时间延迟的相关技术对本领域技术人员而言是众所周知的。

接着使用本领域技术人员熟知的“匹配滤波器”方法操控数字化信号以形成散射物体的范围、速度和方位角的估计。匹配滤波器是用于从测量估计一些参数的标准方法。可以参M.I.Skolnik的“Introduction to radar systems(third edition)”，McGraw-Hill出版社，纽约，2001年，第5.2节，第276页。例如，给定来自于一系列扫描/码的接收信号，我们想要估计一定范围的物体的雷达散射截面、径向速度和方位角。我们将所接收的信号乘以由在所期望的范围、速度和方位角(我们知道这些将产生什么信号)处的散射雷达信号的物体产生的信号的复共轭。如果有一个物体存在那，则其结果将是相当大的输出，该输出正比于物体的RCS。在其他范围处的物体等将趋向于产生非常小的滤波器输出。首先，将存储的信号(来自公式1)乘以“参考”信号，所述“参考”信号是由在距离r′内并具有径向速度ν′的物体产生的信号的复共轭，结果在时间上进行积分(或者，等同地，在数字域中求和)，以确定有多少散射能量存在于该特定范围和速度。在数学上，这被表示为

$x_k(r^{\&prime;},v^{\&prime;})=\frac{1}{T_s}\underset{-\frac{1}{2T_s}}{\overset{\frac{1}{{2T}_s}}{\&Integral;}}{v}_k\left(t\right)e^{j\frac{2\mathrm{\&omega;}\left(t\right)(r^{\&prime;}+v^{\&prime;}(t+{\mathrm{kT}}_s))}{c}}\mathrm{dt}$ (公式2)

以类似的方式计算方位信息。计算的值x_k(r′,ν′)乘以由在特定方位角θ′,φ′的物体所产生的编码信号的共轭，其结果在码字索引k上求和。数学上，这会产生一组值：

$y(r^{\&prime;},v^{\&prime;},{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;},{\mathrm{\&phi;}}^{\&prime;})=\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_k(r^{\&prime;},v^{\&prime;}){\left(g_k^{\mathrm{Tx}}({\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;},{\mathrm{\&phi;}}^{\&prime;})g_k^{\mathrm{Rx}}({\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;},{\mathrm{\&phi;}}^{\&prime;})\right)}^{*}$ (公式3)

其中星号表示复共轭。通过针对范围(r′)、径向速度(ν′)和方位角(θ′,φ′)的所有所需值来测试信号ν_k(t)，量值y表示对于那些具体值的散射强度(如果有的话)。本领域的技术人员也将认识到可以通过有效孔径加权来控制空间旁瓣，孔径加权是在执行公式3的计算之前将x_k(r′,ν′)乘以孔径加权函数w_k。

应当理解的是，有许多方式来实现这些信号处理计算。在等式2和3中的参考函数被固定为给定的阵列几何形状，并且可以存储在存储器中以加速计算。该操作涉及乘法和加法，并且因此适合于在例如在图5的框图指示的硬件布置中在现场可编程门阵列(FPGA)26中实现。来自混频器20的信号由A/D转换器22数字化并存储在缓冲器24中。信号被针对存储在存储器中的参考信号组测试，由FPGA26高效率地进行的计算。FPGA 26的输出是被发送到CPU 30用于更高级别的处理和系统输出的一组散射幅度。

等式1的一个重要的假设是：物体的方位定向在总采集时间上是恒定的。在实际系统中，物体通常相对于雷达天线单元12R运动，并且该运动往往会引起方位角随时间变化。可以在数学上显示，当方位角在总采集时间KT_s内的变化相对于雷达的空间波束宽度小时，如上所述的方法是有效的。本领域技术人员将认识到，可以很容易地修改这里所描述的匹配滤波器方法，以获得取得方位角改变的时间速率的估计。

可以选择很多调制器状态配置(即码字)来提供良好的性能和速度和方位角的高选择性。通常，所使用的码字的数目K应大于或等于天线单元12的数目N。数学上可以显示，雷达的选择性性能随着码字的数目K而相应地改进。为了获得径向速度的高选择性，数学上可以显示，有利的是使用一组导致天线增益和的码字，该天线增益在期望的视场和所有的码字二者上尽可能保持恒定。注意，几乎恒定的增益函数表明，调制器状态的变化通常改变天线阵列场特性的相位。本领域技术人员将认识到，不可能在宽视场中获得恒定增益而同时从多个单元辐射，这是因为单元之间相长干涉和相消干扰造成不可避免的峰值并造成零天线增益。然而，以下即已足够：选择一组调制器状态(N比特调制器码字的大小为K的组)，从而所得到的增益图案广泛地分布在所需视场上，并且当所有的码字一起求平均时基本恒定。通过以下来选择获得前述性质的调制器状态：随机选择对于每个状态50％的概率的二进制调制器值。在数学上可以显示，当码字的数目足够大时(例如，大于100)，这样的码字的选择生成所期望的性质。也可以使用公知的码字，如哈达玛矩阵中的列，只要避免在单个方向上产生优先波束即可(如哈达玛矩阵中包含相同值的列)。

