CN108139473B - 使用天线阵列的角度和位置感测 - Google Patents

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Abstract

提供了用于高效地检测物体相对于包括发射机天线阵列和接收机天线阵列的紧凑型雷达系统的位置的各种技术。在一个示例中，一种方法包括指定用于物体感测系统中的发射机天线阵列和接收机天线阵列的多个发射机和接收机信道，通过所指定的信道扫描发射机天线阵列和接收机天线阵列以测量对应于所指定的信道中的每一者的信道响应，以及至少部分地基于所测得的信道响应来确定去往或来自所指定的信道中的至少一者扫描到的物体的方向向量。

Description

使用天线阵列的角度和位置感测
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年7月29日提交的题为“WIRELESS CONTROL OF DRONE WITHDISTANCE RANGING AND CHANNEL SENSING(通过测距和信道感测来对无人机进行无线控制)”的美国临时专利申请62/198,326的权益和优先权，该申请通过引用被整体纳入与此。
技术领域
本发明一般涉及通过雷达进行位置感测，尤其涉及用于使用天线阵列来感测物体的相对位置的方法。
背景技术
雷达系统传统上被用来检测离高功率发射雷达天线最多达数百英里的相对较大的物体。当代系统常用于检测表面轮廓为数平方英尺的相对密实的物体或物体表面，诸如相对于车辆的潜在碰撞表面(例如，路面、墙壁、车辆面板和/或其它潜在碰撞表面)。虽然传统雷达系统已使用(且仍然常用)旋转或致动雷达来在大立体角内扫描雷达或跟踪物体/表面，但更当代的系统可采用天线阵列来在不需要阵列的物理运动的情况下扫描大立体角和/或提供比通常在用单个天线元件的情况下是可能的发射或接收束更具方向性的高增益发射或接收束。
然而，当代雷达系统一般仍然太笨重、低效且不灵敏以使得无法可靠地检测人类手指规模的物体和/或表面的位置，或者无法在单个人类手部上的多个手指、指示笔和人类手指和/或其它常见的用户接口机构的位置和轮廓之间进行区分，或者无法以足够紧凑和高效以使得作为诸如智能手机之类的便携式用户设备的用户接口来穿戴或实现的形状实现。由此，在本领域中存在对用于提供对物体位置的高效、可靠和准确的感测的系统和方法的需求，尤其在采用天线阵列的雷达系统的上下文中。
另外，有时被俗称为无人机的无人驾驶飞行器(UAV)是可用于各种商业应用的流行技术，所述商业应用包括交通监控、新闻报道、用于救火的火情监控、建筑工地调查、包裹递送、陆地监测和其它应用。在最当代的应用中，UAV需要在绝大多数情况下具有与其控制器的稳健通信，以将UAV的环境的可视信息提供回到其控制器。UAV控制器还需要向UAV传递命令。通常，通过UAV及其控制器之间的只支持信息或数据传递的双向无线链路来促成通信。常规的消费者UAV将受益于类雷达能力，但常规雷达系统通常较重，需要高数据带宽和/或是功率饥渴的，并由此常规UAV系统，尤其是消费者UAV在没有雷达的情况下操作。由此，在本领域中存在对用于提供对UAV位置的高效、可靠和准确的感测的系统和方法的需求，尤其在采用天线阵列的通信系统的上下文中。
附图简述
图1解说了根据本公开的一实施例的物体感测系统的框图。
图2A-E解说了根据本公开的一实施例的各种发射机和接收机天线阵列布置。
图3解说了根据本公开的一实施例的对应于由哈达码(Hadamard)矩阵指定的不同信道的辐射场型的图示。
图4A-D解说了根据本公开的一实施例的用于各种检测方法的对照实际角位置的检测到的角位置的图示。
图5解说了根据本公开的一实施例的使用物体感测系统来检测物体的相对位置的过程。
图6解说了根据本公开的一实施例的无人驾驶飞行器系统的框图。
图7-10解说了根据本公开的一实施例的无人驾驶飞行器系统中的传播延迟测量的时序图。
图11解说了根据本公开的一实施例的相对于无人驾驶飞行器系统的离去角和到达角的示图。
图12解说了根据本公开的一实施例的操作无人驾驶飞行器系统的过程。
本公开的各实施例及其优点通过参考以下详细描述而被最好地理解。应当领会，相同参考标记被用来标识在一个或多个附图中所解说的相同元件。
详细描述
根据本文阐述的实施例，提供了使用紧凑型雷达天线阵列来检测相对较小的物体和表面相对于该天线阵列的位置(角度和/或射程)的技术。这一物理感测系统的实施例能够可靠地检测和区分在最多1-2米或更远的射程内尺寸小于0.5cm的物体和/或表面和/或达到接近1-2mm的解析度。此外，本文描述的用于执行检测的系统和方法足够高效以使得能够在诸如智能手表等可穿戴设备中实现，而不显著地影响电池寿命。例如，本公开的实施例可被配置成用等于或小于250mW、100mW、80mW和/或更低的功率汲取的近似功率汲取操作，这取决于所需灵敏度、范围、占空比和/或其它操作特性。
在各实施例中，可使用相控阵列天线来实现雷达系统中的发射机阵列和/或接收机阵列以促成对相对于天线阵列宽侧的物理或表面的离去角(AoD)和/或到达角(AoA)的测量，如本文更全面地描述的。例如，AoD和AoA两者都可以通过测量离去或到达波在不同的雷达天线之间的相位关系来导出。
现在参照附图，图1解说了根据本公开的一实施例的物体感测系统110的框图100。在各实施例中，系统110可被实现为被配置成检测物体130相对于系统110的位置(例如，角度和/或射程)的紧凑型、便携式和/或可穿戴设备。更一般地，系统110可被实现为包括被配置成使用本文描述的方法来检测物体130的位置的发射机天线阵列124和接收机天线阵列128的任何设备或系统。
如图1中解说的实施例中所示，系统110包括控制器112和协控制器120。控制器112和/或协控制器120各自可被实现为可被适配成执行、存储和/或接收适当指令(诸如实现用于控制例如协控制器120、发射机122、接收机126和/或系统110的其它模块的各种操作的控制回路的软件指令)的任何合适的逻辑器件(例如，处理设备、微控制器、处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、存储器存储设备、存储器读取器或其它设备或设备组合)。此类软件指令还可实现用于处理传感器信号、确定传感器信息、提供用户反馈(例如，通过显示器114)、向设备查询操作参数、选择设备的操作参数或者执行本文描述的各种方法中的任一种的方法。
例如，控制器112和/或协控制器120可被配置成指定用于物体感测系统110的发射机天线阵列124和接收机天线阵列128的多个发射机和接收机信道；通过所指定的信道扫描发射机天线阵列124和接收机天线阵列128以测量对应于所指定的信道中的每一者的信道响应；以及至少部分地基于所测得的信道响应来确定去往/来自物体130的最近点132的方向向量140和/或144。在一些实施例中，例如作为对确定去往/来自物体130的最近点132的方向向量140和/或144的补充或替换，控制器112和/或协控制器120可被配置成确定对应于物体130的表面134和/或136的多个方向向量。
在一些实施例中，方向向量140和/或144可由其对应的离去角(AoD)θt或到达角(AoA)θr定义，如图1中所示。AoD可被不同地定义为发射表面111与去往物体130的方向向量140之间的角、阵列法向向量(例如，垂直于表面111)与发射机天线阵列124的天线元件与物体130之间的方向向量140之间的角的余角、或者发射机天线阵列124的宽侧方向与物体130之间的角。AoA可被不同地定义为发射表面111与来自物体130的方向向量144之间的角、阵列法向向量与物体130和接收机天线阵列128的天线元件之间的方向向量144之间的角的余角、或者接收机天线阵列128的宽侧方向与物体130之间的角。一旦方向向量140和/或144或AoD θt和/或AoA θr被确定，控制器112就可被配置成使用显示器114来指示例如对物体130的检测或者物体130的相对位置，或者提供物体130的雷达图像。在其它实施例中，控制器112可被配置成使用所确定的方向向量140和/或144或AoD θt和/或AoA θr来实现用于确定例如物体130的经更新的位置或者用于确定物体130的角速度的不同方法，如本文描述的。
在各实施例中，可提供用于存储供加载到控制器112或协控制器120中并由其执行的非瞬态指令的机器可读介质，诸如存储器113。在这些和其它实施例中，控制器112和/或协控制器120可以在恰当的情况下用其它组件(诸如易失性存储器、非易失性存储器、一个或多个接口和/或用于与系统110的各种模块对接的各种模拟和/或数字组件)实现。例如，控制器112可被适配成随时间存储例如传感器信号、传感器信息、用于坐标系变换的参数、校准参数、校准点集和/或其它操作参数并使用显示器114将所存储的这些数据提供给用户。
在典型的实施例中，控制器112可负责监督系统110的一般操作、从雷达数据中生成图像、使雷达数据/图像相关、通过通信模块116与其它设备传递操作参数和/或传感器信息、和/或系统110的其它非时间关键操作。在这些实施例中，协控制器120可以用相对较高解析度的定时电路系统来实现，该定时电路系统能够生成数字传输和/或对控制信号(例如，振幅权重向量)进行采样以用于操作例如系统110的发射机122、接收机126和/或其它设备并且能够执行系统110的其它时间关键操作，如本文描述的。在一些实施例中，控制器112和协控制器120可以例如集成在一起，或者可以按分布式方式跨数个单独控制器实现。
发射机122可以被实现为具有以下各项：一个或多个数模转换器(DAC)、信号成形电路、滤波器、调相器、信号调节元件、放大器、衰减器、定时电路系统、逻辑器件和/或被配置成接受来自协控制器120的数字控制信号并通过模拟接口123提供模拟传输信号以激励发射机天线阵列124的一个或多个天线元件并产生一个或多个传输束或信道的其它数字和/或模拟电子元件，如本文描述的。在各实施例中，发射机122的总体操作(例如，放大、衰减、相移、AWV应用和/或其它按元件信号调整)可由协控制器120控制(例如，通过使用各种控制信号)。
接收机126可以被实现为具有以下各项：一个或多个模数转换器(ADC)、滤波器、调相器、信号调节元件、放大器、衰减器、定时电路系统、逻辑器件和/或被配置成通过模拟接口127接收对应于接收机天线阵列128的一个或多个天线元件的模拟信号、将模拟信号转换成数字信号以及将数字信号提供给协控制器120以供处理和/或存储的其它数字和/或模拟电子元件，如本文描述的。在各实施例中，接收机126的操作(例如，放大、衰减、基带操作、采样、定时/触发、AWV应用和/或其它按元件信号调整)可由协控制器120控制。在一些实施例中，接收机126可被配置成在向协控制器120提供数字信号之前对模拟和/或数字信号进行低通或其他方式的滤波、放大、抽取和/或以其它方式进行处理(例如，使用模拟和/或数字信号处理)。在其它实施例中，接收机126可被配置成向协控制器120提供基本上未经处理(例如，原始)的模拟和/或数字信号以供进行进一步的信号处理，如本文描述的。在一些实施例中，发射机122和接收机126可被集成到单个收发机中。
