CN112956147A - 用于先进的无线电系统的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

提供了先进的通信系统(100)。该先进的通信系统包括：根据配置条件，利用基于具有至少一个CAZAC序列(102B)的DFT扩展OFDM的多相位编码来生成第一信号(102A)，对已生成的第一信号应用数字发射波束赋形(102C)，将第一信号从数字的转换(104B)为模拟的，利用能量源(104A)对经转换的第一信号进行调制(104C)，利用至少一个能量发射元件发射(106)经调制的第一信号，检测(104E)第二信号，第二信号包括从视场中的场景中的至少一个对象反射的已发射的第一信号的至少一部分，对检测到的第二信号进行解调(104E)，将第二信号从模拟的转换(104D)为数字的，将经转换的第二信号转换(102E)为计算图像，并通过对计算图像应用相干检测来生成(102D)3D图像。所述第一信号包括多相位序列。

Description

用于先进的无线电系统的方法和装置
技术领域
本申请总体上涉及先进的无线电系统。更具体地，本公开涉及用于3D成像应用的传感器系统，以及涉及无线电系统。
背景技术
用于3D(三维)成像的传感器技术与3D成像传感器相关联，该3D成像传感器感测3D对象并且根据对该3D对象的感测来处理所产生的信息。近来，某些应用对3D成像传感器在困难环境下处理成像信息的要求比前几年相对更普遍，并且这种传感器在其设计和制造方面越来越具有挑战性。困难环境的一个示例是，在3D成像传感器的某些应用中，传感器将相对于被感测对象以高速度移动。另一示例是对传感器相对于待感测对象的位置的定位。传感器可能需要检测多个对象，其中一些对象被其它不期望的对象部分地遮挡(obscure)。此外，传感器可能位于与被感测对象相对较远的距离处，并因此由感测这种相对远距离对象所产生的信息通常是缺失的或不完整的。
发明内容
本公开是生成视场(FoV)内场景的3D图像的3D成像传感器。该3D成像传感器生成被该场景的各种对象反射或反向散射的发射信号(transmit signal)。该3D成像传感器接收并处理反向散射或反射的信号，以生成场景的3D图像，该场景的3D图像包括相对于3D成像传感器在场中的对象和结构。该3D成像传感器使用包括图像形成算法的计算成像来生成所述场景的3D图像。
在一个实施例中，提供了先进的通信系统。所述先进的通信系统包括处理器、和可操作地连接至所述处理器的三维(3D)成像传感器，所述3D成像传感器包括数字成像电路，所述数字成像电路被配置成：根据配置条件，利用基于具有至少一个恒幅零自相关(CAZAC)序列的离散傅立叶变换(DFT)扩展正交频分复用(OFDM)的多相位编码来生成第一信号，并且对已生成的所述第一信号应用数字发射波束赋形。其中所述第一信号包括多相位序列。所述先进的通信系统还包括可操作地连接至所述数字成像电路的收发器(XCVR)，该XCVR被配置成：将所述第一信号从数字的转换为模拟的，并且利用能量源对经转换的所述第一信号进行调制。所述先进的无线电系统还包括可操作地连接至所述处理器和所述XCVR的阵列，所述阵列被配置成：利用至少一个能量发射元件来发射经调制的所述第一信号，检测第二信号，所述第二信号包括从视场中的场景中的至少一个对象反射的已发射的所述第一信号的至少一部分，对检测到的所述第二信号进行解调，并且将所述第二信号从模拟的转换为数字的。所述数字成像电路还被配置成：将经转换的所述第二信号转换为计算图像，并且通过对所述计算图像应用相干检测来生成3D图像。
在另一实施例中，提供了先进的通信系统的方法。所述方法包括：根据配置条件，利用基于具有至少一个恒幅零自相关(CAZAC)序列的离散傅立叶变换(DFT)扩展正交频分复用(OFDM)的多相位编码来生成第一信号，其中所述第一信号包括多相位序列；对已生成的所述第一信号应用数字发射波束赋形(digital transmit beamforming)；将所述第一信号从数字的转换为模拟的；利用能量源对经转换的所述第一信号进行调制；利用至少一个能量发射元件来发射经调制的所述第一信号；检测第二信号，所述第二信号包括从视场中的场景中的至少一个对象反射的所述第一信号的至少一部分已发射；对检测到的所述第二信号进行解调；将所述第二信号从模拟的转换为数字的；将经转换的所述第二信号转换为计算图像，并且通过对所述计算图像应用相干检测来生成3D图像。
在又一实施例中，提供了非瞬时性计算机可读介质。所述非瞬态计算机可读介质包括在由至少一个处理器执行时使电子设备执行以下项的代码：根据配置条件，利用基于具有至少一个恒幅零自相关(CAZAC)序列的离散傅立叶变换(DFT)扩展正交频分复用(OFDM)的多相位编码来生成第一信号，其中所述第一信号包括多相位序列；对已生成的所述第一信号应用数字发射波束赋形；将所述第一信号从数字的转换为模拟的；利用能量源对经转换的所述第一信号进行调制；利用至少一个能量发射元件来发射经调制的所述第一信号；检测第二信号，所述第二信号包括从视场中的场景中的至少一个对象反射的已发射的所述第一信号的至少一部分；对检测到的所述第二信号进行解调；将所述第二信号从模拟的转换为数字的；将经转换的所述第二信号转换为计算图像，并且通过对所述计算图像应用相干检测来生成3D图像。
在又一实施例中，所述3D成像传感器包括：耦合至收发器(XCVR)电路的数字成像电路，该收发器电路耦合至阵列，其中所述阵列具有一个或多个能量发射器元件和一个或多个能量检测器元件。在这样的实施例中，所述阵列是2D阵列，其中该阵列中的每个阵列元件(能量发射器或能量检测器元件)具有限定每个这种阵列元件的位置的(x，y)坐标。
所述3D成像传感器具有发射路径和接收路径，所述发射路径从数字成像电路开始延伸经过收发器电路到达阵列，所述接收路径在阵列处开始延伸经过收发器电路到达数字成像模块。
所述3D成像传感器生成由阵列的一个或多个能量发射器元件发射的发射信号。3D成像传感器检测从3D成像传感器的视场(FoV)内的场景的对象、结构或物品反射或反向散射的发射信号，以允许使用数字波束赋形操作和一个或多个图像形成算法来生成场景的3D图像。将对由3D成像传感器所发射的能量进行反射的物体、结构或其它物品称之为被照射的。
因此，在3D成像传感器的FoV内的并且发射信号从其反射的对象由本公开的3D成像传感器照射。FoV是空间的一部分，物体、结构或物品位于该FoV内，使得FoV可以由本公开的3D成像传感器照射。然而，FoV内的物体可以被FoV内的其它物体遮挡。该场景包括可以由3D成像传感器照射的对象、结构和其它物品。
在本公开的该实施例中，数字成像模块内的发射路径包括：用于生成伪噪声(PN)序列的序列发生器、用于生成正交数字波形的波形发生器、以及用于对PN序列调制的正交数字波形执行数字波束赋形操作的数字发射波束形成器。
发射路径在收发器(XCVR)电路中延续，该XCVR电路包括：数模转换器(DAC)电路、以及具有第一输入端和第二输入端的调制器，所述第一输入端耦合至能量源，所述第二输入端用于接收从DAC生成的模拟信号，其中，所述模拟信号包括由DAC转换为模拟信号的数字波束赋形的PN序列调制的正交数字波形。