本领域技术人员将认识到，这里提供的CAR技术可以以各种不同的方式应用到各种类型的雷达系统(除了如先前参照图1所述的测向系统之外)。在用于FMCW和脉冲多普勒信号的波形之外，该编码的孔径技术也可与合成孔径雷达(SAR)结合使用。这种公知技术使用一个移动雷达平台在大面积上获得的数据，然后处理该数据，以通过有效地延伸天线孔径而沿着行进方向获得高的分辨率。SAR可以通过沿着正交于行进方向的方向使用编码的孔径技术而从编码的孔径雷达获益。通过这种方式，可以沿行进方向使用SAR获得高分辨率，同时也使用编码的孔径阵列在正交方向上获得高的分辨率。与传统的SAR阵列相比，这将导致显著降低系统成本和功率。

对FMCW编码的孔径雷达进行仿真，以显示所描述的方法的有效性。对在Tx和Rx二者上以及仅在Rx上的孔径编码的性能进行了仿真，并且二者都表现出相当的性能。下面描述的仿真结果是针对仅具有在Rx上的孔径编码的雷达。天线阵列模型包括沿z轴定位并且沿y-轴等间隔开的16个半波长偶极子，如图6所示。阵列的几何结构被特别地选择为使得波束图案可以在x-y平面上进行评估，允许设置极角θ＝π/2并考虑了单个方位角φ。求和网络被建模为威尔金森功率合成器的理想网络(本领域技术人员熟知)，具有16个输入端和单个输出端。功率合成网络中的固有的耗散损失被包括在仿真中。理想的二进制移相器插入在求和网络输入端和天线单元之间，并且提供为零或180度的相位移。对于每个单元和每个码字索引k随机地选择移相器的状态，每个移相器的状态具有50％的概率。为了仿真，选择总共K＝256个不同的码字。

仿真参数设置为建模24GHz的RF中心频率，具有200MHz的扫描，和97.7微秒的扫描周期。因此，256次扫描的总的获取周期是25毫秒。仿真器建模了2个散射物体，都设在25.5米的径向距离处，但物体1以10.125米/秒的径向速度在φ＝0度的方位角处行进，物体2以40.125米/秒的径向速度在φ＝45度的方位角处行进。图7示出了散射幅度y的仿真幅度的三维图，其是对于参考范围r’等于物体的范围的方位角和径向速度的函数。图8示出两个物体的散射幅度的图，其是对于参考范围r’和角φ′等于物体的范围和方位角的速度的函数。注意，可以从图中清楚地观察到散射物体，并且其范围可以从图中确定。图9示出两个物体的散射幅度的图，其是对于参考速度ν′和角φ′等于物体的速度和方位角的范围的函数。注意，可以从图中清楚地观察到散射物体，并且其速度可以从图中确定。沿速度轴的低“噪音”水平是编码的孔径雷达技术的必然结果，并且噪声的均方根水平大致为峰值下1/K，表明更长的码字提供更好的选择性。图10示出两个物体的散射幅度的图，其是对于参考范围r’和速度ν′等于物体的范围和速度的方位角的函数。该图中，没有施加幅度加权，因而波束图案类似于针对均匀孔径加权所获得的那些波束图案。本领域技术人员将会理解，由雷达所产生的空间波束宽度是利用与传统的相控阵列天线相同的考虑而确定的(例如，波束宽度与天线阵列的物理尺寸成反比，单元间距应小于λ，以避免栅瓣等)。

如果期望，可以只使用单个天线阵列12用于发射和接收(参见图11的实施例)来实施编码的孔径雷达，插入循环器38以适当引导信号。循环器38在发射期间将来自功率放大器(PA)36的信号引导到天线12，并且在接收期间将来自天线12的信号引导到LNA32。在该实施例中，当在发射和接收期间对天线阵列12使用相同的二进制码字时，使用孔径编码所获得的性能与图3的两个天线实施例相同。