显示器114可被实现为数字显示器、触摸屏和/或可被配置成显示雷达数据、图像、文本、图标、指示符和/或如由控制器120控制的其它图形的其它显示设备。通信模块116可被实现为被配置成支持与其它设备(包括类似于物体感测系统110的其它物体感测系统)的有线或无线通信的一个或多个模拟或数字设备或接口。在这些实施例中，系统110可被配置成广播例如对应于物体130的检测特性和/或数据或者协作地检测物体130的位置或运动。在一个实施例中，通信模块116可被配置成指派协控制器120、发射机122、发射机天线阵列124、接收机126和/或接收机天线阵列128的任何组合来与其它设备和/或系统进行无线通信。
其它模块118可包括一个或多个附加接口、反馈设备、支持电子元件和/或环境传感器，诸如物理用户接口设备(例如，操纵杆、旋转选择器、按钮)、指示器、电池或电源/充电电路、皮带或腕带、有线或无线通信接口、外部存储器槽或接口、扬声器、话筒、指纹传感器、脉冲监控器、数字光/图像投影仪(例如，被配置成与发射机天线阵列124和接收机天线阵列128的可用检测区域交叠)、加速度计/陀螺仪、全球导航卫星系统(GNSS)接收机和/或在便携式电子设备或智能手机/手表中常见的其它电子模块或设备。
发射机天线阵列124和接收机天线阵列128各自可被实现为可分别由发射机122和接收机126激励以形成发射机天线阵列124和接收机天线阵列128之间的各种不同的信道的任何线性天线阵列布置或任何二维或多维天线阵列布置，如本文描述的。更具体地，发射机天线阵列124可被配置成通过模拟接口123(例如，轨迹和/或波导)接收传输信号并使用发射机天线阵列124的一个天线元件或天线元件组合来生成对应的发射机波束或信道。类似地地，接收机天线阵列128可被配置成通过模拟接口127(例如，轨迹和/或波导)接收传输信号并使用接收机天线阵列128的一个天线元件或天线元件组合来生成对应的接收机波束或信道。
在各实施例中，发射机天线阵列124和接收机天线阵列128可被实现为印刷或微带天线阵列，该印刷或微带天线阵列被布置在相对扁平的基板上并且被配置成在GHz频带且更具体地在50GHz和70GHz之间或者近似地在60GHz频带内最高效地操作。每一个阵列可包括一个或多个天线元件，并且每一组天线元件可根据各种图案来形成，诸如矩形、正方形、居中正方形和/或其它图案，可选择图案以促成特定辐射场型、可用检测区域和/或各个天线阵列和/或物体感测系统110的其它操作特征。在一些实施例中，每一个阵列中的天线元件可以例如均匀地相对于其最近的相邻元件间隔开，并且间隔可由预期操作频率规定。例如，对于60GHz毫米波应用，天线间隔d可以近似于2.5mm。
图2A-E解说了根据本公开的一实施例的各种发射机和接收机天线阵列布置。例如，图2A中的物体检测系统210A包括单元件发射机天线阵列(例如，发射机天线元件224)以及两元件接收机天线阵列(例如，接收机天线元件228)，该两元件接收机天线阵列与单元件发射机天线阵列横向地设置以使得发射机和接收机阵列被布置在系统210A的表面211A上的线性天线阵列中。图2B中的物体检测系统210B包括单元件发射机天线阵列(例如，发射机天线元件224)，其被设置在两元件接收机天线阵列(例如，接收机天线元件228)之间以使得发射机和接收机阵列被布置在系统210B的表面211B上的线性天线阵列中。图2C中的物体检测系统210C包括两元件发射机天线阵列(例如，线性阵列中的发射机天线元件224)和四元件接收机天线阵列(例如，正方形阵列中的接收机天线元件228)以使得发射机和接收机阵列被布置在系统210C的表面211C上的二维矩形天线阵列中并且具有第一和第二主轴250和252。图2D中的物体检测系统210D包括两元件发射机天线阵列(例如，线性阵列中的发射机天线元件224)，其被设置在四元件接收机天线阵列(例如，矩形阵列中的接收机天线元件228)内以使得发射机和接收机阵列被布置在系统210D的表面211D上的二维矩形天线阵列中。图2E中的物体检测系统210E包括单元件发射机天线阵列(例如，发射机天线元件224)，其被设置在四元件接收机天线阵列(例如，正方形阵列中的接收机天线元件228)内和/或与该四元件接收机天线阵列等距以使得发射机和接收机阵列被布置在系统210E的表面211E上的二维居中正方形天线阵列中。
在各实施例中，图2A-E中描述的每一个系统中的天线元件224/228之间的间隔可以是对于所有元件统一的，可以是对于每一种类型的元件(例如，发射机或接收机)统一的，或者可以是交错或图案化以促成例如特定方向性、辐射场型或带宽/频率响应，或者可被选择以促成物体检测系统的其它操作特性，如本文描述的。在一些实施例中，可使用除了图2A-E中解说的那些天线布置之外的其他天线布置，诸如包括例如附加天线元件和/或多个表面211A-E的天线布置和/或设置在三维表面(例如，其中表面211A-E是三维的且包括在描绘图2-E的页面中或外的深度轮廓或轮廓线)上的天线布置。
以下描述的各部分详述了用于检测物体相对于线性天线阵列的位置的各种方法以简化解释并清楚地呈现这些方法；然而，应理解，所描述的技术、方法和信号处理自然地延伸至用二维或三维天线阵列实现的系统。此外，所公开的方法可用于使用任意尺寸和/或任意空间布置的天线阵列(包括本文公开的所有天线阵列布置)来检测物体的位置。
雷达信道测量
在各实施例中，AoA和AoD两者可以使用本文描述的方法来从信道测量中导出。此类信道测量可基于表示应用于发射和接收天线阵列(诸如图2A-E中解说的那些天线阵列)的多个复数振幅权重向量(AWV)的任何可逆矩阵(例如，信道矩阵)。例如，AWV可表示提供给发射和接收天线阵列中的每一个天线元件的信号的相移。在一些实施例中，这一信道矩阵可被选择为正交矩阵。
例如，如果发射机天线阵列124具有布置在线性阵列中的N个天线元件且接收机天线阵列具有布置在线性阵列中的M个天线元件，则发射机天线阵列124和接收机天线阵列128之间的信道可由N×M信道矩阵H来表征。为了测量H，原则上，来自发射机天线阵列124和接收机天线阵列128的天线元件可被成对、逐个开启(如，用信号激励)以获得信道矩阵H的相应条目。一般而言，信道矩阵H中的每一个条目可以是表示与所选天线元件对相关联的传递函数的至少一部分的复数。该穷尽配对方法运作良好，但通常遭受相对较低的信噪比(SNR)。
在一些实施例中，可以在确定信道矩阵H时使用哈达码矩阵技术来改善SNR。例如，使用哈达码矩阵，对信道矩阵H中的每一个信道的测量可通过根据对应于N×N哈达码矩阵MTX中的第n行的AWV开启所有发射天线并根据对应于M×M哈达码矩阵MRX中的第m列的AWV开启所有接收天线来执行。在对于特定阶矩阵存在多个等价或不等价哈达码矩阵的情况下，用于MTX和/或MRX的特定哈达码矩阵可基于所需信道阶来预先选择，例如选择以最小化例如典型操作期间相应天线阵列中的开启/关闭时间或空间噪声以及其他操作特性。当哈达码矩阵中的行或列被应用于用于每一天线阵列的相移器(或AWV)而不是获得信道矩阵H时，改为获得N×M测量矩阵A(例如，其具有复数条目，每个条目表示与由MTX和/或MRX确定的所选哈达码发射机和接收机信道对相关联的传递函数的至少一部分)，其中：
A＝MTXHMRX. (1)
通过将测量矩阵A乘以哈达码矩阵MTX和MRX的转置矩阵，获得以下关系式：
Figure BDA0001560382150000091
其中H表示厄米特(Hermitian)转置。尽管哈达码矩阵的厄米特转置与其转置相同，但厄米特转置在此被用作本文描述的更一般情形的记号。在(2)中，因为哈达码矩阵由正交向量组成，所以
Figure BDA0001560382150000092
且
Figure BDA0001560382150000093
有利的是，哈达码矩阵被用来在确定信道矩阵时区分信道测量，因为哈达码矩阵的全部条目非+1即-1，这简化了相乘，提高总SNR且允许使用仅相位AWV。在一些实施例中，可使用复数哈达码矩阵，诸如离散傅立叶变换(DFT)矩阵。在某些特定实施例中，复数哈达码矩阵可被选择为具有包括+1、-1、+j和-j的条目以简化相移器/AWV实现器件的设计。
信道矩阵公式化
在各实施例中，一旦信道矩阵H通过测量确定，就可使用奇异值分解(SVD)来找到相对于物体或部分物体的AoA和AoD。一般而言，SVD是可被配置成通过选择所测量的信号被分解成的正交基的形式来探查所测量的信号中的能量的空间分布的程序性方法。例如，对于远离的物体，与发射机天线阵列124的角度θt以及与接收机天线阵列128的角度θr，传送到该物体的波140和从该物体接收到的波144两者都可被理想化为平面波。假设发射机天线阵列124和接收机天线阵列128两者的元件具有天线间距/间隔d(例如，最近距离)，d可被选为是将被用来激励发射机天线阵列124的所需激励信号的波长的一半。更一般而言，d可以是被选择以促成系统110的操作的任何天线间距或间距分布。对于60GHz毫米波应用，天线间距d通常可以是近似于例如2.5mm。
考虑到每一个发射机和接收机天线元件的不同增益，发射机和接收机阵列对检测到的物体的响应可分别由方向向量a和b表示。通常，方向向量a和b两者可包括复数条目以表示天线增益的不同相移或者到物体的稍微不同的路径长度。使用该表示，除恒定相位和振幅之外，信道矩阵H还采取解析式：
Figure BDA0001560382150000101
在一般情形中，在多个检测到的物体由发射机方向向量
Figure BDA0001560382150000102
和接收机方向向量
Figure BDA0001560382150000103
Figure BDA0001560382150000104
表示的情况下，总信道矩阵为：
Figure BDA0001560382150000105
其中σk是表示到检测到的物体的相应特定路径的振幅和相位的复数。通常，在给定信道振幅增益为正σk的情况下，σk的相位可被吸收到恒定相位tk或rk中。
如果物体的数目少或者在单个物体主导(例如，相对于从其反射发射波的其它物体较大)的情况下，则在(4)的SVD后，到该物体的主导路径对应于具有最大奇异值的路径。其它路径可被认为是污染了主导路径的噪声。通过扩展，如果系统被配置成解析K个物体，则对应于(4)的前K个最大奇异值的路径可被选为到这K个物体的路径。此外，如果系统被配置成解析K个区别或隔开的物体，则对应于由较小的奇异值(例如，对应于物体之间的鞍点或间隙)分开的(4)的前K个最大奇异值的路径可被选为到这K个区别物体的路径。