该调制器还具有提供发射信号的输出端，该输出端耦合至阵列的一个或多个能量发射器元件。因此，该发射信号是由来自DAC的模拟信号调制的、来自能量源的能量。使由本公开的3D成像传感器的阵列发射的发射信号照射场景，即，本公开的3D成像传感器的FoV中的对象、结构或其它物品。使之照射场景的发射信号由于频移、时间延迟和各种其它相移而经历合成相移。
进一步的，在本公开的这种实施例中，收发器的接收路径包括能量检测器电路，该能量检测器电路被配置成接收由阵列的一个或多个能量检测器元件检测的能量。具体地，所述接收路径检测从发射路径(即，发射信号)发射的能量，该能量是从本公开的3D成像传感器的FoV中的被照射场景(即，对象、结构或物品)反射(或反向散射)的。
所述能量检测器电路耦合至阵列的能量检测器元件。该能量检测器电路的输出端耦合至解调器(未示出)，该解调器的目的是从所接收的反射信号中获得基带信号。容易理解的是，能量检测操作和解调操作可以在一个模块和/或电路、一组电路中执行，或者可以实施为两个单独的模块或电路。
解调器的输出提供所接收的基带信号。因此，所接收的基带信号被施加至模数转换器(ADC)以提供所接收的数字信号。接收路径延续到数字成像电路，该数字成像电路包括耦合至相干检测器(即，相关检测器)的计算成像电路，以处理所接收的数字信号，从而生成被本公开的3D成像传感器照射的场景(即，对象、结构和其它物品)的3D图像。
所述计算成像电路至少执行图像形成算法，该图像形成算法减少或基本上消除由所发射的发射信号(其从由3D成像传感器照射的场景反向散射或反射)经历的合成相移(resultant phase shift)，并且通过使用2D快速傅立叶变换(FFT)来生成场景的3D图像。
如上所述，这些反射或反向散射的发射信号最终被3D成像传感器阵列的能量检测器元件接收。这些所接收的信号由于频移(或多普勒偏移)、时间延迟以及由于与场景的对象、结构或其它物品的交互而经历合成相移。所述合成相移也是被照射的场景与阵列之间的相对速度所导致的。
此外，由这些信号在物体、结构或其它物品的各个目标点处所经历的反射和反向散射的类型可以取决于环境条件和被照射的场景的物体和结构的目标的表面的相对平滑度。这些前述因素中的所有因素或一些因素可能导致由发射信号经历的合成相移，所述发射信号从视场中的场景反射并且由本公开的3D成像传感器的阵列的一个或多个能量检测器元件接收。
数字成像电路执行诸如图像形成算法的计算成像操作，以确定目标反射率，该目标反射率是从目标反射的信号(例如，入射到目标的电磁信号或光信号)的分数。因此，数字成像电路使用图像形成算法来计算具有坐标(x，y，r)的体素(例如，体积像素)，以生成由本公开的3D成像传感器照射的场景的3D图像。利用反射率密度ρ的2D FFT来计算(x，y，r)坐标，该反射率密度ρ是每无穷小体积dζdηdr的(来自对象的目标点)反射或反向散射信号。因此，目标的反射率密度被建模为三个变量(ζ,η,r)的函数，如将在下文中讨论的。图像形成算法还对由场景的对象、结构或其它物品反射或反向散射的发射信号所经历的合成相移进行调整。所述调整减小或基本上消除了在发射信号由阵列的能量发射元件发射至场景并且由场景反射或反向散射之后由发射信号经历的合成相移。然后由阵列的一个或多个能量检测器元件接收所述反射或反向散射的发射信号。
与每个(x，y)坐标集合相关联的坐标r的值也由图像形成算法通过执行目标点的反射率密度的2D FFT来计算，其中从该目标点反射由3D成像传感器发射的信号。因此，针对特定(x，y)坐标，对于计算的r(即r＝R1、R2、R3、...、r＝RN)的每个值，存在可以由本公开的3D成像传感器计算的对应体素(x，y，R1)、(x，y，R2)、...、(x，y，RN)，从而生成场景的3D图像。坐标r表示具有坐标(x，y)的对应能量检测器元件(检测经反射的发射信号的元件)与由阵列发射的发射信号照射的场景的目标点之间的距离(或范围)。
发射的信号由目标点反射(或反向散射)，然后由具有(x，y)坐标的阵列中的一个或多个能量检测器元件进行检测。对于该特定的坐标集合，本公开的3D成像传感器在生成被照射的场景的3D图像的过程中针对不同的r值(r＝R1、r＝R2、r＝R3、...)来计算r值。由此得到的体素具有坐标(x，y，R1)、(x，y，R2)、...、(x，y，RN)，其中N是等于1或大于1的整数。
在另一实施例中，发射信号包括由多输入多输出(MIMO)处理的频域PN序列调制的数字波束赋形的正交数字波形，所述数字波束赋形的正交数字波形被转换为模拟波形信号，所述模拟波形信号使得能量源被调制从而产生调制信号，所述调制信号随后被模拟波束赋形，以获得施加至阵列的一个或多个能量发射器元件的发射信号。模拟波束赋形的操作包括：将信号直接地施加至阵列的元件以向该元件提供某一相位值。该元件的相位不会改变，直到不再施加信号(例如电压、电流)。
继续这个实施例，接收器被配置成检测由阵列的能量检测器元件接收的能量，并且对所接收的信号进行解调，以从所接收的信号导出基带信号。接收器还被配置成对所接收的数字信号执行包括计算成像的操作，以生成从其反射发射信号的对象、结构或整体场景的一个或多个3D图像。所述场景的对象、结构或其它物品相对于阵列位于其中。
计算成像至少包括图像形成算法，其用于对由阵列的一个或多个能量检测器元件接收的反射或反向散射的发射信号所经历的合成相移进行调整。该图像形成算法还提供通过使用对所接收的信号执行的2D FFT操作来生成所接收的反射或反向散射信号的3D图像。具体地，所接收的发射信号被检测并且通过解调来重新得到(retrieve)基带信号。然后利用模数转换器将基带信号转换成数字信号(即，接收的数字信号)。
然后，对所接收的数字信号执行包括相位调整和2-D FFT的操作，以生成位于其中的物体的3D图像，其中这些物体位于本公开的3D成像传感器的FoV内。因此，3D图像基于由本公开的3D成像传感器照射的场景中的对象、结构或其它物品的位置。显然，每个目标位置不一定具有相同的距离。
阵列的能量检测器元件与目标位置之间的距离可以改变，并且对于不同的目标位置更频繁改变。例如，对于第一目标位置，距离可以是R，然后对于另一位置距离变更为R1，然后对于另一位置距离变更为R2。(能量检测阵列元件的)坐标(x，y)和计算的(r)坐标得到(x，y，r)坐标，该坐标表示被来自本公开的3D成像传感器的发射信号照射的对象的目标的3D图像的体素(体积像素)。
在又一实施例中，向3D成像传感器提供对由无线通信系统生成的发射信号的访问，并且使用所述信号来照射场景，以获得或生成场景的3D图像。在该实施例中，可以例如单独地或以各种组合的方式使用例如随机接入信道(random-access channel，RACH)、同步信号和导频信号的信号，作为发射信号来照射场景。
因此，作为无线通信系统的一部分的设备(例如小手机(small cell))可以装备有本公开的3D成像传感器，并且这种小手机可以将其发射信号提供给3D成像传感器。然后，传感器可以将这样的信号(其中，传感器不会产生这样的信号，但是能够使用已知发射信号的特性(例如，频率，幅度，调制)的信号)用作传感器的发射信号，从而允许传感器使用发射信号来照射对象。
因此，3D成像传感器可以使用所述发射信号来照射场景并获得或生成场景的3D图像。因此，装备有本公开的3D成像传感器的这种手机可以例如用作用于各种目的的安全或监控摄像机。