如上面的简要说明，本发明也可以应用到传统的相控阵列硬件，但具有本文所描述的“编码的孔径”模式中运行的多比特移相器，其中这些现有技术系统中的多比特移相器以单比特(如单比特移相器)操作。其结果是以大致等于视场内的天线波束的数目的因子减少获取时间。

因此，在一方面中，本发明提供了一种以以下方式操作传统相控阵列雷达的技术:允许在视场内的所有散射体的范围和径向速度估计所花费的时间与传统的相控阵列雷达针对单个波束的范围和速度估计所花费的时间相同。虽然该方法所产生的信噪比(SNR)大致低N倍，但是对于某些应用，在整个视场快速收集信息的能力是值得付出这个代价的。一旦收集了数据，则相控阵列雷达接着可以以其正常模式工作，并在特定方向收集更详细的信息(更高的SNR)。

利用上述CAR技术来实现这一点。总之，CAR技术对每个移相器仅使用两个相位状态，例如0或180度。对于每个频率扫描或者每个频率步长，移相器状态设置为不同的值，每组值包括一个孔径码字。在一组频率扫描完成之后，所收集的数据使用例如公知的现有技术中的匹配滤波器技术数字化，但考虑Tx和/或Rx移相器的已知状态(如上所述)。这个过程的结果是视场内的所有散射体的范围、速度和方位角的估计。

对于线性FM发射信号，通过一个范围的值(R带宽)扫描频率。这经常被描述成连续的扫描。但在实际中，可以以离散频率步长实施调制，其中在离散频率步长中，在移向下一个步长前，频率保持恒定一段时间。

以上是对本技术的优选实施例的描述。该技术的一个或多个实施例的上述描述是为了说明和描述的目的。它并不旨在穷举或将本技术限制于所公开的精确形式。许多修改和变化是可能根据上述教导作出的。意图是该技术的范围不受该详细描述的限制，而是由所附的权利要求书限定。

本文中所描述的所有单元、部件和步骤优选包括在内。但是应当理解的是，任何这些单元、部件和步骤可以由其它单元、部件和步骤替换，或完全删除，这对本领域技术人员是显而易见的。

概念

本文公开了至少以下概念。

概念1、一种用于确定来自至少一个RF信号的至少一个源的至少一个RF信号的到达方向的设备，所述设备包括：

天线单元阵列，其用于接收所述至少一个RF信号；

调制器阵列，所述调制器阵列中的每个调制器与所述天线单元阵列中的相应天线单元耦接，用于根据多比特码字的单个比特调制来自所述相应天线单元的信号；

混频器；

求和网络，其用于将来自于所述调制器阵列的信号的求和施加到所述混频器，所述混频器将信号的求和转换成基带或中频模拟信号；

模拟-数字转换器，其用于检测来自所述混频器的所述基带或中频模拟信号并将来自所述混频器的所述基带或中频模拟信号转换为相应的数字信号；以及

用于分析所述相应的数字信号以确定来自所述至少一个RF信号的至少一个发射源的所述至少一个RF信号的到达方向的装置。

概念2、概念1所述的设备，其中所述调制器阵列包括双状态移相器的阵列。

概念3、概念2所述的设备，其中用于分析所述相应的数字信号的装置包括至少一个可编程门阵列。

概念4、概念2所述的设备，其中用于分析所述相应的数字信号的装置包括至少数字信号处理器。

概念5、概念2所述的设备，其中用于分析所述相应的数字信号的装置包括至少数字信号处理器和CPU。

概念6、概念5所述的设备，其中所述数字信号处理器在方向坐标系统中提供发射源信号强度估计，并且CPU(i)比较发射源信号强度估计以定位超过某个阈值的一个或多个信号峰值，和(ii)提供对应于所述一个或多个信号峰值的相应方向坐标，以便限定来自述至少一个发射源的所述至少一个RF信号的所述到达方向。

概念7、概念6所述的设备，其中所述至少一个RF信号的所述至少一个源是从物体反射的至少一个RF信号，其相对于所述天线单元阵列的方向待确定。

概念8、概念7所述的设备，其中所述设备还包括：发射机，其用于发射从所述物体反射的所述至少一个RF信号。

概念9、概念8所述的设备，其中所述发射机被耦接到所述天线单元阵列，所述天线单元阵列在接收间隔期间接收所述至少一个RF信号，并且所述天线单元阵列在接收间隔期间发射所述至少一个RF信号。