在一些实施例中，AoA和AoD可通过以下操作来确定：从与测量矩阵A的关系式(2)中获得信道矩阵H(基于哈达码矩阵或者用于指定信道的类似正交矩阵)；执行SVD以将信道矩阵H分解成(一个或多个)主导路径以提供发射机和接收机方向向量tk和rk；以及从方向向量tk和rk中导出(一个或多个)AoD和/或(一个或多个)AoA，诸如通过几何/三角函数分析以转换方向向量tk和rk(例如，类似于图1中的已发射波/方向向量140和已接收波/方向向量144)，如本文描述的。如上所述，通过使用哈达码矩阵来指定信道并产生测量矩阵A，各实施例显著地提高了信道测量的SNR以及所得(一个或多个)AoD和/或(一个或多个)AoA的可靠性。此外，通过使用SVD来确定到检测到的物体的(一个或多个)主导路径而不是完整的响应轮廓，各实施例能够在计算时间和功率使用两方面相对高效地检测到物体的角/路径。在替代实施例中，可以在不执行(4)的SVD和/或不获得完整的信道矩阵H的情况下直接找到发射机和接收机方向向量tk和rk，如本文中更全面地描述的。
直接波束组合
如此处参照关系式(2)描述的，利用哈达码矩阵来指定测量信道在确定信道矩阵H时使SNR改善了NM倍。然而，信道矩阵H并非始终必需找到AoA或AoD，因为所需基础信息也被包含在相关的方向向量中。在具有非常低的效率的普通示例中，AoA可通过扫描发射机和接收机天线波束至不同角来导出(例如，使用沿相应阵列中的天线元件的恰当相移/AWV)。在此类实施例中，AoA可根据角扫描来对应于信号电平的峰值。确定完整的信道矩阵H可需要总共N*M次测量，且所得角度准确性随着SNR的提升而提高。角扫描方法通常需要多得多的测量(例如，大于N*M)来执行穷尽角搜索并获得类似的角准确性/解析度。
来自哈达码矩阵MTX或MRX的波束不一定是窄波束并且通常是具有多个峰值的宽波束。例如，图3解说了根据本公开的一实施例的对应于由哈达码矩阵指定的不同信道的辐射场型310-316的图示300。更具体地，图3示出了由沿着图3中的页面水平定向的四元素线性阵列(例如，从0度到180度与虚线对齐的线性天线阵列)形成的四个发射机或接收机波束，该线性阵列对应于由4X4哈达码矩阵指定的不同信道(例如，其中每一个行或列对应于不同的哈达码发射机/接收机信道生成模式310-316)，其中两个模式(例如，310和315)展示两个相对较大的主峰并且在对应于其两个主峰的方向/角之外未拾取足够的能量(相对较低增益)。在一些实施例中，可使用DFT矩阵(另一种正交矩阵，具有与哈达码矩阵的那些特性相类似的一些特性)而不是哈达码矩阵来提供非常好/相对较高的增益峰值以及相对完整的角覆盖。更一般地，可以在本文描述的方法中使用其它正交矩阵来替代哈达码矩阵，并且在一些实施例中哈达码矩阵可被修改、缩减或选择成具有相对简化的个体条目(例如，实数和/或复数)以减少计算负载，但在所选角范围内提供相对完整的角覆盖。如可以从图3中看到的，如果主要问题是与正面呈45°角内的物体，则MTX或MRX中的一些哈达码模式(例如，310和可能的314)大部分在主检测区域之外并且将在被搜索/测量的情况下导致枉费工夫。在此类实施例中，DFT或其它正交矩阵模式可被用于MTX或MRX。
在其中使用关系式(2)来确定信道矩阵H的实施例中，需要所有NM次测量来产生测量矩阵A。在替代实施例中，可使用K×N发射机AWV矩阵XTX和M×L接收机AWV矩阵YRX来用于总共K*L次测量，而不是使用哈达码矩阵(或类似的DFT矩阵)MTX和MRX。可形成XTX和YRX以使得所有K*L次测量都聚焦于发射机和接收机阵列的视野中的可用检测区域的特定子集内(例如，在所指定的检测区域中、在所指定的检测区域内的(一个或多个)物体周围和/或其中先前已经检测到物体的区域)。当AWV矩阵XTX和YRX的行或列被应用于每一个天线阵列的相移器(或AWV)时，获得K×L测量矩阵A。一旦获得测量矩阵A，就可通过执行测量矩阵A的SVD以获得A＝UAVH并且从测量矩阵A的分解中选择某一数目的最强路径(例如，对应于分解中的最大奇异值)以确定对应的(一个或多个)AoA和(一个或多个)AoD来确定(一个或多个)AoA和(一个或多个)AoD。例如，第k强路径对应于测量矩阵A的分解中的uk和vk(例如，在此一般被称为“测量矩阵奇异向量”)，对应的AoD从沿与
Figure BDA0001560382150000121
相同的方向的到物体的第k强路径的方向向量中导出，并且对应的AoA从沿与
Figure BDA0001560382150000122
相同的方向的来自物体的第k强路径的方向向量中导出，其中Z和W是基于XTX和YRX的矩阵。如此处所使用的，Z和W可被一般地称为“变换矩阵”，其被配置成将测量矩阵奇异向量(例如，uk和vk)变换成由AWV矩阵XTX和YRX指定的聚焦检测区域内的方向向量。
在一个实施例中，Z和W可被选择以使得Z＝XTX且W＝YRX，其中方向向量仅仅是XTX和YRX中的加权AWV向量(其中权重分别等于
Figure BDA0001560382150000123
和
Figure BDA0001560382150000124
)之和。在另一实施例中，Z和W可被选为XTX H或YRX H的伪逆。例如，当K不大于N时，Z＝X(XHX)-1且当L不大于M时，W＝Y(YHY)-1。这使用XTX和YRX各自的列空间的线性组合来逼近方向向量。这还最小化所组合的方向向量与分别投影到XTX和YRX的列空间上的理想向量之间的差的范数。在另一实施例中，当XTX和YRX的行是线性相关的或者近似线性相关的时候，XHX或YHY的矩阵可能是病态的。XTX H和YRX H的伪逆可经由其对应的SVD来获取。例如，小(例如，最大至预定阈值)奇异值可被置零以用于更高效的矩阵乘法，而不是使用SVD中的所有非零奇异值。
在各实施例中，XTX和YRX两者中的AWV无需彼此正交，且XTX和YRX无需是方阵或正交矩阵。为了减少测量时间和处理资源，XTX中的行数以及YRX中的列数可以分别显著地小于发射和接收天线的数目。为了提高测量SNR，XTX中的行数以及YRX中的列数可被增加以获得对应的SNR提升。在典型的实施例中，XTX和YRX两者中的AWV可被分别选择成接近AoD和AoA(例如，在先前步骤中使用用于检测物体的位置的相同或不同方法来确定)以提高系统SNR。在各实施例中，Z＝XTX且W＝YRX的选择可以在软件(例如，用以减少计算复杂性和/或负载)和硬件(例如，用以减小专用于计算资源的区域和功率和/或简化和/或流水线化其它硬件设计特性)两方面简化系统设计。
角检测
在雷达应用中，从发射机到接收机的信号响应的相位大部分取决于该信号的总行进距离；从发射机开始，从物体反射，以及到达接收机。在各实施例中，来自(相应阵列中的)多个发射机和接收机的相位信息可用于检测物体的位置(相对角和射程)和角速度。例如，在其中系统110的发射机天线阵列124和接收机天线阵列128各自包括多个天线元件的实施例中，相邻元件之间的行进距离等于Δl＝d sinθ，其中d是元件之间的距离，且....是天线阵列的宽侧方向与物体之间的角(例如，阵列法向向量与天线元件和物体之间的向量之间的角的余角)，如已经在用于(3)的方向向量中使用的。例如，在相邻天线元件对是接收机的情况下，θ可对应于图1中的θr，而在相邻天线元件对是发射机的情况下，θ可对应于图1中的θt。该行进距离通过下式与天线元件对之间的相位差(Δα)相关：
Figure BDA0001560382150000131
其中λ是RF信号的波长，这与(3)中的对应关系式类似。
基于天线元件之间(例如，作为示例，来自物体130的[发射机元件1→接收机元件1]的信道响应与[发射机元件1→接收机元件2]的信道响应之间)的成对比较，理想地，对于所有成对角测量可获得相同的相位差Δα(例如，直接测量方法)。实际上，该相位差可被噪声或其它失真破坏。在一些实施例中，对多个成对角比较求平均可被用来减少噪声。
除了通过相邻天线元件之间的成对比较来导出角(例如，AoA、AoD)之外，还存在可用于获得AoA和AoD的其它算法。对于线性阵列，许多方法是可能的，诸如MUSIC(多信号分类)和ESPRIT(经由旋转不变性技术的信号参数估计)。在各实施例中，此类算法可被扩展至二维阵列和/或可用于标识对应于多个目标的到达角和离去角。
相位的成对比较
在各实施例中，物体检测系统110可被配置成通过直接使用等式(5)比较各对中的收发机的相位来检测物体130的角位置。例如，图4A解说了在每一件事情都是理想的(即，天线模式是完美的各向同性，物体尺寸无限小，以使得角位置被明确定义，以及所有反射能量都从单个物体贡献)时候对照实际角位置的检测到的角位置的示图400A。如图4A所示，线402示出检测到的角位置序列等于(例如物体130跨物体感测系统110的表面111的)全运动范围内的实际角位置序列。
然而，实际上，天线元件/阵列的辐射场型不是跨检测角的可用范围统一的。此外，当物体130的尺寸大于发射机阵列124发射的RF信号(例如，雷达探测信号)的波长时，跨物体130的尺寸的任何非统一辐射场型改变如从接收机阵列128看到的物体130的有效距离。例如，假设物体130在空间上离散地以θ_1处的距离d_1至θ_2处的距离d_2分布，其中d_1＜d_2(为了简化该解释)。如果发射机/接收机辐射场型是统一的，则将由d_1更主导地决定相位，因为该距离更近。然而，如果辐射场型沿着θ_2的方向具有更高增益，则将由处于d_2的结构更主导相位。因为物体130的尺寸大于RF信号的波长，所以各种信道响应中的相位变化可以是显著的。此外，辐射场型可由于天线之间的环境差别而是相当因天线元件/阵列而异的。这意味着一对接收机之间的有效距离差可偏离d*sin(θ)，并因此等式(5)的角-相位差关系式变得不准确。发射机天线之间的不同相位模式/辐射场型也可助长此类错误。因此，实际上，使用等式(5)的朴素角估计可带来大量错误，如图4B所示。图4B解说了使用用于在表面111上扫描物体130的接收机阵列128中的不同接收天线元件对来对照实际情况下的实际角位置的检测角位置的示图400B。如图4B所示，曲线404、406、408和410示出了使用接收机阵列128中的四个不同的接收天线元件对来对照实际角位置的检测到的角位置的各个序列，并且曲线位置412和413指示由近似-20度和+30度处的所有测量展示的示例非线性行为。在一些实施例中，来自不同对(例如，不同曲线404-410)的多个角测量可被平均以组合来自每一天线对的角估计以提高位置测量序列中的的信噪比(SNR)。
在其它实施例中，物体检测系统110可被配置成对测量应用SVD以提高SNR和/或确定角测量序列。如本文描述的，SVD是可以在雷达应用中被用来检测AoD和AoA的方法。然而，当所有接收天线对一致地示出如图4B中所示的非线性行为部分412、413时，基于信道响应的SVD通常还遭受类似问题，如图4C中所示(图4B中的分别处于近似-20度和30度的非线性行为部分412和413在图4C中所示的SVD方法结果中是明显的)。图4C解说了使用应用于来自在表面111上扫描物体130的信道响应的SVD分析来对照实际情况下的实际角位置的检测到的角位置的示图400C。如图4C中所示，曲线414示出了通过对由物体感测系统110提供的测量使用SVD分析产生的对照实际角位置的检测到的角位置序列。
制表校准
