CN108291958A

CN108291958A - 耦合雷达

Info

Publication number: CN108291958A
Application number: CN201680059613.XA
Authority: CN
Inventors: 托尔·斯韦勒·朗德
Original assignee: Norweda Co
Current assignee: Norweda Co
Priority date: 2015-08-14
Filing date: 2016-08-12
Publication date: 2018-07-17
Anticipated expiration: 2036-08-12
Also published as: US20180239013A1; WO2017029483A1; CN108291958B; EP3335056A1; GB201514520D0; US10969483B2; EP3335056B1

Abstract

一种在吸收性物体内进行成像的方法，包括：将发射天线和接收天线放置成紧邻所述物体的表面；从所述发射天线将电磁脉冲发射到所述物体中；以及在所述发射天线发射所述脉冲的同时在所述接收天线处接收接收信号；其中，所述发射和接收包括以下步骤：a)设置接收信号强度的阈值水平；b)发射一个或多个脉冲；c)将针对所述一个或多个脉冲的所述接收信号与所述阈值水平进行比较；d)改变所述阈值水平；e)重复步骤b)、c)以及任选地d)一次或多次。由于不存在任何慢多位ADC，所以此安排可以以极高的速度运行。耦合雷达应用需要非常高的采样速率，并且如果要同时接收来自深度的强直接路径信号和更弱信号，则需要高动态范围。比较器实际上用作1位ADC将进入信号量化成两个水平。其可以高速运行并且因此提供信号处理所需的时间分辨率。所述比较阈值是可调整的，即，所述量化水平是可调整的。这提供了使耦合雷达应用成为可能的高动态范围。

Description

耦合雷达

技术领域

本发明涉及用于耦合雷达的方法和设备。具体地，本发明涉及可以在短距离内使用的耦合雷达。

背景技术

许多材料强烈地吸收射频(RF)电磁(EM)辐射。此类材料可以被称为强吸收性材料。当雷达用于此类材料时，大多数入射能量被背向散射并且仅少量的辐射穿透材料。进入材料的波通常也会迅速被减弱。材料的此性质对传统雷达使用(如飞机探察以及监测)有重大影响，因为其使强吸收性材料(如金属)将RF波反射回雷达单元，在所述雷达单元处，所述强吸收性材料可以被检测到。

由于此原因，限制了吸收性材料内的雷达成像。用于远处的吸收性材料物体的EM波将在空气-材料边界处被强烈反射。不足的能量穿透材料以产生从物体的内部可检测的反射信号，所述可检测的反射信号可以披露关于物体的内部的信息。通常，约75％或更多的入射能量在表面处被反射。

为了避免反射问题，可以将EM源天线和接收天线放置成靠近吸收性材料表面。当天线与材料表面之间的距离小于四分之一波长时，发生RF耦合，来自空气-物体边界的反射大大降低，并且根据耦合材料的导电性，进入吸收性材料的发射增强。

针对高导电(高损耗)材料，可能有必要插入具有类似介电(介电常数)性质的低损耗(低导电性)材料层，从而避免无功近场中的能量损耗。此层可以粘接到天线上，但还可以应用其他安排。针对间隔层的最佳位置，固定在天线上通常是最好的。可以使用固体和柔软件(例如，流体填充袋)两者。

此效应用于探地雷达(GPR)中以对深层地下进行成像(例如用于地质勘测、考古调查、埋藏的给水管/管道的识别等)。

大多数雷达系统在近距离处遭受问题。对于更远距离的雷达检测系统来说，这通常不是问题，但对于耦合雷达实现来说，近距离变得更受关注。由于存在从发射天线沿着吸收性介质的表面到接收天线的强直接路径，所以范围被限制在离天线的最小距离。由于通常调整接收电路以检测来自深度的弱背向散射信号(并且动态范围不能足够大到一次检测弱和强背向散射信号两者)，所以此强直接路径信号使接收电路饱和，从而防止其他信号检测。一旦饱和，接收电路就需要时间回到正常检测状态。因此，来自较浅深度的反射是不可检测的。此问题的正常解决方案是简单地关闭接收电路直到发射电路完成了发射。当完成发射时，开启接收电路。一旦接收电路启动并且运行，就可以开始对反射波的检测。这针对传统雷达建模中的检测设置了最小距离。