概念10、概念9所述的设备，其中包括循环器，并且其中所述天线单元阵列通过所述循环器与所述调制器阵列耦接，并且其中所述天线单元阵列还通过所述循环器与所述发射机耦接。

概念11、概念8所述的设备，其中所述发射机与第二天线单元阵列耦接，所述第二天线单元阵列在接收间隔期间接收所述至少一个RF信号，并且首次提到的天线单元阵列在接收间隔期间发射所述至少一个RF信号。

概念12、概念11所述的设备，其中所述发射机通过第二调制器阵列与所述第二天线单元阵列耦接，所述第二天线调制器阵列的每个调制器与所述第二天线单元阵列中的相应天线单元耦接，用于根据第二多比特码字的单比特调制所述相应天线单元的信号。

概念13、概念12所述的设备，其中在发射间隔使用的所述第二多比特码字和在紧随其后的接收间隔期间使用的首次提到的码字是相同的码字。

概念14、概念12所述的设备，其中在发射间隔使用的所述第二多比特码字和在紧随其后的接收间隔期间使用的首次提到的码字具有两种状态，在给定的多比特码字中两种状态中的任意一种发生的概率是50％。

概念15、概念6所述的设备，其中所述至少一个RF信号的至少一个源是RF发射源，其相对于所述天线单元阵列的方向待确定。

概念16、一种用于确定从物体反射的至少一个RF信号的至少一个源的至少一个RF信号的到达方向的设备，所述设备包括：

接收天线和发射天线，所述接收天线和发射天线中的至少一个包括天线单元阵列，其用于发射或接收所述至少一个RF信号；以及

至少一个单比特调制器阵列，所述至少一个单比特调制器阵列中的每个单比特调制器与所述天线单元阵列中的相应天线单元耦接，用于根据在供应的多比特码字的限定的比特位置处的比特的状态为所述相应天线单元调制或对来自于相应天线单元的信号调制，所述多比特码字每个具有两种状态，在所述多比特码字的序列中，每个给定的多比特码字中两种状态的任意一种发生的概率大致是50％。

概念17、概念16所述的设备，其中发射和/或接收的能量是0/180度相位，0/180度相位是根据供应给所述至少一个单比特调制器阵列的多比特码字序列、通过所述至少一个单比特调制器阵列中的相应单比特调制器、关于天线单元阵列中的每个单元来进行编码的。

概念18、一种用于确定反射信号的散射物体的范围、径向速度和方位角或者用于确定信号源的范围和方位角的方法，所述方法包括：

使用天线单元阵列，所述天线单元阵列的每个具有关联的双状态调制器，

根据多比特码字的序列对发射和/或接收的能量进行编码，每个多比特码字的单个比特被施加至每个双状态调制器，

从而允许在收到散射信号之后，通过数字计算确定范围、径向速度以及方位角。

概念19、概念18所述的方法，其中发射和/或接收的能量是0/180度相位，其是根据多比特码字的序列、关于所述天线单元阵列中的每个单元进行编码的。

概念20、概念18所述的方法，其中所述多比特码字的比特每个具有两种状态，在所述多比特码字的序列中，每个给定多比特码字中的两种状态的任意一种发生的概率大致是50％。

概念21、一种用于确定从物体反射的和/或从物体发射的至少一个RF信号的至少一个源的至少一个RF信号的到达方向的设备，所述设备包括：

接收天线，其包括天线单元阵列，用于接收所述至少一个RF信号；以及

至少一个调相器阵列，所述至少一个调制器阵列的每个调制器与所述天线单元阵列的相应天线单元耦接，用于根据供应的多比特码字的序列中的比特的状态来调制来自于所述相应天线单元的信号，所述多比特码字的每个具有两种状态，在所述多比特码字序列中的每个给定多比特码字中，两种状态的任意一种状态发生的概率大致是50％。

概念22、概念21所述的设备，其中接收的RF信号能量是0/180度相位，所述0/180度相位是根据对应于供应给所述至少一个调制器阵列的多比特码字序列中的所述比特的状态、通过所述至少一个调制器阵列中的相应调制器、关于天线单元阵列中的每个单元进行编码的。

概念23、概念21所述的设备，其中所述至少一个调相器阵列中的每个调相器均是单比特调相器。

概念24、一种用于确定从物体反射和/或从物体发射的至少一个RF信号的至少一个源的至少一个RF信号的到达方向的设备，所述设备包括：

接收天线，其包括天线单元阵列，用于接收至少一个RF信号；以及

至少一个调相器阵列，所述至少一个调制器阵列中的每个调制器被操作为单比特调制器，并且与所述天线单元阵列的相应天线单元耦接，用于根据供应的多比特码字序列中的比特的状态来调制来自于相应的天线单元的信号。