在又一实施例中，向3D成像传感器提供对来自电视(TV)广播信号发射器的发射信号的访问，并且电视广播信号被用于照射场景以获得或生成场景的3D图像。在这样的实施例中，诸如同步信号、导频信号、参考信号的信号，或通信信道的前导码的信号以及其它已知的电视广播信号可以单独地或以各种组合方式用作发射信号，以照射场景。
因此，作为电视广播系统的一部分的诸如发射天线塔的设备可以装备有本公开的3D成像传感器，并且这样的设备可以将其发射信号提供给3D成像传感器。然后，该3D成像传感器可以将这样的信号(其中，传感器不会产生这样的信号，但是能够使用已知发射信号的特性(例如，频率，幅度，调制)的信号)用作3D成像传感器的发射信号，从而允许传感器使用发射信号来照射对象。
因此，3D成像传感器可以使用所述发射信号来照射场景并获得或生成场景的3D图像。因此,具有本公开的3D成像传感器的这种TV广播设备可以例如用作用于各种目的的安全或监控摄像机。
在又一实施例中，向3D成像传感器提供对由任何无线或有线系统生成的发射信号的访问，其中(i)3D成像传感器可以访问这些系统的发射信号；以及(ii)本公开的3D成像传感器能够使用与发射信号相关联的信令的特定特征来照射视场中的场景并生成场景或其对象和结构的3D图像。
然后，3D成像传感器可以将这样的信号用作3D成像传感器的发射信号，从而允许传感器使用发射信号来照射对象，其中，传感器不会产这样的信号、但是能够使用这样的信号，因为它能够调整或以其他方式操纵来自有线或无线源的发射信号的各种特性。因此，3D成像传感器可以使用所述发射信号来照射场景，并使用如上文所讨论的图像形成算法来获得或生成场景的3D图像。
在又一实施例中，本公开的3D成像传感器的阵列是1D阵列，该1D阵列具有软件控制的水平或垂直(或两者)的波束操控，以限定虚拟2D阵列的(x，y)坐标。1D阵列在水平或垂直方向上是可操控的，以将1D阵列的元素定位到虚拟2D阵列的x、y坐标。因此，可以将这种可操控的1-D阵列操作为虚拟2-D阵列。
在又一实施例中，本公开的3D成像传感器的阵列是2D阵列。
在又一实施例中，本公开的3D成像传感器的阵列是包括多个能量发射器元件和多个能量检测器元件的子阵列的2D阵列。
在又一实施例中，本公开的3D成像传感器的阵列包括发射阵列和接收阵列。
在阵列是发射阵列和接收阵列的又一实施例中，两个阵列位于相对于彼此已知的位置中。
在又一实施例中，本公开还包括处理器，其用于控制、操作或指导本公开的3D成像传感器的发射器、接收器和阵列的操作。
在又一实施例中，处理器包括彼此通信的多个处理器。
在又一实施例中，处理器包括执行并行处理的多个处理器。
在又一实施例中，处理器是控制多个控制器和多个处理器的主处理器。
在又一实施例中，所述多个处理器和多个控制器分别是微处理器和微控制器。
在又一实施例中，处理器包括微处理器和数字信号处理器(DSP)。
在又一实施例中，所述阵列被配置成发射或检测波长范围为700nm(纳米)至1400nm(包括性地属于近红外(NIR))和1400nm至3000nm(包括性地属于短波红外(SWIR))的光信号。
在又一实施例中，所述阵列被配置成在HF区、VHF区、UHF区、SHF区、EHF区和THz区中的一者发射或检测电磁信号。所述EHF区特别适合于同时进行宽带通信和高分辨率成像。
在又一实施例中，所述发射器包括调制器，该调制器具有输出端、第一输入端和第二输入端的，其中所述第一输入端耦合至能量源，该能量源由施加至调制器的第二输入端的波形信号进行调制。
在又一实施例中，所述调制器是BPSK、QPSK、OOK、ASK、FSK、PPM、PSK和DPSK调制器中的一者。
在又一实施例中，所述调制器的输出端耦合至发射器模拟波束形成器(beamformer)，从而产生发射信号。
在又一实施例中，所述发射器包括数模转换器(DAC)电路，其被配置成接收数字波束赋形的正交数字波形并将所述波形转换为施加至调制器的输入端的模拟波形信号。
在又一实施例中，所述发射器包括时域PN序列发生器，该时域PN序列发生器耦合至具有输出端的变换电路，并且被配置成将发射器生成的时域PN序列转换为频域PN序列，所述变换电路的输出端进一步耦合至MIMO处理电路，从而产生施加至数字波束形成器电路的MIMO处理频域PN序列，以生成数字波束赋形的MIMO处理频域PN序列。
在又一实施例中，所述发射器包括时域PN序列发生器，该时域PN序列发生器耦合至具有输出端的变换电路，并且被配置成将发射器生成的时域PN序列转换为频域PN序列，所述变换电路的输出端进一步耦合至MIMO处理电路，从而产生施加至正交数字波形发生器(在本文也称为正交序列发生器，其具有耦合至数字波束形成器电路的输出端)的MIMO处理的频域PN序列，以生成数字波束赋形的正交数字波形。
在又一实施例中，所述PN序列发生器是CAZAC序列发生器。
在又一实施例中，所述CAZAC序列发生器被配置成生成至少一个信标序列，该信标序列包括连接至以下序列中的一者的循环前缀(CP)序列：(i)一个CAZAC序列，之后跟随保护时间(GT)；(ii)两个CAZAC序列，之后跟随保护时间(GT)，以及(iii)三个CAZAC序列，之后跟随保护时间(GT)。在这样的实施例中，可以将保护时间添加为可选的时间跨度来生成CAZAC序列。
在又一实施例中，PN序列发生器是诸如M序列发生器的二进制序列。
在又一实施例中，所述变换电路是DFT电路。
在又一实施例中，所述MIMO处理电路包括码字映射电路，该码字映射电路被配置成从变换电路接收频域PN序列，所述码字映射电路耦合至层映射电路，该层映射电路耦合至预编码电路，以生成至少一个频域PN序列调制的和MIMO处理的数字波形。
在又一实施例中，所述预编码电路将至少一个频域PN序列调制的和MIMO处理的数字波形施加至数字波束形成器电路，以生成数字波束赋形的PN序列波形。
在又一实施例中，所述预编码电路将至少一个频率PN序列调制的和MIMO处理的数字波形施加至所述正交序列发生器，从而产生被施加至数字波束形成器电路的正交数字波形，以产生数字波束赋形的正交波形。
在又一实施例中，所述正交序列发生器是正交频分复用(OFDM)数字波形发生器。
在又一实施例中，所述正交序列发生器是无CP OFDM数字波形发生器。
在又一实施例中，所述正交序列发生器是滤波器组多载波(FBMC)数字波形发生器。
在又一实施例中，所述正交序列发生器是广义频分复用(GFDM)数字波形发生器。
在又一实施例中，所述正交序列发生器是资源扩展多址(RSMA)数字波形发生器。
在又一实施例中，所述OFDM波形发生器包括耦合至快速傅立叶逆变换/循环前缀(IFFT/CP)电路的至少一个资源元素电路。
在又一实施例中，由接收器对由阵列的一个或多个能量检测器元件检测的所接收的反射的发射信号执行的处理包括：对直接从阵列的一个或多个能量检测器元件接收的反射的发射信号进行模拟波束赋形操作，从而产生模拟接收信号，其中所述模拟接收信号被施加至能量检测器电路，该能量检测器电路的输出被施加至模数转换器(ADC)，从而产生所接收的数字信号。
在又一实施例中，耦合至2D FFT电路的计算成像电路执行相位调整并生成对象的3D图像，由此在2D FFT电路的输出端处产生经处理的接收数字信号，其是用于在所述频域接收数字信号与基于发射器生成的时域PN序列的频域PN序列之间执行频域相关操作的频域接收数字信号。