根据雷达架构和应用，受限的短距离性质可能不是问题。然而，由于外露材料的导电性质，所以多个近距离雷达应用受到强电磁吸收的限制。增加在吸收性材料内的距离将使信号减弱，因此防止感测和成像两者，而由于发射干扰背向散射信号，所以短距离检测是不可能的。因此，有用范围在两端处被压缩。因此，必须非常小心以使信号损失最小化并且实现高灵敏度。

发明内容

根据一个方面，本发明提供了在吸收性物体内进行成像的方法，包括：

将发射天线和接收天线放置成紧邻所述物体的表面；

从所述发射天线将电磁脉冲发射到所述物体中；以及

在所述发射天线发射所述脉冲的同时在所述接收天线处接收接收信号；

其中，所述发射和接收包括以下步骤：

a)设置接收信号强度的阈值水平；

b)发射一个或多个脉冲；

c)将针对所述一个或多个脉冲的所述接收信号与所述阈值水平进行比较；

d)改变所述阈值水平；

e)重复步骤b)、c)以及任选地d)一次或多次。

根据另一个方面，本发明提供了一种耦合雷达装置，包括：

发射天线，所述发射天线适合放置成邻近吸收性材料的表面；

接收天线，所述接收天线适合放置成邻近吸收性材料的表面；

脉冲发生器，所述脉冲发生器被安排成从所述发射天线将电磁脉冲发射到所述物体中；以及

接收器，所述接收器被安排成在所述脉冲发生器发射所述脉冲的同时在所述接收天线处接收接收信号；

处理器，所述处理器可操作地连接至所述脉冲发生器和所述接收器，其中，所述处理器被安排成执行以下步骤：

a)设置接收信号强度的阈值水平；

b)发射一个或多个脉冲；

d)改变所述阈值水平；

e)重复步骤b)、c)以及任选地d)一次或多次。

部分地由于不存在任何慢多位ADC，所以上述方法和装置可以以极高的速度运行。用于对进入信号进行采样的通常方法是使用具有足够分辨率(即，足够数量的位)的ADC来足够详细地记录进入信号水平以使接收信号能够被处理和分析。例如，8位ADC可以将进入信号确定为256个不同水平中的任何一个，而4位ADC只能区分16个不同信号水平。制作具有高分辨率的高速ADC是很难(并且很昂贵)的。要求的水平数越高，ADC的制作越困难并且越昂贵。因此，无法很好地协调速度和动态范围；如果ADC以所述速度运行，则必须减小动态范围。在耦合雷达应用中，由于介质内EM波的速度而需要非常高的采样速率。同时，如果要同时接收、检测并且区分来自深度的强直接路径信号和更弱信号，则需要高动态范围。本发明使用比较器来将进入信号与阈值水平进行比较。这实际上是简单地将进入信号量化成两个水平的1位ADC：高于阈值和低于阈值(其可以用符号(即正号和负号)来表示)。简单比较器可以高速运行并且因此可以提供信号处理所需的时间分辨率。同时，根据本发明，比较器将其与信号进行比较的阈值是可调整的(即，量化水平是可调整的)。这提供了使耦合雷达应用成为可能的高动态范围。比较器的阈值可以由DAC提供，所述DAC具有对应于大采样分辨率的大量输出水平(例如，8位或更高)。

通过在改变阈值水平的同时执行重复测量，可以在大量采样水平下进行测量(提供信号强度的分辨率)，同时通过使用简单(高速)比较器来及时保持分辨率。

如果正接收来自非常浅的深度的接收信号，则可能有来自单个发射脉冲的足够的接收信号强度，所述单个发射脉冲仍然可以在噪声水平以上检测到。因此，一旦已经发现了区分接收信号与噪声的合适阈值，就立即进行进一步处理以分析接收信号。然而，在许多情况下，由于介质中的高吸光度，所以接收信号将被高度减弱并且可能低于来自其他干扰信号的噪声水平。在此情况下，可以累积足够快速地进行的重复测量(与正在检查的任何对象/界面的移动速度相关)，从而使得不相关的噪声平均被消除，而信号平均相加。因此，优选地在步骤d)中改变阈值之前重复上述步骤b)和c)至少一次。可以在步骤d)中改变阈值之前重复步骤b)和c)至少100次。可替代地，可以在步骤d)中改变阈值之前重复步骤b)和c)很多次(例如，至少1000次)。确实，更多的重复有利于提供更强的累积信号，并且因此在接收信号中可以累积数万/数十万甚至上百万或更多的脉冲以增加可靠性(处理增益)。优选地，累积足够的脉冲以使接收的背向散射信号水平显著高于噪声水平。用于每次测量的脉冲的数量限制了雷达的时间/时序响应(即，限制其帧速率)。为了准确地检测散射体，散射体在连续帧之间不能移动太多并且这因此限制了每帧的脉冲的数量。