概念25、概念24所述的设备，其中接收的RF信号能量是0/180度相位，所述0/180度相位是根据对应于供应给所述至少一个调制器阵列的多比特码字序列中的所述比特的状态、通过所述至少一个调制器阵列中的相应调制器、关于所述天线单元阵列中的每个单元进行编码的。

概念26，一种用于发射至少一个RF信号的设备，所述设备包括：

发射天线，其包括天线单元阵列，用于发射至少一个RF信号；以及

至少一个调相器阵列，所述至少一个调制器阵列的每个调相器被操作为单比特调制器，并且与所述天线单元阵列中的相应天线单元耦接，用于根据供应的多比特码字中的位的状态调制供应给所述相应天线单元的传输信号。

概念27、概念26所述的设备，其中发送的RF信号能量是0/180度相位，所述0/180度相位是根据对应于供应给所述至少一个调制器阵列的多比特码字序列中的所述比特的状态、通过所述至少一个调制器阵列中的相应调制器、关于所述天线单元阵列中的每个单元进行编码的。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种用于确定来自至少一个RF信号的至少一个源的至少一个RF信号的到达方向的设备，所述设备包括：

天线单元阵列，其用于接收所述至少一个RF信号；

调制器阵列，所述调制器阵列中的每个调制器与所述天线单元阵列中的相应天线单元耦接，用于根据多比特码字的单个比特调制来自所述相应天线单元的信号；

混频器；

求和网络，其用于将来自于所述调制器阵列的信号的求和施加到所述混频器，所述混频器将信号的求和转换成基带或中频模拟信号；

模拟-数字转换器，其用于检测来自所述混频器的所述基带或中频模拟信号并将来自所述混频器的所述基带或中频模拟信号转换为相应的数字信号；以及

用于分析所述相应的数字信号以确定来自所述至少一个RF信号的至少一个发射源的所述至少至少一个RF信号的到达方向的装置。

2.权利要求1所述的设备，其中所述调制器阵列包括双状态移相器的阵列。

3.权利要求2所述的设备，其中用于分析所述相应的数字信号的装置包括至少一个可编程门阵列。

4.权利要求2所述的设备，其中用于分析所述相应的数字信号的装置包括至少数字信号处理器。

5.权利要求2所述的设备，其中用于分析所述相应的数字信号的装置包括至少数字信号处理器和CPU。

6.权利要求5所述的设备，其中所述数字信号处理器在方向坐标系统中提供发射源信号强度估计，并且CPU(i)比较发射源信号强度估计以定位超过某个阈值的一个或多个信号峰值，和(ii)提供对应于所述一个或多个信号峰值的相应方向坐标，以便限定来自述至少一个发射源的所述至少至少一个RF信号的所述到达方向。

7.权利要求6所述的设备，其中所述至少一个RF信号的所述至少一个源是从物体反射的至少一个RF信号，其相对于所述天线单元阵列的方向待确定。

8.权利要求7所述的设备，其中所述设备还包括：发射机，其用于发射从所述物体反射的所述至少一个RF信号。

9.权利要求8所述的设备，其中所述发射机被耦接到所述天线单元阵列，所述天线单元阵列在接收间隔期间接收所述至少一个RF信号，并且所述天线单元阵列在接收间隔期间发射所述至少一个RF信号。

10.权利要求9所述的设备，其中包括循环器，并且其中所述天线单元阵列通过所述循环器与所述调制器阵列耦接，并且其中所述天线单元阵列还通过所述循环器与所述发射机耦接。

11.权利要求8所述的设备，其中所述发射机与第二天线单元阵列耦接，所述第二天线单元阵列在接收间隔期间接收所述至少一个RF信号，并且首次提到的天线单元阵列在接收间隔期间发射所述至少一个RF信号。

12.权利要求11所述的设备，其中所述发射机通过第二调制器阵列与所述第二天线单元阵列耦接，所述第二天线调制器阵列的每个调制器与所述第二天线单元阵列中的相应天线单元耦接，用于根据第二多比特码字的单比特调制所述相应天线单元的信号。