在一些实施例中，物体感测系统110可被配置成通过对照先前制表的校准数据比较测量来检测物体130的一个或多个角位置。此类方法可以在物体130的各种特性(例如，形状、尺寸、介电属性)被明确定义并且被固定/知晓(例如，诸如人类手指的合理可变的特性)时尤其有用。例如，每一个天线的不同辐射场型/相位模式可以在已知情况下测量并被用来校准和/或形成经制表校准数据(例如，对于不同类型的物体、物体的不同尺寸或尺寸范围和/或其它校准情况)，以使得可通过对照经制表的校准数据比较测量来获得准确的检测。
例如，在各实施例中，发射机和接收机的每一对的信道响应可以跨所有感兴趣的角范围(例如，可以相关到例如发射机阵列124和/或接收机阵列128的形状、尺寸和/或其它特性的-40到40度、-80到+80和/或不同范围)和物体特性来测量和制表。所得到的测得的信道响应在一些实施例中可相对于幅值范围归一化，以使得结果相对于到物体130的距离是不变的。信道响应还可在接收机/发射机之间组合(例如，共轭相乘)，以使得每一个积的相位与等式(5)中的相位差相关。一旦在校准过程期间测得，经制表的校准数据中的共轭相乘的信道响应可被用作经校准参考以确定物体130的角位置。
例如，新测得的信道响应可被归一化、共轭相乘，并且结果与对应的经校准参考值相比较。在数值上最接近经处理的新测得的信道响应的经校准参考值可指示物体130的角位置。该方法的实施例可计及发射机阵列124和/或接收机阵列128的所有非理想行为并因此产生相对准确的结果，如图4D中所示。图4D解说了通过将经制表的校准值与来自在表面111上扫描物体130的经处理(例如，归一化、共轭相乘)的信道响应进行比较对照实际情况下的实际角位置的检测到的角位置的示图400D。如图4D中所示，曲线416示出了通过使用对物体感测系统110提供的测量施加的经制表的校准值比较产生的对照实际角位置的检测到的角位置序列。
不管用于确定检测到的角位置序列的方法是什么(直接方法或朴素角估计、SVD、制表校准)，系统110可被配置成通过减去例如相邻的检测到的角位置来确定即时角速度或者通过对序列中的所有或所选择的多个即时角速度(例如，选择以拒绝例如非物理或噪声相对更多的即时角速度)求平均来确定序列的平均角速度。
角速度分析
在线性阵列中，在连续时间测得的相对于检测到的物体的AoA或AoD可用于校准对应的频率分量，这类似于在传播方向上执行多普勒频率校准。当物体移动时，AoA或AoD序列中的频率分量的峰值对应于角移动的速度和方向(例如，沿一方向上的速度)。
例如，如果所测得的AoA或AoD(例如，使用本文描述的SVD方法)遵照以下时间序列：
Figure BDA0001560382150000161
以及
Figure BDA0001560382150000162
其可使用(5)和(3)来互换地表达为：
exp(jΔα1)，exp(jΔα2)，...，以及exp(jΔαn)，(6.2)
则该序列的离散傅立叶变换(DFT)可被计算以便对该时间序列执行频率分析。在以上序列中，Δα和θ的索引指代各自使用本文描述的任一种方法(包括用于确定θt和/或θr的SVD方法)执行的测量的时间序列中的的测量实例。使用n点快速傅里叶变换(FFT)，(6.1)或(6.2)的频率峰值对应于该序列中的检测到的物体的平均角速度。(6.2)的各个相位差Δαi，i＝1，...，n与(5)中的相位差逐个相同，但在具有索引i的不同时间取得。通常，测量之间的时间区间基本上是统一的。
在一些实施例中，时间序列(6.1)或(6.2)可包括作为使用本文描述的方法来确定的相关联的波束(例如，沿着去往/来自检测到的物体的方向向量形成的发射机或接收机波束)的奇异值的相关联的经索引振幅σ1，σ2，...，σn(由测量实例索引)。
在一些实施例中，波束的奇异值可以与时间序列(6.2)组合以使得该时间序列变成：
Figure BDA0001560382150000171
以及
Figure BDA0001560382150000172
(7.1)
或者
σ1exp(jΔα1)，σ2exp(jΔα2)，...，以及σn exp(jΔαn)，(7.2)
在恰当时，且振幅细化的时间序列(7.1)、(7.2)的FFT计及该时间序列中的波束的振幅变化。这可以在确定角速度时特别有益，因为相对较小的振幅σ1，σ2，...，σn通常指示具有相对较低可靠性的测量。因此，在确定FFT并由此确定角速度时包括振幅σ1，σ2，...，σn有助于强调测量时间序列中的更可靠/噪声较少的测量(例如，对应于更强的测得信号/更近的物体)胜过该测量时间序列中的较不可靠/噪声更多的测量，并由此最可靠的测量提供对所得角速度判定的最大每测量贡献。结果，通过如在(7)中那样包括振幅来使得所确定的角速度更可靠，而不是如在(6.1)和/或(6.2)中那样省略振幅。
同样，虽然(7.1)和(7.2)使用振幅σ1，σ2，...，σn，但应理解，可使用类似的方法来跨时间序列跟踪多个物体k，这些物体各自具有其自己的奇异值σ1，k，σ2，k，...，σn，k，及其自己的Δαn，k和θn，k，并且系统110可被配置成使用本文描述的方法来确定对应于所跟踪的多个不同物体的多个不同角速度。
如本文描述的，本文描述的相对于线性天线的任一种方法可被扩展以相对于二维或三维天线阵列检测物体的类似特性。例如，对于二维天线阵列，AoA和AoD可包括仰角θ和方位角
Figure BDA0001560382150000185
两者，并且可基于对应于该二维天线阵列的几何形状的相位差Δαx和Δαy的时间序列来计算角速度。在一些实施例中，使用(5)，相位差Δαx和Δαy可被单独获取并用于从
Figure BDA0001560382150000181
和
Figure BDA0001560382150000182
确定θ和
Figure BDA0001560382150000183
对应波束的奇异值可被包括在角速度的计算中，类似于(7)中的关系式。例如，对于二维矩形阵列，相位差Δαx和Δαy可被单独获取，时间序列(6)或(7)可被形成(例如，在包括或不包括对应波束的奇异值的情况下)并且时间序列的FFT可被相应地计算。
在各实施例中，角位置和/或速度可用于例如检测人类手指，将人类手指与指示笔或其他物体区分开和/或执行姿势识别。例如，人类手指可具有尺寸、介电属性、形状或将其与诸如相对较薄的金属或塑料指示笔之类的其他物体区分开的其他静态特性。另外，人类手指的角速度可基于速度、迟疑瞬态、振动振幅和频率(例如，脉冲)、姿势模式(例如，计及例如手指关节)来与另一物体的角速度区分开。
用于射程计算的匹配追踪
对于任何特定信道(成对、哈达码指定或其他指定信道)，冲激响应仅仅是对应于发射机天线阵列124和接收机天线阵列128之间的不同可能路径(对应于物体130的不同位置)的许多冲激的叠加。在发射机和接收机处包括电子元件电路系统，尤其是一些基带滤波，可由下式表示信道的总冲激响应：
h(t)＝∑kckp(t-tk) (8)
其中Ck是每一路径的复数振幅，且tk是发射机天线阵列和接收机天线阵列之间的对应于路径长度与光速之比的定时差。通过准确地测量tk，发射机天线阵列、物体和接收机天线阵列之间的距离可被找到。在发射机和接收机天线元件基本上位于同处(例如，它们的间距相比于路径距离较小)的情况下，物体到发射机和接收机天线元件的距离或射程将近似
Figure BDA0001560382150000184
其中c是光速。在数学上，去往或来自天线阵列中的不同天线元件的时间tk可以稍微不同。实际上，到典型的紧凑型物体检测系统中的不同天线元件的路径差以波长为数量级，并且对应的定时差太小以至于在确定到物体的射程时无法被测量和/或计及。
在典型的操作状况下，所测得的冲激响应可由下式表示：
h(t)＝∑kckp(t-tk)+n(t) (9)
该式包括附加噪声n(t)。在各实施例中，可使用经修改的匹配追踪过程来找到tk的值并由此找到物体的距离。例如，可使用连续字典，而不是如同在未经修改的匹配追踪过程中使用离散字典。另外，冲激响应可以是离散版本hn＝h(nT)，其中T是采样周期，而不是连续冲激响应h(t)。波形p(t)可以在校准过程中测量并且可被假定是已知的。在各实施例中，经修改的匹配追踪过程可包括赋值k＝1，
Figure BDA0001560382150000191
搜索tk以最大化|ck|；查找
Figure BDA0001560382150000192
递增k并对k个物体重复，其中：
Figure BDA0001560382150000193
在各实施例中，用于最大化|ck|的搜索可基于tk的预设限制条件、计算时间或资源、搜索迭代次数和/或其它搜索终止条件而被终止。一般而言，tk的准确性直接与SNR成比例，但与采样时间T成反比例。可使用各种方法来提高SNR，诸如对冲激响应进行多次测量(例如，传送多个冲激、接收和/或数字化多个冲激响应)并对该多个冲激响应求平均以减小噪声分量n(t)、根据已知伪随机序列(例如，相对较小的m序列)来调制所传送的冲激并且然后对所测得的冲激响应应用对应于已知调制序列的相关滤波以减小噪声分量(例如，类似于展频系统)、和/或可以在适当时单独或组合使用的其它类似过程增益方法。虽然进行多次测量并求平均是用于减少噪声的最简单的方法，但这些方法可降低射程更新解析度或者需要减少的采样时间/提高的采样率，这可能不合乎需要地增加计算负载。
采样时间T还可被减少以提高tk的准确性，但如果时间毗邻冲激彼此太接近并且取决于波形p(t)的形状和总信道/系统SNR，则信道响应可以实际上合并成单个冲激并使该过程低效和/或不准确/不可靠。本公开的实施例的典型采样率可接近2-3GHz并产生可靠结果。更一般而言，这一匹配追踪方法可包括以下步骤：测量信道的冲激响应、查找时移参考冲激响应p(t)相对于所测得的冲激响应(例如，检测物体/表面)的最大匹配定时、从所测得的响应中减去最大匹配参考冲激响应、以及迭代直到找到所需数目的物体/表面。
图5解说了根据本公开的一实施例的使用物体感测系统110来检测物体130的相对位置(例如，角和/或射程)的过程500。在一些实施例中，图5的操作可被实现为由与图1到2E中描绘的对应的电子元器件、传感器和/或结构相关联的一个或多个逻辑器件执行的软件指令。更一般而言，图5的操作可以用软件指令和/或电子硬件(例如，电感器、电容器、放大器、致动器或其它模拟和/或数字组件)的任何组合来实现。应认识到，过程500中的任何步骤、子步骤、子过程或框可以按不同于图5所解说的实施例的次序或布置执行。例如，在其它实施例中，可以从过程500中省略一个或多个框，并且可包括其它框。此外，框输入、框输出、各种传感器信号、传感器信息、校准参数和/或其它操作参数可以在移至过程500的下一部分之前被存储到一个或多个存储器。尽管过程500参照系统110和图1-2E描述，但过程500可由与系统110不同且包括电子元器件、传感器、组件和/或天线布置的不同选择的其它系统执行。在过程500开始时，各种系统参数可例如通过类似于过程500的过程的先前执行来填充，或者可被初始化为零和/或对应于从过程500的过往操作导出的典型、已存储和/或习得的值的一个或多个值，如本文描述的。