在又一实施例中，接收器还包括用于处理2D FFT电路的输出的相关器。
在又一实施例中，所述相关器确定r或确定等于某个值R的r。
在又一实施例中，所述相关器包括乘法器，该乘法器具有耦合至2D快速傅立叶变换(FFT)电路的输出端的第一输入端、耦合至复共轭电路的第二输入端、以及耦合至快速傅立叶逆变换(IFFT)电路的输出端，该逆傅立叶逆变换电路的输出用于计算接收信号的幅值或平方幅值，以计算或确定范围r＝R，该范围是本公开的3D成像传感器与被3D成像传感器照射的场景中的对象的目标的位置之间的距离。
在又一实施例中，所述复共轭电路具有耦合至乘法器的第二输入端的输出端、耦合至离散傅立叶变换(DFT)电路的输出端的输入端，该离散傅立叶变换电路的输入端耦合至查询表，该查询表包含由发射器生成的时域PN序列。
在又一实施例中，所述IFFT电路具有施加至信号幅值电路的输出，所述信号幅值电路被配置成计算接收信号的幅值或平方幅值，其中所述计算出的接收信号被施加至阈值检测器，以确定所接收信号的幅度(r＝R；即，范围)估计值。
在又一实施例中，所述计算成像电路至少执行图像形成算法，用于(i)对接收的从场景反射的发射信号所经历的合成相移进行调整，以及(ii)通过基于来自本公开的3D成像传感器的反射信号来执行场景的反射率密度的2DFFT，来生成场景的3D图像。
所述发射信号经历来自各种时间延迟、频率转换和相移的合成相移。所述反射信号经历的相移、频移和时间延迟是由各种因素引起的，例如被照射的物体与3D成像传感器之间的相对速度、环境条件和被照射的目标表面的相对平滑度。在本公开中，术语“速率”和“速度”可互换地使用。
在进行下面的详细描述之前，对本专利文献中使用的某些词和短语进行定义将是有利的。术语“耦合”及其衍生词指两个或多个元件之间的任何直接的或间接的通信，而无论这些元件是否是彼此物理接触的。术语“发射”、“接收”和“通信”以及它们的衍生词包括直接的和间接的通信。术语“包括”和“包含”以及它们的衍生词意为包括而不是限制。术语“或”是包容性的，意为和/或。短语“与…相关联”及其衍生词意为包括、被包括在其中、与…互连、包含、被包含在其中、连接至或与…连接、耦合至或与…耦合、可与…通信、与…协作、交错、并置、接近于、约束至或受…的约束、具有、具有…属性、具有关系或与…具有关系等。术语“控制器”意为控制至少一个操作的任何设备、系统或其部件。可以以硬件或硬件与软件和/或固件的组合实施这种控制器。与任何特定控制器相关联的功能可以是集中式的或分布式的，无论控制器是本地的还是远程的。当与一系列项一起使用时，短语“至少一个”意为可以使用所列出项的一种或多种不同组合，并且可能只需要该系列中的一项。例如，“至少一个：A、B和C”包括以下任意组合：A、B、C、A和B、A和C、B和C、以及A和B和C。
此外，下面描述的各种功能可以由一个或多个计算机程序实施或支持，每一个计算机程序由计算机可读程序代码形成并且被体现在计算机可读介质中。术语“应用程序”和“程序”指一个或多个计算机程序、软件组件、指令集、过程、函数、对象、类、实例、相关数据或其适于在合适的计算机可读程序代码中实现的部分。短语“计算机可读程序代码”包括任何类型的计算机代码，包括源代码、目标代码和可执行代码。短语“计算机可读介质”包括能够被计算机访问的任何类型的介质，例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、硬盘驱动器、压缩盘(CD)、数字视频盘(DVD)、或任何其它类型的存储器。“非瞬时性(non-transitory)”计算机可读介质不包括传输瞬时性电信号或其它信号的有线、无线、光学或其它通信链路。非瞬时性计算机可读介质包括可以在其中永久地存储数据的介质以及可以在其中存储数据并重写数据的介质，例如可重写光盘或可擦除存储器设备。
本专利文献中提供了针对某些其它词和短语的定义。本领域普通技术人员应当理解的是，在许多(而不是大多数)的情况下，这种定义适用于这些定义的词和短语的先前和将来使用。
附图说明
为了更全面地理解本公开及其优点，现在参考结合附图进行以下描述，在这些附图中相同的附图标记表示相同的部件：
图1A示出了根据本公开实施例的包括3D成像传感器的示例性先进的无线电系统；
图1B示出了根据本公开实施例的可以由3D成像传感器发射器使用的三种不同类型的示例性PN序列格式；
图1C示出了根据本公开实施例的通信系统的时-频多路复用方案内的示例性3D成像传感器；
图1D示出了根据本公开实施例的示例性多路复用方案；
图2A示出了根据本公开实施例的示例性3D成像传感器；
图2B示出了根据本公开实施例的阵列的示例性前视图；
图3A示出了根据本公开实施例的包括数字波束形成器电路的示例性3D成像；
图3B示出了根据本公开实施例的频域PN序列的示例性MIMO处理；
图3C示出了根据本公开实施例的示例性数字波束形成器电路；
图4示出了根据本公开实施例的将信号反射回至3D成像传感器阵列的示例性对象；以及
图5示出了根据本公开实施例的用于生成场景的3D图像的方法的流程图，所述场景包括被3D成像传感器照射的对象和结构。
具体实施例
在本专利文件中，下面讨论的图1A至图5以及用于描述本公开的原理的各种实施例仅仅是说明的目的，而不应以任何方式解释为限制本公开的范围。本领域技术人员应理解的是，本公开的原理可以在任何适当布置的系统或设备中实施。
本公开提供了3D成像传感器，该3D成像传感器生成视场(field of view，FoV)内场景的3D图像。该3D成像传感器生成被场景的各种对象反射或反向散射的发射信号。该3D成像传感器接收并处理反向散射或反射的信号，以生成场景的3D图像，该场景的3D图像包括相对于3D成像传感器的视场中的对象和结构。该3D成像传感器使用包括图像形成算法的计算图像来生成场景的3D图像。
在一个实施例中，3D成像传感器包括数字成像模块，该数字成像模块耦合至收发器(XCVR)电路，该收发器电路耦合至阵列，其中所述阵列具有一个或多个能量发射器元件和一个或多个能量检测器元件。
在这样的实施例中，所述阵列是2D阵列，该2D阵列中的每个阵列元件(例如，能量发射器元件和能量检测器元件)具有限定所述阵列元件的位置的(x，y)坐标。
所述3D成像传感器具有从数字成像模块开始延伸经过收发器电路到达阵列的发射路径以及具有从阵列开始延伸经过收发器电路到达数字成像电路的接收路径。
本公开的3D成像传感器生成由阵列的一个或多个能量发射器元件发射的发射信号。该3D成像传感器检测从位于3D成像传感器的视场(FoV)内的场景的对象、结构或物品反射或反向散射的发射信号，以允许利用数字波束赋形操作和一个或多个图像形成算法来生成场景的3D图像。将对由3D成像传感器所发射的能量进行反射的物体、结构或其它物品称之为被照射的。
因此，在3D成像传感器的FoV内的并且发射信号从其反射的对象由本公开的3D成像传感器照射。FoV是空间的一部分，物体、结构或物品位于该FoV内，使得FoV可以由本公开的3D成像传感器照射。然而，FoV内的物体可以被FoV内的其它物体遮挡。该场景包括可以由3D成像传感器照射的对象、结构和其它物品。
在本公开中，数字成像电路内的发射路径包括：用于生成伪噪声(pseudo noise，PN)序列的序列发生器、用于生成正交数字波形的波形发生器、以及用于对PN序列调制的正交数字波形执行数字波束赋形操作的数字发射波束形成器。