13.权利要求12所述的设备，其中在发射间隔使用的所述第二多比特码字和在紧随其后的接收间隔期间使用的首次提到的码字是相同的码字。

14.权利要求12所述的设备，其中在发射间隔使用的所述第二多比特码字和在紧随其后的接收间隔期间使用的首次提到的码字具有两种状态，在给定的多比特码字中两种状态中的任意一种发生的概率是50％。

15.权利要求6所述的设备，其中所述至少一个RF信号的至少一个源是RF发射源，其相对于所述天线单元阵列的方向待确定。

16.一种用于确定从多个物体反射的至少一个RF信号的至少一个源的多个RF信号的到达方向的设备，所述设备包括：

接收天线和发射天线，所述接收天线和发射天线中的至少一个包括天线单元阵列，其用于发射或接收所述至少一个RF信号；以及

至少一个单比特调制器阵列，所述至少一个单比特调制器阵列中的每个单比特调制器与所述天线单元阵列中的相应天线单元耦接，用于根据在供应的多比特码字的限定的比特位置处的比特的状态为所述相应天线单元调制或对来自于相应天线单元的信号调制，所述多比特码字每个具有两种状态，在所述多比特码字的序列中，每个给定的多比特码字中两种状态的任意一种发生的概率大致是50％，所述多比特码字被选择为使得所获得的波束图案填充所述设备的所期望的视场，而没有任何方向性的波束。

17.权利要求16所述的设备，其中发射和/或接收的能量是0/180度相位，0/180度相位是根据供应给所述至少一个单比特调制器阵列的多比特码字序列、通过所述至少一个单比特调制器阵列中的相应单比特调制器、关于天线单元阵列中的每个单元来进行编码的。

18.一种用于确定反射信号的散射物体的范围、径向速度和方位角或者用于确定信号源的范围和方位角的方法，所述方法包括：

使用天线单元阵列，所述天线单元阵列的每个具有关联的双状态调制器，

根据多比特码字的序列对发射和/或接收的能量进行编码，每个多比特码字的单个比特被施加至每个双状态调制器，所述多比特码字被选择为使得所获得的波束图案填充所述物体的所期望的视场，而没有任何方向性的波束。

从而允许在收到散射信号之后，通过数字计算确定范围、径向速度以及方位角。

19.权利要求18所述的方法，其中发射和/或接收的能量是0/180度相位，其是根据多比特码字的序列、关于所述天线单元阵列中的每个单元进行编码的。

20.权利要求18所述的方法，其中所述多比特码字的比特每个具有两种状态，在所述多比特码字的序列中，每个给定多比特码字中的两种状态的任意一种发生的概率大致是50％。

21.一种用于确定从物体反射的和/或从物体发射的至少一个RF信号的至少一个源的至少一个RF信号的到达方向的设备，所述设备包括：

接收天线，其包括天线单元阵列，用于接收所述至少一个RF信号；以及

至少一个调相器阵列，所述至少一个调制器阵列的每个调制器与所述天线单元阵列的相应天线单元耦接，用于根据供应的多比特码字的序列中的比特的状态来调制来自于所述相应天线单元的信号，所述多比特码字的每个具有两种状态，在所述多比特码字序列中的每个给定多比特码字中，两种状态的任意一种状态发生的概率大致是50％，所述多比特码字被选择为使得所获得的波束图案填充所述设备的所期望的视场，而没有任何方向性的波束。

22.权利要求21所述的设备，其中接收的RF信号能量是0/180度相位，所述0/180度相位是根据对应于供应给所述至少一个调制器阵列的多比特码字序列中的所述比特的状态、通过所述至少一个调制器阵列中的相应调制器、关于天线单元阵列中的每个单元进行编码的

23.权利要求21所述的设备，其中所述至少一个调相器阵列中的每个调相器均是单比特调相器。

24.一种用于确定从物体反射和/或从物体发射的至少一个RF信号的至少一个源的至少一个RF信号的到达方向的设备，所述设备包括：

接收天线，其包括天线单元阵列，用于接收至少一个RF信号；以及

至少一个调相器阵列，所述至少一个调制器阵列中的每个调制器被操作为单比特调制器，并且与所述天线单元阵列的相应天线单元耦接，用于根据供应的多比特码字序列中的比特的状态来调制来自于相应的天线单元的信号，所述多比特码字被选择为使得所获得的波束图案填充所述设备的所期望的视场，而没有任何方向性的波束。

25.权利要求24所述的设备，其中接收的RF信号能量是0/180度相位，所述0/180度相位是根据对应于供应给所述至少一个调制器阵列的多比特码字序列中的所述比特的状态、通过所述至少一个调制器阵列中的相应调制器、关于所述天线单元阵列中的每个单元进行编码的。