在框502中，逻辑器件指定多个发射机和接收机信道。例如，物体感测系统110的控制器112和/或协控制器120可被配置成指定用于物体感测系统110的发射机天线阵列124和接收机天线阵列128的多个发射机和接收机信道。在一些实施例中，控制器112可被配置成通过形成包括对应于所需多个发射机和接收机信道中的每一个发射机信道的一个或多个发射机AWV的发射机AWV矩阵(例如，MTX或XTX)并且通过形成包括对应于所需多个发射机和接收机信道中的每一个接收机信道的一个或多个接收机AWV的接收机AWV矩阵(例如，MRX或YRX)来指定多个发射机和接收机信道。在这些实施例中，发射机AWV矩阵和接收机AWV矩阵各自可包括哈达码矩阵(例如，MTX或MRX)，如本文描述的。
替换地，发射机AWV矩阵和接收机AWV矩阵各自可包括被配置成将所指定的信道聚焦于可用检测区域的特定子集(例如，XTX或YRX)内(诸如在最初检测到物体并且期望更高效地或以更高角解析度跟踪物体后)的AWV。在其它实施例中，所指定的信道可被选择成对应于相对于发射机天线阵列和/或接收机天线阵列的发射表面111的不同发射机或接收机波束角，这也可被用作扫描所指定的区域以寻找物体130的简化方法。在另一些实施例中，所指定的信道可对应于包括来自发射机天线阵列124和接收机天线阵列128中的每一者的一个天线元件的各天线元件对。
在框504中，逻辑器件通过所指定的信道来扫描发射机天线阵列和接收机天线阵列。例如，控制器112和/或协控制器120可被配置成通过在框502中指定的信道来扫描发射机天线阵列124和接收机天线阵列128以测量对应于所指定的信道中的每一者的信道响应。在一些实施例中，控制器112可被配置成形成包括对应于所测得的每一个信道响应的条目的测量矩阵(例如，A)。在这些实施例中，控制器112可被配置成从测量矩阵以及在框502中指定的发射机和接收机AWV矩阵中导出信道矩阵(例如，H)。在其中所指定的信道对应于包括来自发射机天线阵列和接收机天线阵列中的每一者的一个天线元件的各天线元件对的替代实施例中，控制器112可被配置成形成包括对应于所测得的每一个信道响应的条目的信道矩阵。
在框506中，逻辑器件基于所测得的信道响应来确定去往或来自物体的方向向量。例如，控制器112和/或协控制器120可被配置成至少部分地基于在框504中测得的信道响应来确定去往或来自物体130的方向向量140和/或144。在一些实施例中，控制器112可被配置成通过对在框504中提供的信道矩阵执行奇异值分解以便至少确定对应于去往或来自物体130的最近点132的方向向量140或144的最大奇异值来确定去往或来自物体130的方向向量140和/或144。在其它实施例中，控制器112可被配置成通过对测量矩阵执行奇异值分解以便至少确定最大奇异值和对应的测量矩阵奇异向量并且通过基于在框504中提供的发射机或接收机AWV矩阵来对测量矩阵奇异向量应用变换矩阵以将测量矩阵奇异向量变换成去往或来自物体130的方向向量140或144来确定去往或来自物体130的方向向量140和/或144。
在其它实施例中，在信道矩阵通过扫描各天线元件对来形成的情况下，控制器112可被配置成通过对信道矩阵执行奇异值分级以便至少确定对应于去往或来自物体130的方向向量140和/或144的最大奇异值来确定去往或来自物体130的方向向量140和/或144。在其中所指定的信道对应于不同的发射机或接收机波束角的另一些实施例中，控制器112可被配置成通过标识在框504中提供的所测得信道响应中的包括峰值信号电平的一个测得信道响应并将AoD或AoA设为对应于包括峰值信号电平的所述一个测得信道响应的发射机或接收机波束角来以AoD或AoA的形式确定去往或来自物体的方向向量140或144。
在替代实施例中，控制器112可被配置成确定在框504中提供的所测得的信道响应中的对应于发射机天线阵列124或接收机天线阵列128内的相邻天线元件对的信号之间的多个相位差并且然后通过对多个所确定的相位差求平均并根据等式(5)将所得平均相位差转换成AoD或AoA来以AoD或AoA的形式确定去往或来自物体130的方向向量140或144。在其中发射机天线阵列124和/或接收机天线阵列128包括具有第一和第二主轴250、252的二维天线阵列的实施例中，控制器112可被配置成确定所测得的信道响应中的对应于发射机天线阵列124或接收机天线阵列128内的沿着第一主轴250的相邻天线元件的信号之间的第一多个相位差，确定所测得的信道响应中的对应于发射机天线阵列124或接收机天线阵列128内的沿着第二主轴252的相邻天线元件的信号之间第二多个相位差，并且然后通过对第一多个所确定的相位差求平均，单独地对第二多个所确定的相位差求平均并且将所得第一和第二平均相位差转换成离去角(AoD)或到达角(AoA)来以AoD或AoA的形式确定去往或来自物体130的方向向量140或144。
在附加实施例中，控制器112可被配置成确定在框504中提供的所测的信道响应中的对应于发射机天线阵列124或接收机天线阵列128内的“整数相邻”天线元件对(例如，空间上相邻的元件以及根据等式(5)彼此间有整数数目的天线阵列间隔d的元件，这两种情况在此一般被定义为“整数相邻”)的信号之间的多个相位差，并且然后通过对各自通过其整数间隔的对应整数归一化的多个所确定的相位差求平均并根据等式(5)将所得平均相位差转换成AoD或AoA来以AoD或AoA的形式确定去往或来自物体130的方向向量140或144。
在其中信道矩阵通过扫描各个天线元件对来形成的另外实施例中，控制器112可被配置成通过将经制表的校准值与信道矩阵中的对应的测得信道响应进行比较来确定去往或来自物体130的方向向量140和/或144。例如，系统110可被配置成执行校准过程(例如，在制造后短时间内执行)，包括在各校准物体中的每一者通过特定范围的AoD和AoA呈现给系统110/表面111时测量各校准物体的信道响应。每一校准物体可包括各种特性，诸如举例而言形状、尺寸、介电属性和/或其它物体特性，并且可根据不同的校准规程来呈现给系统110和/或表面111，诸如在离表面111的不同射程、根据AoD和AoA的不同射程或解析度、以不同的相对定向和/或被配置成根据预期物体特性和检测情形来校准系统110的其它校准规程。所得经校准信道响应可根据一个或多个校准物体特性和/或检测情形以及已知的AoD和/或AoA(例如，去往或来自校准物体的方向向量)来制表以形成经制表的校准数据或值。
在一些实施例中，经制表的信道响应可根据其各自的幅值来归一化以使得对应的经校准参考值相对于离检测到的物体的射程或距离基本上不变。附加地，对应于相邻或整数相邻发射机或接收机对的信道响应可被组合(例如，共轭相乘或以其他方式组合)以使得组合信号(例如，在共轭相乘情况下的积)的相位与等式(5)中的相位差相关/成比例。一旦经制表的校准数据被确定(例如，信道响应、归一化的信道响应、归一化且经组合的信道响应，如本文描述的)，就可使用经制表的校准数据来确定物体的AoD和AoA和/或AoD和AoA序列。
例如，控制器112可被配置成归一化和/或组合在框504中提供的信道矩阵中的所测得的各个信道响应并将经处理的信道矩阵值/条目与如本文描述的那样导出的经制表的校准数据中的对应的经校准参考值进行比较。控制器112可被配置成确定在数值上最接近(例如，在一个数字的情况下是最小绝对值差、在多个数字或信号响应的情况下是最小平方适应和/或其它比较技术)经处理的信道矩阵条目的经校准参考值，并将对应的经制表AoA和/或AoD选为物体130的AoA和/或AoD。
在框508中，逻辑器件基于所测得的信道响应来确定到物体的射程。例如，控制器112和/或协控制器120可被配置成基于在框504中确定的作为经采样的冲激响应提供的所测得的信道响应中的至少一者来确定到物体130的射程。在一些实施例中，控制器112可被配置成执行经修改的匹配追踪过程，该过程使用经采样的冲激响应来确定从发射机天线阵列124和/或接收机天线阵列128到物体130的射程。
在框510中，逻辑器件基于所测得的信道响应的时间序列来确定物体的角速度。例如，控制器112和/或协控制器120可被配置成基于通过一时间段内的框504的重复迭代提供的所测得的信道响应的时间序列来确定物体130的角速度。在一些实施例中，控制器112可被配置成在一时间段内通过在框502中指定的信道重复地扫描发射机天线阵列124和接收机天线阵列128以生成在框504中通过的所测得的信道响应的时间序列，基于所测得的信道响应的时间序列来确定平均相位差的时间序列，并且通过对平均相位差的时间序列的一种形式应用傅立叶变换并将所得变换中的峰值标识为平均角速度来从平均相位差的时间序列中确定物体130的平均角速度。
通过采用本文描述的方法(包括不同或替代方法的组合)，本公开的实施例能够高效且可靠地检测可用检测区域内的可由在发射机天线阵列和接收机天线阵列之间形成的信道扫描的一个或多个物体和/或在这一个或多个物体之间进行区分。此外，各实施例能够确定检测到的物体的相对位置(角和/或射程)和/或通过能以近似0.1度、0.02度或更小(这取决于物体尺寸、形状和射程)的解析度检测到的角位置的变化以及能以近似1mm或更小的解析度检测到的从离表面111近似1或2cm到近似3m的平均射程的射程变化来检测所检测到的物体的相对角速度。使用此类系统和方法的设备为依靠人类手指、指示笔和/或其它用户接口机构的空间检测的用户接口呈现了新且稳健的途径。
UAV操作应用
除了通信目的之外，无人驾驶飞行器及其控制器之间的无线链路可用于测量无线链路的许多信道特性(例如，链路状态数据)，包括UAV与控制器之间的距离、UAV相对于控制器的定向、控制器相对于UAV的定向、以及视线或非视线信道状况。由此，无线链路和对应的链路状态数据可用于通过距离测量、功率测量和到达角和离去角测量促成的许多不同应用，如本文描述的。
例如，UAV及其控制器之间的无线链路可用于距离测量和功率测量。如果在控制器的发射机和/或接收机中使用天线阵列，则也可使用本文描述的方法来针对UAV相对于控制器的方向或针对控制器相对于UAV的方向测量到达角和离去角。当UAV相对于控制器从视线(LOS)移至非视线(NLOS)时，所测得的距离、功率、到达角和离去角各自示出了较大瞬态，并且可使用对(一个或多个)瞬态的检测来推断出无线链路的信道状况。