在给定阈值的每次测量提供了关于与所述阈值水平相关的信号的信息。优选地，在步骤d)中对阈值的改变改变了一组阈值当中的阈值。所述组中的阈值对应于信号中的兴趣值，即与期望知道接收信号的水平相关的参考水平。通过在多个不同阈值处进行多次测量并且累积在每次测量时收集的信息，可以建立关于接收信号的更多细节。可以以任何顺序对多个阈值水平进行采样。在许多便利实施例中，按升序或降序对多个阈值水平进行轮询。多个阈值水平不一定需要是可以由DAC输出的相邻水平，但可以间隔开以在不包括DAC的所有中间输出值的情况下覆盖更大范围。然而，针对最佳分辨率，多个阈值包括DAC的一个或多个相邻输出水平范围。如上所述，可以以任何顺序对多个阈值进行轮询，但是在许多便利实施例中，在步骤d)中对阈值的改变扫过最小阈值与最大阈值之间的阈值的范围。阈值的范围可以包含要在单个范围内被检查的潜在信号值的全范围(其可以是可用的最小/最大阈值或可以是更小范围)。然而，在其他实施例中，可能有两个或两个以上的兴趣范围并且可以通过每个兴趣范围依次扫过阈值。不同范围可以表示已经被预先识别为与其间的不太(或不)重要区域相关的潜在信号值的范围。通过仅集中于重要区域，有两个好处。第一个好处是在每个兴趣信号水平可以进行更多测量，从而提供更好、更准确的数据。第二个好处是可以在更短时间内获得完整的数据集。这些好处根据特定应用场景以及在何种程度上优先考虑快速测量和准确测量是可选的或都可以在不同程度上应用。更小阈值扫过范围意指更多时间可用于重复测量，这反过来允许从噪声中更好地提取信号。当执行扫过阈值的范围时，优选地，以三角形波形而不是锯齿波形执行扫过(即，从低到高的扫过之后是从高到低的扫过，反之亦然)。由于系统以其运行的高速度，所以已经发现阈值的大幅度变化可以通过电源线和/或互连件之间的电容耦合注入显著噪声。更小幅度变化不会遇到此问题并且因此三角形波形产生更准确的结果。

可以由软件基于之前的值来确定适当阈值组或要检查的值的范围。仅作为示例，可以执行一些全范围扫过以确定近似信号形状并且然后可以在兴趣区域周围选择一个或多个子范围以实现更快速以及更准确的随后数据收集。

在一些实施例中，可以调整阈值水平以搜索一个(或多个)兴趣信号。如果在初始阈值范围内没有发现信号，则根据搜索策略可以扩大或移动范围。仅作为示例，可以首先将范围扩大到整个可用阈值范围以查看是否可以检测到信号，然后将其划分为逐渐更小的要分别测试的子范围直到发现合适的接收信号。

为了提供接收信号的时间表示，优选地，在一系列时间点对接收信号进行采样并且将这些采样各自与阈值水平进行比较。

优选地，计数器阵列具有针对系列中每个采样时间的元件，并且每当将对应于所述采样时间的接收信号与阈值进行比较时，对应于所述采样时间的阵列元件根据所述比较的结果变化。应当理解的是，改变可能仅是当接收信号大于阈值时增加阵列元件的值以提供阈值已经超过的次数的计数。应当理解的是，此文档中的计数的概念包含累积出现频率的任何形式。

例如，从固定值倒数可以用于产生相同的数值结果，并且因此被认为等同于顺数。

当改变一组值(例如，值的范围)当中的阈值水平时，计数器阵列值继续增加，从而累积来自多个阈值比较的计数并由此建立关于更高分辨率的信号水平的信息。

当将开始新的整体测量时，可以定期重置计数器阵列。如上所述，这可能仅将阵列的所有元件归零，或者可能涉及将所有元素设置为预设值。平均计数器值将反映包括噪声和分量变化的长期信号平均值并且还可以被存储在测量值之间。一个优点是由于噪声大大降低而提高了SNR，从而提高了灵敏度。然而，如果反射物体正在移动，则在不丢失关于物体的信息的情况下对信号可以被平均多久有限制，所以在灵敏度与时间分辨率之间有折衷。