发射路径在XCVR电路中延续，该XCVR电路包括：数模转换器(digital to analogconverter，DAC)电路、以及具有第一输入端和第二输入端的调制器，所述第一输入端耦合至能量源，所述第二输入端用于接收从DAC生成的模拟信号，其中所述模拟信号包括由DAC转换为模拟信号的数字波束赋形的PN序列调制的正交数字波形。
该调制器还具有提供发射信号的输出端，该输出端耦合至阵列的一个或多个能量发射器元件。因此，该发射信号是由来自DAC的模拟信号调制的、来自能量源的能量。使由本公开的3D成像传感器的阵列发射的发射信号照射场景，即，本公开的3D成像传感器的FoV中的对象、结构或其它物品。使之照射场景的发射信号由于频移、时间延迟和各种相移而经历合成相移。
进一步的，在本公开的这种实施例中，收发器的接收路径包括能量检测器电路，该能量检测器电路被配置成接收由阵列的一个或多个能量检测器元件检测的能量。具体地，所述接收路径检测由发射路径(即，发射信号)发射的能量，该能量是从本公开的3D成像传感器的FoV中的被照射场景(即，对象、结构或物品)反射(或反向散射)的。
所述能量检测器电路耦合至阵列的能量检测器元件。该能量检测器电路的输出端耦合至解调器(未示出)，该解调器的目的是从所接收的反射信号中获得基带信号。
容易理解的是，能量检测操作和解调操作可以在一个模块和/或电路、一组电路中执行，或者可以实施为两个单独的电路或电路。解调器的输出提供所接收的基带信号。因此，所接收的基带信号被施加至模数转换器(analog to digital converter，ADC)以提供所接收的数字信号。接收路径延续到数字成像电路，该数字成像电路包括耦合至相干检测器(即，相关检测器)的计算成像电路，以处理所接收的数字信号，从而生成被本公开的3D成像传感器照射的场景(即，对象、结构和其它物品)的3D图像。
所述计算成像电路至少执行图像形成算法，该图像形成算法减少或基本上消除发射信号(其从由3D成像传感器照射的场景反向散射或反射)所经历的合成相移，并且通过使用反射或反向散射的发射信号的反射率密度的2D快速傅立叶变换(fast Fouriertransform，FFT)来生成场景的3D图像。
如上所述，这些反射或反向散射的发射信号最终被3D成像传感器阵列的能量检测器元件接收。这些所接收的信号由于频移(或多普勒偏移)、时间延迟以及由于与场景的对象、结构或其它物品的交互而经历合成相移。
所述合成相移也是被照射的场景与阵列之间的相对速度所导致的。此外，由这些信号在物体、结构或其它物品的各个目标点处所经历的反射和反向散射的类型可以取决于环境条件和被照射的场景的物体和结构的目标的表面的相对平滑度。这些前述因素中的所有因素或一些因素可能导致由发射信号经历的合成相移，所述发射信号从视场中的场景反射并且由本公开的3D成像传感器的阵列的一个或多个能量检测器元件接收。在本公开中，术语“速率(speed)”和“速度(velocity)”可互换地使用。
数字成像电路执行诸如图像形成算法的计算成像操作，以确定目标反射率，该目标反射率是从目标反射的信号(例如，入射到目标的电磁信号或光信号)的分数。因此，数字成像电路使用图像形成算法来计算具有坐标(x，y，r)的体素(例如，体积像素)，以生成由本公开的3D成像传感器照射的场景的3D图像。利用反射率密度ρ的2D FFT来计算(x，y，r)坐标，该反射率密度ρ是每无穷小体积dζdηdr的(来自对象的目标点)反射或反向散射信号。因此，目标的反射率密度被建模为三个变量(ζ,η,r)的函数，如将在下文中讨论的。
图像形成算法还对由场景的对象、结构或其它物品反射或反向散射的发射信号所经历的合成相移进行调整。所述调整减小或基本上消除了在发射信号由阵列的能量发射元件发射至场景并且由场景反射或反向散射之后由发射信号经历的合成相移。然后由阵列的一个或多个能量检测器元件接收所述反射或反向散射的发射信号。
与每个(x，y)坐标集合相关联的坐标r的值也由图像形成算法通过执行目标的反射率密度的2D FFT来计算，其中从该目标反射由3D成像传感器发射的信号。因此，针对特定(x，y)坐标，对于计算的r(即r＝R1、R2、R3、...、r＝RN)的每个值，存在可以由本公开的3D成像传感器计算的对应体素(x，y，R1)、(x，y，R2)、...、(x，y，RN)，从而生成场景的3D图像。
坐标r表示具有坐标(x，y)的对应能量检测器元件(检测经反射的发射信号的元件)与由阵列发射的发射信号照射的场景的目标点之间的距离。发射的信号由目标点反射(或反向散射)，然后由具有(x，y)坐标的阵列中的一个或多个能量检测器元件进行检测。
对于该特定的坐标集合，本公开的3D成像传感器在生成被照射的场景的3D图像的过程中针对不同的r值(r＝R1、r＝R2、r＝R3、...)来计算r值。由此得到的体素具有坐标(x，y，R1)、(x，y，R2)、...、(x，y，RN)，其中N是等于1或大于1的整数。
本文中使用的术语“耦合(couple)”是指有助于信号或信息从传感器的一部分流向传感器的另一部分或传感器之外的系统的另一部分的路径(包括波导、光纤路径)、或介质，一个或多个装置，设备，电气或电子部件，模块的布置方式、或该路径与该布置方式的任意组合。所述一部分可以是“原点”，所述另一部分可以是“目的点”。所述路径可以是实际的物理路径(例如，电力路径、电子路径、光路径、电磁路径、波导路径)，或者可以是通过数据结构实施的逻辑路径，该数据结构允许通过直接或间接寻址来对存储在某些存储器位置处的信息进行检索。
两个点之间“直接地耦合”或者点彼此“直接地耦合”意味着在信号路径中不存在将显著地影响从第一点到第二点或者从原点到目的点行进的信号特性的介入系统或设备或其它障碍物。
在本公开的另一实施例中，所述3D成像传感器包括：发射器、接收器、和耦合至发射器和接收器的阵列，所述阵列具有一个或多个能量发射器元件和一个或多个能量检测器元件，其中该阵列被配置成发射由发射器生成的发射信号。
在这样的实施例中，发射信号包括由多输入多输出(multiple input multipleoutput，MIMO)处理的频域PN序列调制的数字波束赋形的正交数字波形，所述数字波束赋形的正交数字波形被转换为模拟波形信号，所述模拟波形信号使得能量源被调制从而产生调制信号(即，调制的能量)，所述调制信号随后被模拟波束赋形，以获得施加至阵列的一个或多个能量发射器元件的发射信号。
模拟波束赋形的操作包括：将信号直接地施加至阵列的元件以向该元件提供某一相位。该元件的相位不会改变，直到不再施加信号(例如电压、电流)。
继续该实施例，接收器被配置成利用至少包括图像形成算法的计算成像来执行操作，以生成由本公开的3D成像传感器所照射的场景的3D图像。所述图像形成算法首先对从3D成像传感器发射的并且由场景反射或反向散射的信号所经历的合成相移进行调整。进一步的，所述图像形成算法执行(来自场景的)反射信号的反射率密度的2D FFT，以生成场景的3D图像。
图1A示出了根据本公开实施例的包括3D成像传感器100的示例性先进的无线电系统(例如，先进的通信系统)。图1A中示出的3D成像传感器100的实施例是仅用于说明目的。图1A并不将本公开的范围限于任何的特定实施方式。如图1A所示，所述先进的无线电系统可以是发射并接收信号并且利用3D和/或2D执行感测功能的电子设备。图1A并不将本公开的范围限于该电子设备的任何特定实施方式。