图6解说了根据本发明的一实施例的UAV系统600的框图。如图6中所示，UAV系统600包括通过无线链路620与UAV 630通信的UAV控制器610。在各实施例中，UAV控制器610和/或UAV 630可包括类似于图1的物体感测系统110中的所包括的那些子系统和模块的各种子系统和模块。例如，控制器112、存储器113、协控制器120、发射机122、接收机126、发射机阵列124、接收机阵列128、通信模块116和/或其它模块118可被配置成支持通过使用发射机阵列124和/或接收机阵列128形成的无线链路来在UAV系统600的UAV控制器610和UAV630之间进行数据通信以及此处公开的各种类雷达技术。UAV控制器610可被实现为例如用于UAV 630的遥控器，并且包括一个或多个用户接口(例如，操纵杆、按钮、触摸屏和/或其它用户接口)、显示器、无线传送和接收系统和/或其它模块。UAV 630可被实现为电池供电或者电池和燃料供电组合式飞行平台，其被配置成在如由UAV控制器630控制的飞行模式中携带各种传感器(例如，其它模块118)。无线链路620可被配置成支持UAV控制器610和UAV 630之间的链路状态数据(例如，包括关于无线链路620的状态的信息的分组和/或其它信号)以及UAV操作数据(例如，用于控制UAV 630的操作的控制信号、来自UAV 630的用于指示UAV630的物理状态的遥测数据、来自安装到UAV 630的传感器(诸如GNSS、罗盘和/或加速度计/陀螺仪传感器)的其它传感器数据、来自安装到UAV 630的相机的视频和/或图像数据、其它环境传感器和/或被配置成控制UAV 630的操作和/或促成UAV 630的操作的用于UAV系统600的其它UAV操作数据)的传输。
在典型的UAV应用中，UAV控制器610参与与UAV 630的恒定双向无线链路620，如图6中所示。在从UAV控制器610到UAV 630的上行链路方向上，通信通常可包括用于指令UAV630执行某些操作的操作控制信号/数据。在从UAV 630回到UAV控制器610的下行链路方向上，通信通常可包括来自相机的操作视频或图像、传感器信息/遥测数据以及UAV 630的其它操作状态信息。在各实施例中，无线链路620可以使用工业、科学和医学(ISM)频带中的900MHz、2.4GHz、5GHz和/或60GHz RF信号来通信。在其它实施例中，无线链路620可使用由运营商或制造商许可的有执照RF频带来通信。在附加实施例中，无线链路620可以是红外光学通信信号、超声波通信信号和/或具有与典型RF信号不同的特性的其它通信信号。
测距或距离测量
除了通信之外，无线链路620还可用于查找UAV控制器610和UAV 630之间的传播延迟，如图7中所示。图7解说了根据本公开的一实施例的用于UAV系统600中的传播延迟测量的时序图700。所测得的传播延迟可通过将该延迟乘以例如光速(例如，针对RF或红外信号)或者声速(例如，针对超声波信号)来被转换成距离。如图7中所示，在一些实施例中，可记录四个时间戳，其中T1指示定时测量分组710何时离开UAV控制器610的发射机天线，T2指示定时测量分组710何时到达UAV 630的接收机天线，T3指示定时测量分组720何时离开UAV 630的发射机天线，且T4指示定时测量分组720何时到达UAV控制器610的接收机天线。
在假定传播延迟由于对应的无线信号的互惠属性而在两个方向上是相同的并且假定UAV正在相对于传播速度相对缓慢地移动，传播延迟是：
Figure BDA0001560382150000261
通常，UAV 630和UAV控制器610中的两个时钟未被锁定在一起，但以基本上固定的差别独立地运行。在一些实施例中，相对于某些定时标准这两个时钟之间的差别小于20ppm，从而导致彼此之间的40ppm最大差别。在其它实施例中，相对于某些其它定时标准时钟的差别可以是50或100ppm。作为示例，两个非常准确的时钟可以在随机时间启动，但使这两个时间保持非常准确地(最多40ppm)递增。在此类实施例中，表达式(11)中的T2-T1可能非常大或甚至为负。表达式(1)可被重新布置成：
Figure BDA0001560382150000262
这示出可执行计算以始终获得具有合理的物理意义的正结果，例如因为T1和T4两者从同一时钟读取，并且因为T4始终晚于T1。
为了使用(1)或(2)来计算传播延迟，必须使用从T1到T4的所有时间戳。由此，取决于UAV控制器610、UAV 630或两者是否被配置成计算传播延迟，可能需要跨无线链路620将时间戳T1和T4或者T2和T3传递至恰当设备(例如，时间戳T2和T3传递至UAV控制器610和/或时间戳T1和T4传递至UAV 630)。
在一个实施例中，只有UAV控制器610被配置成计算传播延迟以用于控制目的。通常，时间戳T2在定时测量分组720的传输之前是已知的，并由此T2可被包括在定时测量分组720中。在具有非常精巧的理想设计的情况下，时间戳T3可以在定时测量分组720的实际传输之前知晓并因此被包括在定时测量分组720中。然而，在典型的实践中，时间戳T3只在定时测量分组720被传送之前知晓以简化系统设计。图8解说了根据本公开的一实施例的UAV系统600中的传播延迟测量的时序图800。图8示出了用于将时间戳T3从UAV630传送到UAV控制器610的附加分组830。在图7和8两者中，分组720可被认为是对分组710的确收。图7中的720以及图8中的830的最后分组可能需要进一步确收。
在另一实施例中，UAV控制器610和UAV 630两者被配置成获取传播延迟。图9解说了根据本公开的一实施例的UAV系统600中的传播延迟测量的时序图900。如图9中所示，携带T1、T4和传播延迟(如果可用)的信息的附加定时测量分组940由UAV控制器610作为对定时测量分组830的确收来传送。虽然UAV控制器610在它接收到定时测量分组830后计算出传播延迟，但UAV 630能在从定时测量分组940中获取T1和T4后使用(1)或(2)来计算出传播延迟或者直接从定时测量分组940中检索由UAV控制器610计算出的传播延迟。定时测量分组940可能需要进一步确收。
在各实施例中，传播延迟测量过程可以按需执行，例如由到UAV控制器610中的用户指令触发。在其中UAV630发起传播延迟测量的实施例中，UAV630可被配置成首先向UAV控制器610发送信号，并且然后UAV控制器610可被配置成根据图9启动定时测量。
UAV控制器610与UAV 630之间的传播延迟测量过程还能够以给定或预定义时间间隔定期执行。在此类实施例中，因为定时测量分组710和720被周期性地发送和接收，所以它们也能提供定时测量分组830和940的功能。图10解说了根据本公开的一实施例的UAV系统600中的传播延迟测量的时序图1000，且具体而言，图10示出了周期性传播延迟测量过程。具体而言，定时测量分组710携带先前定时测量分组710的传送时间戳以及先前定时测量分组720的接收时间戳，并且定时测量分组720携带先前定时测量分组710的接收时间戳以及先前定时测量分组720的传送时间戳，如图所示。一旦UAV控制器610和UAV 630获得定时测量分组710和后续分组720中的所有四个时间戳，它们就能计算出传播延迟。在图10中，例如相同方向710中的所有分组服务于相同的目的，但携带不同的时间戳值，如图所示。这一过程由此提供对应于所测得的传播延迟的不断更新的射程测量。
功率测量
在各实施例中，UAV 630和UAV控制器610两者的接收机可被配置成不断测量收到信号的功率。例如，在一些实施例中，UAV 630可被配置成使用自适应调制和速率适配(例如，用以改变数据率)来维持或提高链路质量。如果收到信号变得相对较弱，则UAV控制器610或UAV 630可被配置成实现更稳健的调制以需要更少功率以实现某一链路质量。如果所测量的收到功率是从接收方设备(例如UAV 630)传递回至传送方设备(例如，UAV控制器610)的，则功率测量可用于驱动自适应调制。例如，UAV 630可检测无线链路620上的来自UAV控制器610的传输的收到功率的降低，并向UAV控制器610传送降低的功率的指示(例如，以传输分组的形式)。UAV控制器610可被配置成接收这一传输分组并自适应地调整无线链路620的调制以在经历检测到的收到功率降低时提高链路质量。替换地，接收方设备可以向传送方设备发送用于提高或降低传送方设备的传输数据率以符合特定链路质量或功率的指令。
除了速率适配之外，还可使用功率测量来确定无线链路中是否存在堵塞，诸如与建筑物、山或其他结构的反射有关的链路质量降级，在链路质量降级中无线链路经常能维持通信容量，但通常以少得多的收到功率。通过执行功率测量以检测这一收到功率损耗，UAV 630和/或UAV控制器610能确定它们之间的无线链路620的无线链路状态对应于视线(LOS)链路状态还是非视线(NLOS)链路状态。这能在尝试遵从在引航UAV时需要LOS条件的FAA规章时特别有用。如本文描述的，可以使用如图7-10中所示的相同或相似的分组结构和定时来在UAV控制器610和UAV 630之间传递的功率测量可用于通过指示无线链路620上的功率瞬态或者突然的传输功率损耗或增益来确定LOS和NLOS之间的转变时机。例如，UAV控制器610或UAV 630可被配置成监视在无线链路620上通信的任一设备的功率测量并且检测LOS和NLOS之间的转变。
在802.11或类似无线标准中，测得的功率可被称为收到信号强度指示符(RSSI)。RSSI的变化可用于确定LOS到NLOS转变的时机和/或NLOS到LOS转变的时机。在一些实施例中，如果分组被正确地接收到以排除其中RSSI中的变化实际上是由于无线链路中的巨大信号干扰的情形，则RSSI测量可能不是有效的。
天线阵列
无线链路620可使用发射机阵列和接收机阵列(例如，类似于发射机阵列124和接收机阵列128)来形成，尤其是用于经常需要天线阵列来补偿由于频带短波长而导致的通常相对较大的信道传播损耗的60GHz毫米波系统。如本文描述的，形成无线链路620的天线阵列中的一者或两者可被实现为根据本文描述的各种方法中的一种或多种的在必要时包括单个天线元件的天线阵列(例如，单元件天线阵列)。
图11解说了根据本公开的一实施例的相对于用于无人驾驶飞行器系统的发射机和接收机天线阵列的离去角和到达角的示图。将线性发射机天线阵列1124和线性接收机天线阵列1128用作示例，图11解说了不同的天线元件经历具有取决于到达角或离去角(例如，对应于UAV控制器610和UAV 630之间的方向向量)的不同相移的信号。因为确定到达角是与确定离去角相同的问题，所以离去角被用于解释目的，但类似的方法也可适用于到达角。实际上，在发射天线和接收天线基本上位于同处(例如，天线元件和/或天线阵列之间的间隔相对较小)的情况下，到达角和离去角基本上是相同的。出于解说目的，图11示出了离去角和到达角中的区别。尽管图11只示出了线性阵列，但二维阵列将允许确定到达角或离去角的仰角和方位角。
假设离去角θ和天线间距Δ，不同的天线之间的路径差等于Δsin θ，且对应的相位差等于
Figure BDA0001560382150000301
其中λ是空中的无线信号的波长。
Figure BDA0001560382150000302
的相位差可根据各种不同的方法来测量。在一个实施例中，
Figure BDA0001560382150000303
的相位差可通过天线阵列的复数振幅权重向量(AWV)的角来给出。AWV可通过波束成形过程来给出，在该波束成形过程中，来自发射机设备(例如，UAV控制器610)的波束指向接收机设备(例如，UAV630)，并且接收机设备的波束指向发射机设备。该指向过程被实现为不同天线之间的信号的相干叠加。在进行信号的这种相干叠加的情况下，来自发射阵列的某些角(朝向接收机)的信号被增强，而其它角被抑制，如同对于波束成形天线阵列是典型的。理想地，AWV应补偿不同天线之间的相位差，或者换言之，AWV的相位是由(13)给出的相位差的补。在没有物理地移动天线阵列的情况下，发射机的波束可指向离去角，且接收机的波束可指向到达角。在该特定方案中，相位差(13)是AWV的相位的补。