26.一种用于发射至少一个RF信号的设备，所述设备包括：

发射天线，其包括天线单元阵列，用于发射至少一个RF信号；以及

至少一个调相器阵列，所述至少一个调制器阵列的每个调相器被操作为单比特调制器，并且与所述天线单元阵列中的相应天线单元耦接，用于根据供应的多比特码字中的位的状态调制供应给所述相应天线单元的传输信号，所述多比特码字被选择为使得所获得的波束图案填充所述设备的所期望的视场，而没有任何方向性的波束。

27.权利要求26所述的设备，其中发送的RF信号能量是0/180度相位，所述0/180度相位是根据对应于供应给所述至少一个调制器阵列的多比特码字序列中的所述比特的状态、通过所述至少一个调制器阵列中的相应调制器、关于所述天线单元阵列中的每个单元进行编码的。

Claims (27)

1.一种用于确定来自至少一个RF信号的至少一个源的至少一个RF信号的到达方向的设备，所述设备包括：

天线单元阵列，其用于接收所述至少一个RF信号；

调制器阵列，所述调制器阵列中的每个调制器与所述天线单元阵列中的相应天线单元耦接，用于根据多比特码字的单个比特调制来自所述相应天线单元的信号；

混频器；

求和网络，其用于将来自于所述调制器阵列的信号的求和施加到所述混频器，所述混频器将信号的求和转换成基带或中频模拟信号；

模拟-数字转换器，其用于检测来自所述混频器的所述基带或中频模拟信号并将来自所述混频器的所述基带或中频模拟信号转换为相应的数字信号；以及

用于分析所述相应的数字信号以确定来自所述至少一个RF信号的至少一个发射源的所述至少至少一个RF信号的到达方向的装置。

2.权利要求1所述的设备，其中所述调制器阵列包括双状态移相器的阵列。

3.权利要求2所述的设备，其中用于分析所述相应的数字信号的装置包括至少一个可编程门阵列。

4.权利要求2所述的设备，其中用于分析所述相应的数字信号的装置包括至少数字信号处理器。

5.权利要求2所述的设备，其中用于分析所述相应的数字信号的装置包括至少数字信号处理器和CPU。

6.权利要求5所述的设备，其中所述数字信号处理器在方向坐标系统中提供发射源信号强度估计，并且CPU(i)比较发射源信号强度估计以定位超过某个阈值的一个或多个信号峰值，和(ii)提供对应于所述一个或多个信号峰值的相应方向坐标，以便限定来自述至少一个发射源的所述至少至少一个RF信号的所述到达方向。

7.权利要求6所述的设备，其中所述至少一个RF信号的所述至少一个源是从物体反射的至少一个RF信号，其相对于所述天线单元阵列的方向待确定。

8.权利要求7所述的设备，其中所述设备还包括：发射机，其用于发射从所述物体反射的所述至少一个RF信号。

9.权利要求8所述的设备，其中所述发射机被耦接到所述天线单元阵列，所述天线单元阵列在接收间隔期间接收所述至少一个RF信号，并且所述天线单元阵列在接收间隔期间发射所述至少一个RF信号。

10.权利要求9所述的设备，其中包括循环器，并且其中所述天线单元阵列通过所述循环器与所述调制器阵列耦接，并且其中所述天线单元阵列还通过所述循环器与所述发射机耦接。

11.权利要求8所述的设备，其中所述发射机与第二天线单元阵列耦接，所述第二天线单元阵列在接收间隔期间接收所述至少一个RF信号，并且首次提到的天线单元阵列在接收间隔期间发射所述至少一个RF信号。

12.权利要求11所述的设备，其中所述发射机通过第二调制器阵列与所述第二天线单元阵列耦接，所述第二天线调制器阵列的每个调制器与所述第二天线单元阵列中的相应天线单元耦接，用于根据第二多比特码字的单比特调制所述相应天线单元的信号。

13.权利要求12所述的设备，其中在发射间隔使用的所述第二多比特码字和在紧随其后的接收间隔期间使用的首次提到的码字是相同的码字。

14.权利要求12所述的设备，其中在发射间隔使用的所述第二多比特码字和在紧随其后的接收间隔期间使用的首次提到的码字具有两种状态，在给定的多比特码字中两种状态中的任意一种发生的概率是50％。