可以使用单个比较器进行信号采样，其中在时间上的输出采样针对计数器阵列中的串联的不同元件。执行此操作的一个可替代方法是通过具有多个抽头(针对每个采样时间一个)的延迟线传递接收信号。每个抽头可以将接收信号馈送至其自身的比较器，在所述比较器处，将所述接收信号与阈值水平进行比较。使用这种安排，可以同时进行比较并且可以同时调整(增量)所有计数器阵列元件。然而，优选的安排是使用单个比较器，所述比较器的输出同时可用于所有计数器。然后，通过延迟线按顺序(即，按时间顺序)启动计数器(具体地，每个计数器由延迟线的单独抽头启动)。通过延迟线传播的触发信号将简略地依次启用每个计数器，一旦启用，计数器就将当前比较器输出值(零或一)与其存储计数值相加。触发信号可以由延迟版本的发射脉冲信号提供。计数器可以被认为是取样器单元，而不是用于触发采样的时钟，用于触发采样的是延迟脉冲触发信号。因此，针对计数/采样过程(其以极高速度发生，例如GHz)，没有高速时钟要求。避免高速时钟避免了过大芯片面积和高功耗的相应需要。

在一些实施例中，延迟线抽头的数量(即，同时检测路径的数量并且因此延迟线延迟元件的数量以及计数器阵列元件的数量)大于50，优选地大于100，更优选地大于200，并且在一些实施例中大于500。具体示例包括256条同时检测路径以及512条同时检测路径。

优选地，在步骤e)之后，信号处理用于从接收信号数据中减去直接路径信号分量。因为上述检测系统允许高灵敏度下的高动态范围，所以在接收的信号数据内接收并且区分高振幅直接路径信号与低振幅背向散射信号两者。直径路径信号由于沿着被检查的物体的表面行进并且不提供关于内部的信息而通常不被显著关注。其仅是略微减弱版本的发射信号，所述发射信号具有容易测量的延迟。因此，其可以容易地从接受信号数据中减去，从而仅留下背向散射信号，所述背向散射信号提供物体内关于散射体的信息。

由脉冲发生器和发射天线发射的脉冲优选地是超宽带(UWB)脉冲，因为这些脉冲在不超出与此频谱相关联的调节传输限制的情况下允许在公用频谱内传输显著信号能量。例如，在美国，从3.1到10.6GHz的UWB波段可用，其中传输限制为-41.3dBm/MHz。优选地，为了此频谱的最佳使用，高斯或高斯导数脉冲(或其近似值)用于将传输调整到可用带宽。

将比较器用于量化进入信号意指量化信号是在数值上是数字。当由被延迟触发信号采样并在计数器中被累积时，在时间和数值两者上的数字信号可用于进一步处理。

通过以快速率对信号进行采样并且使用时间均化技术来提供动态范围和灵敏度，驱动和接收电路完全可以在CMOS技术中产生并且得益于此设备的高运行速度。附加地，可以在单个小低功率芯片上形成电路。

在一些安排中，可以在发射天线和接收天线中的至少一个(优选地两者)与物体(吸收性材料)的表面之间提供低损耗、匹配介电材料。优选地，邻近物体表面提供低损耗、匹配介电材料。