在另一实施例中且尤其针对到达角，相位差可通过天线的对应的收到信号的模到数样本来测量。来自不同天线的收到信号可以彼此相关，最高达一时间延迟/相位，并且这些信号之间的相关性和时间延迟可用于相应地确定到达角，如本文描述的。存在可用于获得到达角和离去角的许多不同的算法，诸如本文公开的那些算法中的任一算法，包括MUSIC和ESPRIT。在其中只需要标识单个角的类似于图6的实施例中，简单算法可以是可用的，并且可使用多个角来标识系统是否处于NLOS状况。
尽管本讨论主要讨论了UAV控制器610，但也可测量相对于UAV 630的到达角和离去角/方向向量。测量可被或不被发送回到UAV控制器610以供进一步处理。在一个实施例中，因为UAV 630可相对于UAV控制器610移动并且倾斜和/或旋转，所以到达角和离去角可计及UAV 630的定向。在另一实施例中，UAV 630可被配置成通过其自己的控制和/或相对于UAV控制器610的旋转来与地面平行地自引航。在各实施例中，如果方位角由于旋转而对于UAV630是未知的，则到达角和离去角可指示仰角，但忽略方位角。实际上，UAV 630的方位角可相对于UAV控制器610来测量并被用来控制UAV 630定向至相对于UAV控制器610和/或UAV控制器610的天线阵列的所选定向。
在各实施例中，UAV控制器610和UAV 630之间的到达角和离去角/方向向量可用于：供UAV控制器610用来确定UAV 630相对于UAV控制器610的相对位置(例如，连同射程，三维空间中的确切位置可被确定)；使用测量时间序列来确定UAV 630的相对速度/带方向速度；当测量时间序列包括跨该时间序列中的相邻或半相邻测量的相对较大的值变化时，用来检测LOS和NLOS之间的链路状态转变(例如，LOS到NLOS或者NLOS到LOS)；供UAV 630用来检测和控制UAV 630相对于UAV控制器610的定向；当所测得的UAV 630的角被传送回到UAV控制器610时，用来实现用于检测无线链路在NLOS链路状态中(例如，当所测得的角/方向向量例如在UAV控制器610和UAV 630两者的天线阵列平行于地面时对于UAV控制器610和UAV630并非相同/相对时)遭受有害的多路径传播(例如，反射)的方法。
图12解说了根据本公开的一实施例的操作无人驾驶飞行器系统600的过程1200。在一些实施例中，图12的操作可被实现为由与图1到2E和6-11中描绘的对应的电子元器件、传感器和/或结构相关联的一个或多个逻辑器件执行的软件指令。更一般而言，图12的操作可以用软件指令和/或电子硬件(例如，电感器、电容器、放大器、致动器或其它模拟和/或数字组件)的任何组合来实现。应认识到，过程1200中的任何步骤、子步骤、子过程或框可以按不同于图12所解说的实施例的次序或布置执行。例如，在其它实施例中，可以从过程1200中省略一个或多个框，并且可包括其它框。此外，框输入、框输出、各种传感器信号、传感器信息、校准参数和/或其它操作参数可以在移至过程1200的下一部分之前被存储到一个或多个存储器。尽管过程1200参照系统110和600以及图1-2E和6-11描述，但过程1200可由与系统110和600不同且包括电子元器件、传感器、组件和/或天线布置的不同选择的其它系统执行。在过程1200开始时，各种系统参数可例如通过类似于过程1200的过程的先前执行来填充，或者可被初始化为零和/或对应于从过程1200的过往操作导出的典型、已存储和/或习得的值的一个或多个值，如本文描述的。
在框1202中，逻辑器件建立UAV控制器和UAV之间的无线链路。例如，UAV控制器610或UAV 630的控制器(例如，类似于系统110中的控制器112和/或协控制器120)可被配置成使用至少一个发射机天线阵列和/或至少一个接收机天线阵列(例如，类似于系统110的发射机阵列124和接收机阵列128)来建立UAV控制器610和UAV 630之间的无线链路620。UAV控制器610建立链路620可包括UAV控制器610发起或请求与UAV 630的无线链路和/或执行协商和/或确认协议(例如，握手)以便与UAV 630配对或以其他方式建立专门到UAV 630的无线链路620。UAV630建立链路620可包括UAV630发起或请求与UAV控制器610的无线链路和/或执行协商和/或确认协议(例如，握手)以便与UAV控制器610配对或以其他方式建立专门到UAV控制器610的无线链路620。在一些实施例中，控制器可被配置成通过确定要应用于对应的发射机阵列或接收机阵列的AWV来波束成形无线链路620以建立UAV控制器610和UAV630之间的无线链路620。
在框1204中，逻辑器件传递对应于所建立的无线链路的链路状态数据。例如，在建立无线链路620后，UAV控制器610或UAV 630的控制器可被配置成在无线链路620上传送和/或接收对应于无线链路620的链路状态数据。在一些实施例中，链路状态数据可包括对应于至少两个定时测量分组710和720的传送和接收的多个时间戳，第一个定时测量分组从UAV控制器610传送到UAV 630，且第二个定时测量分组由UAV控制器610从UAV 630接收。控制器可被配置成从多个时间戳中确定与无线链路620相关联的传播延迟，并且基于传播延迟来确定UAV控制器610和UAV 630之间的射程/距离。控制器还可被配置成从多个时间戳中确定与无线链路620相关联的传播延迟的时间序列，检测该传播延迟的时间序列中的指示LOS链路状态和NLOS链路状态之间的无线链路620的链路状态转变的变化，并且诸如通过UAV控制器610的显示器上的可视通知或者通过由UAV控制器610的扬声器/换能器生成的可听通知来将链路状态转变通知给UAV控制器610的用户。这一变化可包括传播延迟的时间序列中的相对突然或非连续变化，诸如单个时间步中的例如大于10％的变化。
在框1206中，逻辑器件在所建立的无线链路上传递UAV操作数据。例如，UAV控制器610或UAV 630的控制器可被配置成在无线链路620上传送和/或接收UAV操作数据，其中UAV操作数据被配置成控制UAV 630的操作，并且其中UAV操作数据的至少一部分可以至少部分地基于在框1204中传递的链路状态数据来调整。例如，链路状态数据可由UAV控制器610或UAV 630的控制器用来调整UAV操作数据(在无线链路620上传递之前或之后)以根据相对于UAV控制器610的定向、位置和/或速度和/或如由链路状态数据指示的无线链路620来引航UAV 630，引航UAV 630以纠正如由链路状态数据指示的安全或规章背离，相对于UAV控制器610和/或如由链路状态数据指示的无线链路620定向UAV 630上的相机和/或其它传感器，和/或以其它方式根据所需应用来帮助操作UAV 630。
在一些实施例中，如果链路状态数据指示无线链路620的链路状态从视线链路状态到非视线链路状态的转变，则UAV 630的控制器可被配置成调整接收到的UAV操作数据以使得UAV 630进入悬停模式以维持其海拔和位置，同时例如等待指示回到LOS链路状态的转变的进一步的链路状态数据。在其它实施例中，UAV 630的控制器可被配置成调整接收到的UAV操作数据以使得UAV 630反向重走其飞行路径以重新建立LOS链路状态，进入回家模式(例如，其中UAV 630被自动引航以将海拔提高至预定高度，在预定高度平移位置，并且悬停在基本上与UAV控制器610相邻的预定“家”位置，并着陆)和/或执行被配置成重新建立LOS链路状态或者安全地引航UAV 630或使其着陆的其它飞行操作。在附加实施例中，UAV 630的控制器可被配置成调整发射和/或接收功率、信号调制或数据率以提高被配置成重新建立LOS链路状态的无线链路620的链路质量或者将这些调整作为UAV操作数据作传送到UAV控制器610，UAV控制器610可被配置成实现类似措施。在重新建立LOS链路状态之际，UAV630可被配置成恢复如通过UAV控制器610提供的操作数据控制的引航。
在类似情况下，UAV控制器610的控制器可被配置成调整接收到的UAV操作数据以使得UAV 630将链路状态转变通知给UAV控制器610的用户(例如，通过可视或可听指示符)。UAV控制器610的控制器可被替换地和/或附加地配置成调整发射和/或接收功率、信号调制或数据率以提高无线链路620的链路质量并重新建立LOS链路状态，或者将这些调整作为UAV操作数据作传送到UAV 630，UAV 630可被配置成实现类似措施。在相关实施例中，UAV控制器610的控制器可被配置成传送经调整的UAV操作数据(例如，根据直接用户输入/控制、预先计划的自动引航控制和/或其它未经调整的UAV操作数据来调整)，经调整的UAV操作数据被配置成使得UAV 630进入悬停模式、回家模式、重走飞行路径模式，和/或执行被配置成重新建立LOS链路状态或安全引航或着陆UAV 630的其它飞行操作。在接收到/确定指示无线链路620的链路状态从NLOS链路状态到LOS链路状态的转变的链路状态数据之际，UAV控制器610的控制器可被配置成将链路状态转变通知给UAV控制器610的用户和/或恢复传送未经调整的UAV操作数据。
在其它实施例中，UAV控制器610或UAV 630的控制器可被配置成从链路状态数据中检测UAV 630超出例如UAV 630的速度和/或海拔和/或其它规定速度、位置(例如，机场/光路限制)的预定义(例如，由用户的父母)安全限制和/或海拔限制，并且在使用UAV操作数据来控制UAV 630的操作之前调整UAV操作数据以执行被配置成遵从安全和/或规章限制的一个或多个各种飞行操作。例如，UAV控制器610或UAV 630的控制器可被配置成调整UAV操作数据以便在接近海拔限制时限制向上垂直速度，以使得UAV 630落至海拔限制以下和/或在任何预定义限制在UAV 630的操作期间被超出的情况下进入回家模式。
在一些实施例中，链路状态数据可包括对应于UAV控制器610或UAV 630在无线链路620上对链路状态数据(框1204中)和/或UAV操作数据(框1206中)的接收的多个功率测量的时间序列。例如，控制器可被配置成测量链路状态数据和/或操作数据的收到传输的功率。控制器可被配置成检测功率测量的时间序列中的无线链路620的链路增益变化并在适当时根据检测到的链路增益变化来调整无线链路的调制和/或提高或降低传输数据率。在一些实施例中，控制器可被配置成检测功率测量的时间序列中的无线链路620的指示无线链路620的链路状态在视线链路状态和非视线链路状态之间的转变的链路增益变化，并且将该链路状态转变通知给UAV控制器610的用户。这一变化可包括功率测量的时间序列中的相对突然或非连续变化，诸如单个时间步中的例如大于10％的变化。