15.权利要求6所述的设备，其中所述至少一个RF信号的至少一个源是RF发射源，其相对于所述天线单元阵列的方向待确定。

16.一种用于确定从物体反射的至少一个RF信号的至少一个源的至少一个RF信号的到达方向的设备，所述设备包括：

接收天线和发射天线，所述接收天线和发射天线中的至少一个包括天线单元阵列，其用于发射或接收所述至少一个RF信号；以及

至少一个单比特调制器阵列，所述至少一个单比特调制器阵列中的每个单比特调制器与所述天线单元阵列中的相应天线单元耦接，用于根据在供应的多比特码字的限定的比特位置处的比特的状态为所述相应天线单元调制或对来自于相应天线单元的信号调制，所述多比特码字每个具有两种状态，在所述多比特码字的序列中，每个给定的多比特码字中两种状态的任意一种发生的概率大致是50％。

17.权利要求16所述的设备，其中发射和/或接收的能量是0/180度相位，0/180度相位是根据供应给所述至少一个单比特调制器阵列的多比特码字序列、通过所述至少一个单比特调制器阵列中的相应单比特调制器、关于天线单元阵列中的每个单元来进行编码的。

18.一种用于确定反射信号的散射物体的范围、径向速度和方位角或者用于确定信号源的范围和方位角的方法，所述方法包括：

使用天线单元阵列，所述天线单元阵列的每个具有关联的双状态调制器，

根据多比特码字的序列对发射和/或接收的能量进行编码，每个多比特码字的单个比特被施加至每个双状态调制器，

从而允许在收到散射信号之后，通过数字计算确定范围、径向速度以及方位角。

19.权利要求18所述的方法，其中发射和/或接收的能量是0/180度相位，其是根据多比特码字的序列、关于所述天线单元阵列中的每个单元进行编码的。

20.权利要求18所述的方法，其中所述多比特码字的比特每个具有两种状态，在所述多比特码字的序列中，每个给定多比特码字中的两种状态的任意一种发生的概率大致是50％。

21.一种用于确定从物体反射的和/或从物体发射的至少一个RF信号的至少一个源的至少一个RF信号的到达方向的设备，所述设备包括：

接收天线，其包括天线单元阵列，用于接收所述至少一个RF信号；以及

至少一个调相器阵列，所述至少一个调制器阵列的每个调制器与所述天线单元阵列的相应天线单元耦接，用于根据供应的多比特码字的序列中的比特的状态来调制来自于所述相应天线单元的信号，所述多比特码字的每个具有两种状态，在所述多比特码字序列中的每个给定多比特码字中，两种状态的任意一种状态发生的概率大致是50％。

22.权利要求21所述的设备，其中接收的RF信号能量是0/180度相位，所述0/180度相位是根据对应于供应给所述至少一个调制器阵列的多比特码字序列中的所述比特的状态、通过所述至少一个调制器阵列中的相应调制器、关于天线单元阵列中的每个单元进行编码的

23.权利要求21所述的设备，其中所述至少一个调相器阵列中的每个调相器均是单比特调相器。

24.一种用于确定从物体反射和/或从物体发射的至少一个RF信号的至少一个源的至少一个RF信号的到达方向的设备，所述设备包括：

接收天线，其包括天线单元阵列，用于接收至少一个RF信号；以及

至少一个调相器阵列，所述至少一个调制器阵列中的每个调制器被操作为单比特调制器，并且与所述天线单元阵列的相应天线单元耦接，用于根据供应的多比特码字序列中的比特的状态来调制来自于相应的天线单元的信号。

25.权利要求24所述的设备，其中接收的RF信号能量是0/180度相位，所述0/180度相位是根据对应于供应给所述至少一个调制器阵列的多比特码字序列中的所述比特的状态、通过所述至少一个调制器阵列中的相应调制器、关于所述天线单元阵列中的每个单元进行编码的。

26.一种用于发射至少一个RF信号的设备，所述设备包括：

发射天线，其包括天线单元阵列，用于发射至少一个RF信号；以及

至少一个调相器阵列，所述至少一个调制器阵列的每个调相器被操作为单比特调制器，并且与所述天线单元阵列中的相应天线单元耦接，用于根据供应的多比特码字中的位的状态调制供应给所述相应天线单元的传输信号。

27.权利要求26所述的设备，其中发送的RF信号能量是0/180度相位，所述0/180度相位是根据对应于供应给所述至少一个调制器阵列的多比特码字序列中的所述比特的状态、通过所述至少一个调制器阵列中的相应调制器、关于所述天线单元阵列中的每个单元进行编码的。