应当理解的是，上述优选特征同等地适用于方法和装置两者。

附图说明

下面将仅通过示例的方式并且参考附图来描述本发明的优选实施例，附图中：

图1示出了天线上芯片耦合雷达设备；

图2展示了在耦合雷达期间发射和接收的信号；

图3示意性地示出了用于信号处理的电路；

并且图4示出了比较器细节。

具体实施方式

图1示出了耦合雷达设备100的实施例。雷达芯片110包含用于发射脉冲发生器以及用于接收器和信号分析的电路系统(下文进一步描述)。芯片110安装在PCB 140(其可以是柔性PCB)上并且连接至发射天线120和接收天线130，所述发射天线和接收天线中的每一个也安装至PCB 140。芯片110实际上安装在天线120、130上。以此方式，RF信号中的所有信号可以被匹配并且包含在装置100自身上，从而避免了昂贵的同轴布线并且将模块大小保持在最小值。在一些实施例中PCB 140可以是刚性的，但柔性PCB 140是优选的，使得其可以造型为符合待检查表面的形状，从而确保良好的耦合。例如，柔性PCB 140可以由导电毡制造。泡沫背衬150可以安装在设备100的后表面上(即，与天线相对的、背离在调查中的物体的表面)。此泡沫背衬层150保护芯片和天线免受其他干扰信号的影响，并且防止通过设备100的背面的信号损失。耦合雷达装置110被定位成距吸收性材料190的表面160不到四分之一波长以确保良好的耦合。可以添加具有匹配介电性质的低损耗材料，从而防止天线的无功近场的短路。

图1展示了从发射天线120发射的发射脉冲的路径180，所述发射脉冲穿过吸收性介质190、从散射体170反射并被接收天线130接收。如所示出的，雷达设备100被定位成距吸收性介质190的表面不到四分之一波长以确保良好的耦合并且因此到介质190中的良好信号传输。图1展示了直接路径185，通过所述直接路径，发射脉冲从发射天线120沿着吸收性介质190的表面直接朝向接收天线130行进。

图2展示了根据发射天线120的时间的发射脉冲的振幅200、经由直接路径185在接收天线130处接收的同一脉冲的振幅210以及在吸收性介质190内从散射体发射之后，经由背向散射路径180在接收天线130处接收到的同一脉冲的振幅220。应当理解的是，图2中所示出的脉冲形状仅出于说明的目的并且不一定反映真实的脉冲形状，并且为了简单起见，其省略了噪声的影响。其还示出了脉冲的振幅的包络线，而在实际实施方式中，这可能是在所展示的包络线内具有若干波峰和波谷的近似高斯导数脉冲形状。

然而，在图2中可以清楚地看到，当发射天线120仍在进行发射时，脉冲的大多数接收直接路径信号210正由接收天线130接收。类似地，当发射天线120仍在进行发射时，背向散射信号220也部分地由接收天线130接收。这是对影响耦合雷达的近距离问题的说明。为了全面接收背向散射信号220，雷达装置100必须具有高灵敏度以便能够区分背向散射信号的低振幅变化并且同时其必须在高动态范围上具有所述灵敏度，即，在背向散射信号的顶峰接收直接路径信号时(高总振幅)以及在背向散射信号的顶峰接收非直接路径信号时(低总振幅)。

图3示意性地展示了电路300，所述电路可以用于检测来自若干平行深度的接收信号。接收信号S(t)由接收天线130接收并且被传递至比较器340的第一输入端341。比较器340的另一个输入端342是阈值电压V_thresh，输入信号与其进行比较。图4中更加详细地示出了比较器。阈值电压由通过微处理器370控制的DAC 350输出。阈值电压由微处理器370改变以获得关于信号相对于各个阈值水平的信息。

发射脉冲信号由脉冲发生器380生成并且经由发射天线385发射。此信号还被传递至可编程距离延迟件390，所述距离延迟件接收来自微处理器370的距离延迟。距离延迟件390确定在针对接收信号强度而待监测的接收信号的时间窗口之前的延迟。针对此耦合雷达实施方式，距离延迟可以低为零，即，尽管存在直接路径信号，但系统可以立即开始查看接收信号。

来自距离延迟件390的延迟信号被传递至延迟线310。延迟线310包含其间具有延迟线抽头330的多个延迟元件320。延迟线抽头330的数量决定检查的平行深度的数量。虽然可以使用任何数量，但在两个具体的实施方式中，延迟线抽头的数量(以及检查的平行深度的数量)为256(第一实施例)和512(第二实施例)。每个延迟线抽头330将(延迟)信号馈送至计数器360的使能输入端401。同时，比较器340的输出端连接至所有计数器360的输入端。当特定延迟线抽头330上的延迟信号启用特定计数器360时，所述计数器360将其输入值(来自比较器)与其存储值相加。计数器360各自可以由微处理器370经由数据总线375读出。

与阈值电压的比较的结果因此被存储并且累积在计数器阵列元件360中。针对每个延迟线抽头330，提供一个元件360并且因此所述元件对接收信号S(t)的特定采样时间的比较的结果进行计数。