在一些实施例中，控制器可被配置成通过在无线链路620上传送和/或接收链路状态数据(框1204中)和/或UAV操作数据(框1206中)来确定UAV控制器610和UAV 630的方向向量(例如，AoA或AoD)，从射程和方向向量中确定UAV 630相对于UAV控制器610的位置，并且在UAV控制器610的显示器上向UAV控制器610的用户指示该位置。在附加实施例中，控制器可被安装在UAV控制器610内并被配置成从多个时间戳中确定与无线链路620相关联的传播延迟的时间序列并基于该传播延迟的时间序列来确定UAV控制器610和UAV 630之间的射程的对应时间序列，通过在无线链路620上传送和/或接收链路状态数据和/或UAV操作数据来确定UAV控制器610和UAV 630之间的方向向量的时间序列，从射程的时间序列和方向向量的时间序列中确定UAV 630相对于UAV控制器610的位置的时间序列，从位置的时间序列中确定UAV 630相对于UAV控制器610的速度，并且在UAV控制器610的显示器上向UAV控制器610的用户指示UAV 630的速度。
在附加实施例中，控制器可被配置成通过在所建立的无线链路上传送和/或接收链路状态数据(框1204中)和/或UAV操作数据(框1206中)来确定UAV控制器610和UAV 630之间的方向向量的时间序列，检测方向向量的时间序列中的指示无线链路620的链路状态在视线链路状态和非视线链路状态之间的转变的变化，并将链路状态转变通知给UAV控制器610的用户。这一变化可包括方向向量的时间序列中的相对突然或非连续变化，诸如单个时间步中的例如大于10％的方向变化。在一个实施例中，控制器可被安装到UAV 630并被配置成通过在无线链路620上传送和/或接收链路状态数据(框1204中)和/或UAV操作数据(框1206中)来确定UAV控制器610和UAV 630之间的方向向量，并且使用方向向量作为参照来引航UAV 630以维持或调整UAV 630相对于UAV控制器610的定向。例如，UAV 630可被配置成自引航以将所安装的相机对准UAV控制器610，而不管UAV 630的飞行路径。
控制器还可被配置成通过在框1204和1206中在无线链路620上传送和/或接收链路状态数据和/或UAV操作数据来确定从UAV控制器610到UAV 630的第一方向向量以及从UAV 630到UAV控制器610的第二方向向量，检测无线链路610的链路状态从视线链路状态到非视线链路状态的转变，并且至少部分地基于第一和第二方向向量来确定非视线链路状态是由于有害的多路径传播。例如，如果第一和第二方向向量不是平行的，则这两个设备之一很有可能正在测量反射波束，这可导致无线链路620的链路增益的减少。在各实施例中，第一和第二方向向量中的至少一者可通过测量UAV控制器610和/或UAV 630中的发射机天线阵列或接收机天线阵列中的相邻天线元件之间的相位差来确定。在做出这一判定之际，UAV630或UAV控制器610的控制器可被配置成调整无线链路620的调制、数据率或其它波束或信道特性(例如，和/或在无线链路620上传送这些调整作为经调整的UAV操作数据)以帮助补偿有害的多路径传播，诸如在改变UAV 630的空间位置或定向不足以重新建立LOS链路状态的情况下。替换地或附加地，第一和第二方向向量中的至少一者可基于应用于发射机天线阵列或接收机天线阵列以便在框1202中建立UAV控制器610和UAV 630之间的无线链路620的天线权重向量来确定。
由此，本公开的实施例提供了UAV系统中的重量和功率高效的类雷达位置检测，该检测还可用于检测用于UAV系统的无线链路的指示不安全飞行的链路状态变化。
在适用的情况下，本公开所提供的各个实施例可使用硬件、软件或硬件和软件的组合来实现。同样在适用的情况下，此处提出的各种硬件组件和/或软件组件可被组合成包括软件、硬件、和/或两者的合成组件，而不背离本公开的精神。在适用的情况下，此处提出的各种硬件组件和/或软件组件可被分割成包括软件、硬件、和/或两者的子组件，而不背离本公开的精神。另外，在适用的情况下，设想了软件组件可被实现为硬件组件，反之亦然。
根据本公开的软件(诸如程序代码和/或数据)可被存储在一个或多个非瞬态机器可读介质上。还设想了此处所标识的软件可使用(联网的和/或其它方式的)一个或多个通用或专用计算机和/或计算机系统来实现。在适用的情况下，此处描述的各步骤的排序可被改变、组合成合成步骤、和/或分割成子步骤以提供此处所描述的特征。
上述实施例解说但不限制本发明。还应理解，根据本发明的原理的众多修改和变化是可能的。因此，本发明的范围仅由后续的权利要求来界定。

Claims (12)

1.一种用于物体感测系统的方法，包括：
指定用于物体感测系统的发射机天线阵列和接收机天线阵列的多个发射机和接收机信道，其中发射机信道正使用所述发射机天线阵列的天线元件之一或组合且所述接收机信道正使用所述接收机天线阵列的天线元件之一或组合；
通过所指定的信道来扫描所述发射机天线阵列和所述接收机天线阵列以测量对应于所指定的信道中的每一者的信道响应；
形成包括对应于每一个所测得的信道响应的条目的测量矩阵，其中指定所述多个发射机和接收机信道包括：
形成包括对应于所述多个发射机和接收机信道中的每一个发射机信道的一个或多个发射机振幅权重向量AWV的发射机AWV矩阵，以及
形成包括对应于所述多个发射机和接收机信道中的每一个接收机信道的一个或多个接收机AWV的接收机AWV矩阵；
从所述测量矩阵、所述发射机AWV矩阵和所述接收机AWV矩阵中导出信道矩阵；以及
通过对所述信道矩阵执行奇异值分解以便至少确定对应于去往或来自扫描的物体的方向向量的最大奇异值来确定去往或来自所述物体的所述方向向量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
形成包括对应于每一个所测得的信道响应的条目的信道矩阵，其中所指定的信道对应于包括来自所述发射机天线阵列和所述接收机天线阵列中的每一者的一个天线元件的各天线元件对；以及
通过对所述信道矩阵执行奇异值分解以便至少确定对应于去往或来自所述物体的所述方向向量的最大奇异值来确定去往或来自所述物体的所述方向向量。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所指定的信道对应于相对于所述发射机天线阵列和/或所述接收机天线阵列的发射表面的不同的发射机或接收机波束角，所述方法进一步包括：
通过以下操作来以离去角AoD或到达角AoA的形式确定去往或来自所述物体的所述方向向量：标识所测得的信道响应中的包括峰值信号电平的一个所测得的信道响应并将所述AoD或所述AoA设为对应于包括所述峰值信号电平的所述一个所测得的信道响应的发射机或接收机波束角。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所指定的信道对应于包括来自所述发射机天线阵列和所述接收机天线阵列中的每一者的一个天线元件的各天线元件对，所述方法进一步包括：
确定所测得的信道响应中的对应于所述发射机天线阵列或所述接收机天线阵列内的相邻天线元件的信号之间的多个相位差；以及
通过以下操作来以离去角AoD或到达角AoA的形式确定去往或来自所述物体的所述方向向量：对所确定的多个相位差求平均并将所得平均相位差转换成所述AoD或AoA。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，进一步包括：
在一时间段内通过所指定的信道重复扫描所述发射机天线阵列和所述接收机天线阵列以生成所测得的信道响应的时间序列；
基于所测得的信道响应的时间序列来确定平均相位差的时间序列；以及
通过对所述平均相位差的时间序列的一种形式应用傅立叶变换并将所得变换中的峰值标识为平均角速度来从所述平均相位差的时间序列中确定所述物体的平均角速度。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所指定的信道对应于包括来自所述发射机天线阵列和所述接收机天线阵列中的每一者的一个天线元件的各天线元件对，并且其中所述发射机天线阵列和/或所述接收机天线阵列包括具有第一主轴和第二主轴的二维天线阵列，所述方法进一步包括：
确定所测得的信道响应中的对应于所述发射机天线阵列或所述接收机天线阵列内的沿着所述第一主轴的相邻天线元件的信号之间的第一多个相位差；
确定所测得的信道响应中的对应于所述发射机天线阵列或所述接收机天线阵列内的沿着所述第二主轴的相邻天线元件的信号之间的第二多个相位差；以及
通过以下操作来以离去角AoD或到达角AoA的形式确定去往或来自所述物体的所述方向向量：对所确定的所述第一多个相位差求平均，单独地对所确定的所述第二多个相位差求平均并将所得第一和第二平均相位差转换成所述AoD或AoA。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所测得的信道响应中的至少一者包括经采样的冲激响应，所述方法进一步包括：
执行使用所述经采样的冲激响应来确定从所述发射机天线阵列和/或所述接收机天线阵列到所述物体的射程的匹配追踪过程。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射机AWV矩阵和所述接收机AWV矩阵各自包括哈达码矩阵。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射机AWV矩阵和所述接收机AWV矩阵各自包括被配置成将所指定的信道聚焦于可用检测区域的特定子集内的AWV，所述方法进一步包括：
通过对所述测量矩阵执行奇异值分解以便至少确定最大奇异值和对应的测量矩阵奇异向量并且通过对所述测量矩阵奇异向量应用基于所述发射机AWV矩阵或所述接收机AWV矩阵的变换矩阵以将所述测量矩阵奇异向量变换成去往或来自所述物体的所述方向向量来确定去往或来自所述物体的所述方向向量。
10.一种物体感测系统，包括：
耦合到发射机天线阵列的发射机，其中所述发射机被配置成对提供给所述发射机天线阵列的信号应用振幅权重向量以使用所述发射机天线阵列的一个或多个天线元件来形成对应的发射机信道；
耦合到接收机天线阵列的接收机，其中所述接收机被配置成对提供给所述接收机天线阵列的信号应用振幅权重向量以使用所述接收机天线阵列的一个或多个天线元件来形成对应的接收机信道；
被配置成与所述发射机和所述接收机通信的控制器；以及
被配置成存储多个计算机可读指令的存储器，所述多个计算机可读指令在由所述控制器执行时被适配成使所述系统执行根据权利要求1-9中任一项所述的方法。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，进一步包括显示器，所述方法进一步包括：
在所述显示器上显示被配置成指示对所述物体的检测和/或去往或来自所述物体的所述方向向量的指示符。
12.一种存储计算机可执行代码的非瞬态计算机可读介质，所述计算机可执行代码在被处理器执行时执行根据权利要求1-9中任一项所述的方法。
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