参考图1A，本公开提供了包括(例如，电子设备)三维(3D)成像传感器100的先进的无线电系统，该3D成像传感器100使用图像形成算法来生成对象的3D图像。假定所示的一个或多个对象在场中，意味着从发射器/检测器阵列106到场景有一定距离。所述3D成像传感器包括耦合至收发器(XCVR)104的数字成像电路102，收发器104耦合至具有一个或多个能量发射器元件和一个或多个能量检测器元件的阵列106。3D成像传感器100具有发射路径和接收路径，所述发射路径从数字成像电路102开始延伸经过收发器电路104到阵列106，所述接收路径从阵列106开始延伸经过收发器电路104到数字成像电路102。
3D成像传感器生成发射信号，该发射信号由阵列106的能量发射器元件(图1A中未示出)发射。然后，3D成像传感器检测从视场(FoV)内的对象反射的发射信号，以允许至少使用图像形成算法来生成对象的3D图像，所述图像形成算法对由所述反射的发射信号经历的合成相移进行调整。
图像形成算法通过对反射的发射信号的反射率密度执行2D FFT操作来生成对象的3D图像。所述调整影响由反射或反向散射的发射信号经历的、由于多普勒效应(Doppler)引起的相移、时间延迟偏移或频移中的至少一者。因此，所述反射或反向散射的发射信号经历来自时间延迟、频移和其它相移的组合的合成相移。
在一个实施例中，数字成像电路102内的发射路径包括：用于生成PN序列的序列发生器102A、用于生成正交数字波形(例如，正交频分复用(orthogonal frequency divisionmultiplexing，OFDM))的波形发生器102B、以及用于对PN序列调制的正交数字波形执行数字波束赋形操作的数字发射波束形成器102C。在波形发生器102B的一个实施例中，利用基于具有至少一个CAZAC序列的离散傅立叶变换(discrete Fourier transform，DFT)扩展OFDM的多相位编码来生成信号。在这样的实施例中，所述信号包括多相位序列。数字波束赋形的PN序列调制的正交数字波形被施加至数模转换器(DAC)104B。
仍参照图1A，发射路径在包括DAC 104B和调制器104C的收发器(XCVR)104中延续，其中调制器104C具有耦合至能量源104A的第一输入端以及用于从DAC 104B接收模拟信号的第二输入端，其中所述模拟信号包括被转换为模拟信号的PN序列调制的正交数字波形。调制器104C还具有提供发射信号并耦合至阵列106的一个或多个能量发射器元件的输出端。所述发射信号是根据模拟信号(即，通过DAC 104B转换成的模拟信号的PN序列调制的正交数字波形)进行调制的能量。
在一个实施例中，收发器104的接收路径包括能量检测器电路104E，能量检测器电路104E被配置成接收由阵列106的一个或多个能量检测器元件检测的能量并对该能量求和。具体地，所述接收路径检测从发射路径发射的能量，该能量是从本公开的3D成像传感器的FoV中的对象反射(或反向散射)的。所述对象与图1A的3D成像处理器100相距一定距离。
能量检测器电路104E耦合至阵列106(例如，发射元件)的能量检测器元件(未示出)。能量检测器电路104E还执行将所接收的信号解调为基带信号的操作。能量检测器电路104E的输出是所接收的基带信号，该基带信号被施加至模数转换器(ADC)104D，以向数字图像电路102提供所接收的基带数字信号。所述接收路径延续至数字图像电路102，数字图像电路102包括耦合至相干检测器102D(即，相关检测器)的计算成像电路102E，以检测用于生成对象的3D图像的体积像素(体素)的坐标。在一个实施例中，计算成像电路102E将信号转换为计算图像。在一个实施例中，相干检测器102D通过对计算图像应用相干检测来生成3D图像。
计算成像电路102E执行至少一个图像形成算法，用于对最初由3D成像传感器的发射器发射的已接收的信号所经历的相移(或合成相移)进行调整。所述至少一个图像形成算法使用反射信号的反射率密度来生成对象的3D图像，其中所述对象在被本公开的3D成像处理器的发射器照射的视场中。
应当理解的是，图1A中所示的所有电路和/或模块，包括包含跟踪电路108A和后处理电路108B的电路108，由处理器110控制、指导或以其它方式操作。后处理电路108B执行操作以改善所获得的图像的质量。对所获得的图像中的任何发现的失真进行校正或去除，以改善通过本公开的图像传感器所获得的3D图像的质量。
容易理解的是，数字成像电路102或XCVR电路104中的任何模块和/或电路可以是处理器110的存储器的一部分，以允许该处理器控制、执行或指导由电路102A至102E、104A至104E和108A至108B中的一者或多者执行的任意和所有操作。处理器110可以操作为数字信号处理器或微处理器或者这两者。处理器110可以根据配置条件来配置图1B中描述的信号格式。所述配置条件可以是目标距离、噪声和干扰水平、或性能要求。
跟踪电路108A用作目标的存储单元，该目标由相干检测器电路102D检测，在相干检测器电路102D中，图1A中的相干检测器电路102D的输出(或图2中的电路242、244和246的输出)与阈值(阈值可以基于恒虚警率(constant false-alarm rate，CFAR)准则进行设置)进行比较。根据CFAR准则，阈值是根据信号统计数据确定的；通常，该信号统计数据是信号通过的信道的均值和方差。如果需要，可以进一步处理所获得的图像和相同图像的各种版本。后处理电路108B监视解调的基带信号的质量或从数字电路102生成的图像的质量，以确定是否需要对正在执行的处理类型进行调整，从而获得改进的信号质量。
例如，后处理电路108B可以被设计和配置成检测何时发生来自其它信号(包括来自其它3D成像传感器的信号)的干扰。当后处理电路108B检测到干扰时，处理器110可以操作或使序列发生器102A生成不同类型的序列或不同类型的序列组合，以降低3D成像传感器的不同用户之间的干扰概率。
例如，序列发生器102A可以被设计和/或配置成生成具有不同格式的PN序列(或其它序列)。可以遵循预定的模式对该序列进行随机分配，或者该序列可以根据测量到的干扰电平自适应地改变。在通过阈值测试进行CFAR检测后，雷达跟踪算法启动目标跟踪。基于目标的位置和速度使用诸如卡尔曼滤波(Kalman filter)的算法来跟踪多个目标。
图1B示出了根据本公开实施例的可以由3D成像传感器的发射器使用的三种不同类型的PN序列格式120的示例。图1B所示的三种不同类型的PN序列格式120的实施例仅仅是用于说明的目的。图1B并不将本公开的范围限于任何特定的实施方式。
图1C示出了根据本公开实施例的通信系统的时-频多路复用方案内的示例性3D成像传感器140。图1C所示的3D成像传感器140的实施例仅仅用于说明的目的。图1C并不将本公开的范围限于任何特定的实施方式。
图1D示出了根据本公开实施例的示例性多路复用方案160。图1D所示的多路复用方案160的实施例仅仅用于说明的目的。图1D并不将本公开的范围限于任何特定的实施方式。如图1D所示，通过至少一个PN序列来生成并多路复用数据(例如，将要发送到接收器的用户数据)。电子设备(如图1A所示，例如无线电系统)可以将由至少一个PN序列多路复用的数据映射到至少一个发射波束。