根据系统的需要，DAC 350可以是使任何大小(分辨率)。然而，作为示例，在一些实施例中，DAC 350可以是可以以8192个不同水平中的任何水平输出阈值电压的13位DAC。可以以典型UWB脉冲宽度发射脉冲，例如，每纳秒一次。因此，可以每秒完成所有8192个水平的完整扫过100次以上，其中在每个阈值水平发射和接收1000个脉冲以使得检测信号可区别于噪声水平。应当理解的是，通过减少每秒的扫过的数量和/或通过减少检查水平的数量(即，执行低于水平的完全扫过)在每个水平发射更多数量的脉冲。根据测量场景，适当方法可以变化。方法可以由用户改变或其可以由在处理器上运行的软件根据对接收信号的分析自动改变。

如以上所讨论的，安装在合适天线120、130上的短距离单片脉冲雷达100可以用于使用替代或除了正常远场RF天线幅射之外的耦合对高吸收性材料进行感测和成像。在此文档中，对RF吸收性材料(AM)190的引用通常意指优选地具有比空气大至少一个或两个数量级的介电常数并且具有显著导电性的材料。这些材料的主导效应是AM-空气界面对RF波是高度反射的。如上所述，针对微波频率，通常约四分之三的根据距离传输的辐射电磁能量从AM表面进行背向散射，并且高吸收几乎消除了来自AM 190内部的背向散射能量。然而，RF穿透的显著改善是通过将天线120、130定位成距离AM表面不到信号波长的四分之一(A/4)来实现的。然后AM空气反射大部分被消除并且天线能量直接耦合到AM 190中。本文中描述的脉冲雷达的典型中心频率可以是5Ghz，从而在天线120、130距离AM不到1.5cm时，给出耦合。以此方式，大多数天线能量然后被传输到AM 190中并且可以用于感测和成像目的。

由于短时序脉冲结合接收器输入端上的高动态范围，所以本文中所描述的基于雷达脉冲的技术实现了在短距离内的感测和成像。可以通过调节阈值水平来调整单位(阈值)输入状态以检测在来自发射器120的大直接路径信号的峰顶上的小背向散射信号。此量化过程在本文中被称为“扫过阈值采样”。此技术提供了靠近雷达天线120、130的背向散射物体的良好灵敏度。

本文中所描述的脉冲雷达技术还实现了单芯片解决方案并且因此实现了使用短RF布线的天线上芯片安装(由于短距离性质)。已经在PCB基板140上制造了大多数宽带天线，从而实现连同天线120、130的芯片安装。以此方式，所有RF信号可以被匹配并且包含在装置100自身上，从而避免了昂贵的同轴布线并且将模块大小保持在最小值。根据单芯片雷达，只需要电源连接和低带宽数字连接。

耦合脉冲雷达传感器可以被制造为扁平、天线上芯片模块，所述模块包含所有RF信令并且因此只需要电源和低带宽数字通讯连接进行全面操作。针对改善的性能，模块的后侧(即，背向AM 190的侧)可以涂覆有吸收性泡沫150，所述吸收性泡沫减少外部干扰影响操作并且减少来自模块的外部辐射。此整合平台将在下文被称为脉冲耦合雷达(ICR)。

脉冲耦合雷达(ICR)的实施例

可以以可用于各种各样的应用的多种方式实现ICR的基本性质。三个示例如下：

1.ICR可以建立在具有用于两根天线(Tx/Rx)的主要区域的标准PCB基板(如例如RF4)上。典型天线可以是蝴蝶结天线，其中，中央馈电直接匹配到雷达Tx/Rx。除了脉冲雷达芯片之外，提供了一些无源组件和晶体，并且附加处理单元(如微控制器)可以直接安装在天线上。

2.可以在柔性PCB基板上实施ICR，以便更好地耦合至曲面(如人体或动物体)。目前可用的PCB材料允许直接芯片/管芯安装以及布线。

3.ICR可以通过在最小基板上安装脉冲雷达芯片/管芯并且将天线引线以及其他信令引线焊接至所述脉冲雷达芯片/管芯来与纺织天线进行整合。此安排可以用于例如将ICR雷达芯片安装在衣服中以便监测(例如，心率、呼吸等)。

ICR的应用

ICR为AM的多个感测/成像应用增添了独特的性能，最显著的是人体或动物体。本文中描述的耦合雷达解决方案可以体现为单个传感器或被配置在多基地构型(多基地脉冲耦合雷达(MICR))中。两种配置可以以不同程度的微型化使用。

ICR的一些示例性用途如下：

单传感器ICR

1.单传感器ICR可以用于对吸收性材料(AM)的SAR/iSAR((逆)合成孔径雷达))成像。

a.将ICR安装在便携式设备(如智能手机或智能平板电脑)上，单个传感器可以通过智能设备的移动来构建AM的内部结构的图像。可以使用完善的SAR算法并且随着扫描数量的增加分辨率将提高。还可以使用在不同方向上对表面的扫描来创建3D图像。这种单传感器成像使用时间来建立图像并且假设被研究物体在时间上是稳定的。典型应用可以是建筑物检查以及对由沉重材料制成的固体结构的检查。此技术最适合于平面。鉴于平面ICR，虽然可以使用柔性天线进行改进，但在非平面上耦合效率可能降低。

b.使用iSAR技术，反向感测情况也是可能的。通过将ICR安装在固定位置并相对于ICR移动物体，可以对物体进行成像。此外，必须保持耦合以及相对于ICR的物体位置的一些测量。

2.另一类单ICR应用是测量一些AM内的一些动态(时间)现象。可以通过减法或时间推导去除静态反射(使用已知的杂波去除技术)。在具有若干动态活动的AM物体中，可能会发生干扰。然而，信号处理技术可以用于恢复期望信号。

a.单个ICR的有趣应用是身体感测。在合理平面(如躯干的前部或后部)上应用(柔性)ICR设备允许对动态现象(如心跳或肺运动)进行观察。随着纺织天线的使用，ICR可以整合为衣服的一部分，例如以生产T恤衫(或其他衣服)。配备有合适的电源(例如，电池)和无线数据连接，可以执行生命体征监测(如心率以及呼吸)。类似身体感测ICR设备也可以安装在家具中(例如，在椅子的后面或床上)。此外，需要与物体的适当耦合，但是在与家具紧密接触正常的情况下(如在椅子上或床上)，这可以很容易实现。在更长期健康监测(例如，在护理中心)的情况下，此类应用可能是有用的，例如以在坐下和/或睡觉时监视个体或产生警告(如果在任何被监测的家具中尚未监测到物体一段时间或可替代地，物体尚未从一件特定被监测的家具移除一段时间)。若需要，也可以监测附加动态身体功能。

b.单ICR传感器的另一个用途是对管道(如油管)中的多相流进行监测。在具有材料(具有不同的介电常数)的混合物的流体中，对流量的良好测量是可能的。此外，良好耦合至关重要。这在某些情况下可以通过围绕管道使用圆形天线安排装配来实现。在其他实施例中，平面ICR设备还可以用于在一些固体AM内(例如，在墙壁或地面等内)进行流量测量。

多传感器ICR

多传感器或多模块ICR可以用于给出吸收性材料(AM)内的物体的2D或3D图像。用于雷达成像的已知技术可以用于如波束形成和/或延迟与求和。这些技术通常应用于远场应用中，但还可以适用于耦合雷达传输。优选地，在AM内应用对传播速度的校正以及在近场或极端近场中应用对球面波传播的校正。以此方式，隐藏物体的准确图像是可行的。实际上，在AM内降低传播速度以获取更高分辨率。可以成像的隐藏物体的示例包括在地下的地雷、大脑或乳房中的肿瘤、墙壁或墙壁后面的管道等。

ICR的独特校准功能在显著提高信噪比(SNR)的情况下实现了RF波束的准确聚焦。ICR模块的典型安排可以是用于2D成像的ICR设备的固定或柔性阵列，而ICR设备的矩阵或圆形安排可以用于给出3D雷达图像。这些配置可以被称为多基地雷达系统并且他们可以对静态物体以及物体的动态变化进行成像。与上述SAR技术相比，附加ICR模块可以用于增加帧速率。另外，波束形成将随着安排中的ICR设备的数量的平方增加。这些多基地ICR安排可以用于对具有用于天线耦合的足够表面的任何AM进行检查。一些应用包括：

1.第一应用是对埋在地下的物体进行检查(如寻找水管、电缆、考古物体、金属和或其他埋在地下的物体)。与目前可用的探地雷达(GPR)解决方案不同，基于地面耦合的耦合ICR安排将在短距离内工作，并且不需要移动天线。由于短时序脉冲，ICR技术的宽带性质还提高了分辨率。