暂时参考图1B，其示出了PN序列的三种不同格式。各个格式显示了1个、2个或3个恒幅零自相关(constant amplitude zero autocorrelation，CAZAC)序列块，序列块之后跟随保护时间。在特定的格式1中，其具有一个CAZAC序列块，之后跟随保护时间。格式2具有两个CAZAC序列块，之后跟随保护时间。格式3具有三个CAZAC序列块，之后跟随保护时间。各个序列在保护时间之后重复。所述保护时间是指序列发生器在发送了一个或多个(连续的)序列块(取决于所使用的格式)之后，在限定的称为保护时间的时间段期间不发送任何序列块的时间段。如图1B所示，可以将保护时间添加为可选时间跨度以生成CAZAC序列。
为了减少或消除对其它图像传感器的干扰，处理器110可以使序列发生器102A(图1A)使用不同格式的序列。此外，本公开的3D成像传感器的正常操作可以被配置成执行序列调频(sequence hopping)，由此3D成像传感器以伪随机方式或者不总是使用相同格式或甚至相同格式的一些方式连续地生成不同格式。
返回参考图1A，处理器110包括微处理器、微控制器、控制一个或多个处理器(包括数字信号处理器(DSP))的主处理器、或实施为现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)或其它类似电路或为其一部分的处理器。此外，处理器110可以位于形成图像传感器的一部分的电路板上，或者所述处理器可以被远程设置，同时仍然能够操作、控制或以其它方式指导图1中的任何模块和/或电路。将容易理解的是，可以利用这些处理器110的各种实施方式中的任何实施方式来至少部分地实施关于3D成像传感器100(上文讨论的)以及成像传感器200(下文讨论的)的本文所提及的一些或全部模块和/或电路。
图2A示出了根据本公开实施例的示例性3D成像传感器200。图2A所示的3D成像传感器200的实施例仅仅用于说明的目的。图2A并不将本公开的范围限于任何特定的实施方式。
现在参考图2A，其示出了本公开的另一实施例。尽管未示出，图2A的实施例也可以由处理器以与图1A的实施例类似的方式来操作、控制或进行其它方式进行指导。即，控制图2A中的实施例的处理器包括微处理器、微控制器、控制一个或多个处理器(包括数字信号处理器(DSP))的主处理器、或实施为FPGA、专用集成电路(ASIC)或其它类似电路或为其一部分的处理器。此外，处理器可以位于形成图像传感器的一部分的电路板上，或者所述处理器可以被远程设置，同时仍然能够操作、控制或以其它方式指导图2A中的任何电路。
在图2A的实施例中，3D成像传感器200包括：发射器(包括电路202至224A)、接收器(包括电路224B至252)、以及耦合至发射器和接收器的阵列226，其中所述阵列226具有一个或多个能量发射器元件和一个或多个能量检测器元件，其中阵列226被配置成发射由发射器生成的发射信号。
图2A的阵列226以及图1A的阵列106被配置成以各种频带(或频率区)和/或波长范围发射能量。例如，图2A的阵列226或图1A的阵列106被配置成发射或检测波长范围为700nm(纳米)至1400nm(包括性地属于近红外(near infrared，NIR))和1400nm至3000nm(包括性地属于短波红外(short-wave infrared，SWIR))的光信号。而且，两个阵列(226和106)被配置成在高频(High Frequency，HF)区或频带、甚高频区(Very High Frequency，VHF)、特高频(Ultra High Frequency，UHF)、超高频频带(Super High Frequency，SHF)、极高频(Extremely High Frequency，EHF)区、和太赫兹(Tera Hertz，TH)区中的一者中发射或检测电磁信号。所述EHF区特别适合于同时进行宽带通信和高分辨率成像。术语“频率区(frequency region)”和“频带(frequency band)”可互换使用。
图2B示出了根据本公开实施例的阵列250的示例性前视图。图2B所示的阵列250的前视图的实施例仅仅用于说明的目的。图2B并不将本公开的范围限于任何特定的实施方式。
图2B示出了阵列226的前视图，该前视图描绘了包括四个子阵列226A、226B、226C和226D的阵列226。通常，阵列226可以被再分为任意数量的子阵列，其中每个子阵列包括一定数量的阵列元件。每个子阵列可以具有相同数量的阵列能量发射器元件和能量检测器元件。而且，根据所述子阵列在整个阵列中的位置，某些子阵列可以具有不同数量的元件。例如，位于或靠近阵列中心的子阵列可以具有比任何其它子阵列更多的阵列元件。
所述发射信号包括数字波束赋形的正交数字波形(数字波束形成器TX 216的输出)。在进行数字波束赋形之前，通过耦合至对应的快速傅立叶逆变换(inverse fastFourier transform，IFFT)循环前缀(cyclic prefix，CP)电路2141、…、214L的资源元素(resource element，RE)映射电路2121、…、212L的组合来生成正交数字波形。此外，通过MIMO处理的频域PN序列对所述正交数字波形进行调制(即，MIMO预编码电路210的输出)。
因此，通过将正交数字波形施加至数字波束形成器216来获得数字波束赋形的正交数字波形。通过DAC 218将数字波束赋形的正交数字波形转换为模拟波形(即，在DAC 218的输出处的信号)。将所得模拟波形施加至调制器222的输入端，以调制能量源220(如图所示，其施加至调制器222的另一输入端)，从而得到调制的模拟信号，该模拟信号是由模拟波束形成器224A赋形的模拟波束，以获得被施加至阵列的一个或多个能量发射器元件的发射信号(模拟波束形成器224A的输出)。因此，阵列226的一个或多个能量发射器元件发射向其施加的发射信号。
图2A的调制器222(以及图1A的调制器104C)可以被配置为以下调制器中的任意一者：二进制相移键控(binary phase shift keying，BPSK)调制器、四相相移键控(quadrature phase shift keying，QPSK)调制器、导通关断键控(on off keying，OOK)调制器、幅移键控(amplitude shift keying，ASK)调制器、频移键控(frequency shiftkeying，FSK)调制器、脉冲位置调制(pulse position modulation，PPM)、相移键控(phaseshift keying，PSK)调制器、以及差分相移键控(differential phase shift keying，DPSK)调制器。
依然参照图2A，发射信号的产生从PN序列发生器202开始，PN序列发生器202生成时域PN序列：S0、S1、S2、...、SN-1，该时域PN序列通过离散傅立叶变换(DFT)电路204变换为频域PN序列：X0、X1、X2、...、XN-1，如图2A所示。