2.第二应用是对内部器官的身体检查。ICR模块的最佳多基地安排可以是圆形的。例如，这可以形成为贴附到身体表面的ICR模块的“带”，并且可以用于在医疗手术期间给出内部器官的雷达成像以及诊断对象(如内窥镜相机胶囊)的跟踪。2D和3D成像安排两者都是可行的。柔性或半柔性天线可能需要良好的耦合。

3.第三应用使用ICR模块的紧凑和低功率性质来实现在恶劣和/或狭窄环境中的使用(如在岸上或海上钻探(如用于石油勘探)中为钻头提供雷达视觉)。

Claims

1.一种在吸收性物体内进行成像的方法，包括：

将发射天线和接收天线放置成紧邻所述物体的表面；

从所述发射天线将电磁脉冲发射到所述物体中；以及

其中，所述发射和接收包括以下步骤：

a)设置接收信号强度的阈值水平；

b)发射一个或多个脉冲；

d)改变所述阈值水平；

e)重复步骤b)、c)以及任选地d)一次或多次。

2.如权利要求1所述的方法，其中，在步骤d)中改变所述阈值之前重复步骤b)和c)至少一次。

3.如权利要求2所述的方法，其中，在步骤d)中改变所述阈值之前重复步骤b)和c)100次以上。

4.如权利要求3所述的方法，其中，在步骤d)中改变所述阈值之前重复步骤b)和c)1000次以上。

5.如前述任一权利要求所述的方法，其中，在步骤d)中对所述阈值水平的所述改变扫过最小阈值与最大阈值之间的阈值的范围。

6.如权利要求5所述的方法，其中，在步骤d)中对所述阈值水平的所述改变扫过在一个方向上的阈值的范围，之后紧接着是相反方向上的扫过。

7.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，在一系列时间点对所述接收信号进行采样并且将这些采样各自与所述阈值水平进行比较。

8.如权利要求7所述的方法，其中，计数器阵列具有针对所述系列中每个采样时间的元件，并且其中，每当将对应于所述采样时间的接收信号与阈值进行比较时，对应于所述采样时间的所述阵列元件根据所述比较的结果变化。

9.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，在步骤e)之后，信号处理用于从所述接收信号数据中减去直接路径信号分量。

10.一种耦合雷达装置，包括：

a)设置接收信号强度的阈值水平；

b)发射一个或多个脉冲；

d)改变所述阈值水平；

e)重复步骤b)、c)以及任选地d)一次或多次。

11.如权利要求10所述的耦合雷达装置，其中，在步骤d)中改变所述阈值之前重复步骤b)和c)至少一次。

12.如权利要求11所述的耦合雷达装置，其中，在步骤d)中改变所述阈值之前重复步骤b)和c)100次以上。

13.如权利要求12所述的耦合雷达装置，其中，在步骤d)中改变所述阈值之前重复步骤b)和c)1000次以上。

14.如权利要求10至13中任一项所述的耦合雷达装置，其中，在步骤d)中对所述阈值水平的所述改变扫过最小阈值与最大阈值之间的阈值的范围。

15.如权利要求14所述的耦合雷达装置，其中，在步骤d)中对所述阈值水平的所述改变扫过在一个方向上的阈值的范围，之后紧接着是相反方向上的扫过。

16.如权利要求10至15任一项所述的耦合雷达装置，其中，所述接收器被安排成在一系列时间点进行采样并且所述处理器被安排成将这些采样中的每一个与所述阈值水平进行比较。

17.如权利要求16所述的耦合雷达装置，进一步包括计数器阵列，所述计数器阵列具有针对所述系列中每个采样时间的元件，并且其中，所述处理器被安排成使得每当将对应于所述采样时间的接收信号与阈值进行比较时，对应于所述采样时间的所述阵列元件根据所述比较的结果变化。

18.如权利要求10至17中任一项所述的耦合雷达装置，其中，所述处理器被进一步安排成在步骤e)之后执行信号处理以从所述接收信号数据中减去直接路径信号分量。

19.如权利要求10至18中任一项所述的耦合雷达装置，其中，在所述发射和接收天线中的至少一个与所述物体的所述表面之间提供低损耗、匹配介电材料。