N是等于或大于1的整数。DFT电路/模块204对时域序列执行离散傅立叶变换，以将所述序列转换为频域序列。从CAZAC序列获得的时域PN序列是由PN序列发生器202生成的PN序列的一个示例。CAZAC序列是一类具有恒幅零自相关(CAZAC)性质的PN序列。Zadoff-Chu序列(其是CAZAC序列)的第u次平方根由下式给出：
Figure BDA0002931785920000191
0≤n≤NZC-1，其中，NZC是Zadoff-Chu序列的长度。然后对频域PN序列进行MIMO处理。
图3A示出了根据本公开实施例的包括数字波束形成器电路的示例性3D成像300。图3A所示的3D成像300的实施例仅仅用于说明的目的。图3A并不将本公开的范围限于任何特定的实施方式。
参照图3A，其示出了在MIMO处理中执行的操作的示例的图形化图示。本公开的MIMO处理包括被称为码字映射的第一操作，接着是被称为层映射的第二操作，接着是被称为预编码的第三操作。在一个示例中，假设通过电路(例如图2A的PN序列发生器202)生成四元素时域序列。该时域序列经由图2A的离散傅立叶变换(DFT)电路204转换成频域序列。然后对该频域序列执行码字映射操作。
依然参考图3A，码字映射的一个示例是首先添加校验和比特(例如循环冗余码或CRC比特)，以用于原始比特块的差错校验。然后所得块可以被分割成码块，每个码块可以由编码器(例如，1/3加强编码器(turbo Coder))进行处理。所得到的编码块被重组成码字。对于层映射操作，码字被进一步扰码(scramble)并且被分割成块，其中每个块是一层。
因此，对于图3A所示的层映射，频域码字被示出为具有四个元素和两个层。所示的四元素序列块已经按照任何已知的扰码方案或任何任意的扰码方案进行扰码。扰码是指对序列元素的时间顺序重新排列。然后，图3A示出了预编码操作的示例。
因此，通过首先执行码字映射操作(参见图2A的电路206)、随后执行层映射操作(图2和图3中的电路208)、随后执行MIMO预编码操作(参见图2和图3中的电路210)，这些操作在本文统称为MIMO处理，从而对频域序列执行MIMO处理。总之，MIMO处理对特定序列块内的序列元素进行重新排列，并且将序列块分离成各个部分(其分配给特定层)，以及在不同层上执行某些操作。
依然参照图3A，其示出了如何对序列块执行MIMO操作的图形化图示。为了清楚解释，示出了对一个四元素序列块进行的MIMO操作。码字映射向序列块添加更多的元素，以帮助接收器确定在发送之后一旦接收到序列块时其中是否发生错误。码字映射操作还可以包括序列元素的扰码。
在一个示例中，假设在码字映射操作下示出的四元素序列块已经历码字映射操作。还显示了MIMO操作的剩余部分。如图所示，在序列元素的顺序已被改变(即，序列已被扰码)之后，层映射的操作将序列分割成多个层(L，这里L＝2)。随后进行预编码操作，由此对某些层而不是其它层的序列元素执行某些操作。
此外，预编码操作确定待供能的阵列226的能量发射器元件(当发射信号时)和能量检测器元件(当接收反射信号时)的特定子集。在所讨论的示例中，对于L层的预编码层中的一层，对扰码序列元素执行复共轭操作。对于其它层，序列元素被扰码，但是该序列元素不经历任何其它操作。
返回参考图2A，预编码电路210的输出用于在生成正交频分复用(OFDM)数字波形时对资源元素(RE)映射和与RE相关联的正交波形生成进行调制。OFDM是可以在图2A中使用的可接受的正交波形的一个示例。其它可接受的正交波形包括正交或伪正交波形(例如无CP OFDM)、滤波器组多载波(filter bank multi-carrier，FMBC)波形、广义频分复用(generalized frequency division multiplexing，GFDM)波形、以及资源扩展多址(resource spread multiple access，RSMA)波形。正是以这种方式使得频域MIMO处理的PN序列对正交序列进行调制。
如图所示，所生成的正交序列是已知的正交波形(OFDM)，由此对L层中的每一层执行RE映射(电路2120、2121、…、212L)，以及随后执行循环前缀IFFT(电路2141、2142、…、214L)；L是等于或大于1的整数。
将MIMO处理的PN序列调制的OFDM序列施加至数字波束形成器216，该数字波束形成器216以与用于在某一方向发射发射信号的阵列能量发射器元件相一致的方式来组合经相位调整的正交序列元件。除了对正交频分复用波形施加各种相移之外，数字波束形成器216被操作成使得阵列226的适当的能量发射元件根据要被照射的成像传感器的FoV内的期望目标而进行供能。
注意的是，L层中的每一层与阵列226的特定能量发射元件或特定组的能量发射元件相关联。天线阵列由多个子阵列组成，每个子阵列的天线单元之间具有相移。即，对于对应于天线子阵列的不同层的正交序列元素中的每一者，数字波束形成器216选择对相位做出多少调整。以这种方式，阵列的某些特定能量发射器元件将经历比其它元件更多的相位变化。这种通过DBF TX电路216的相位映射可以影响照射阵列226的FoV特定区域的波束的方向、大小、形状和幅度。
DBF TX电路216的输出被施加至DAC 218，DAC 218的输出经由调制器222来调制能量源220。调制器222的输出被施加至模拟波束赋形电路224A。模拟波束赋形电路224A控制被施加至L层中每一层的每个能量发射元件的能量的量，并且向由阵列226发射的每个发射信号提供恒定的相位偏移。
图3B示出了根据本公开实施例的频域PN序列320的示例性的MIMO处理。图3B所示的频域PN序列320的MIMO处理的实施例仅仅用于说明的目的。图3B并不将本公开的范围限于任何特定的实施方式。
图3C示出了根据本公开实施例的示例性数字波束形成器电路340。图3C所示的数字波束形成器电路340的实施例仅仅用于说明的目的。图3C并不将本公开的范围限于任何特定的实施方式。
参照图3B，其示出了数字波束形成器216的更详细的布置以及数字波束形成器216的布置如何与用电路212和电路214实施的正交波形发生器交互。图3C中还示出了每个数字波束形成器的结构。每个波束形成器具有B个输出，每个输出表示波束；B是等于或大于1的整数。因此，每个数字波束形成器2161，…，L输出数据以生成B个波束。如图3C的数字波束形成器中所示，波束是M个不同子阵列的元素的唯一组合；M是等于或大于1的整数。存在对应于L层(其从层映射电路208生成)的L个数字波束形成器。对L层中的每一层进行预编码，以得到L个预编码层，将每个预编码层施加至RE映射电路，将每个RE映射电路的输出施加至IFFT/CP电路。RE映射电路和IFFT/CP电路的每个组合代表特定的OFDM数字波形。因此，如图所示，存在L个RE映射和IFFT/CP的组合。
依然参照图3B并参照图3C，紧接着对每个数字波束形成器的架构进行更详细的回顾。如图3C所示，每个数字波束形成器具有输入端，该输入端耦合至B个子阵列映射，每个子阵列映射包含M个相移；如图3B所示，存在L个这样的数字波束形成器。
因此，L个数字波束形成器(2161，2162，…，216L)中的每一者向L层的B个子阵列映射中的每一者施加M个唯一相移(即，φ)，并且唯一性地组合这些映射，以生成B个波束。因此，存在L×B个波束，其中每个波束由DAC 2181、2182、…、218L转换为模拟信号，然后将所述模拟信号施加至调制器2221、2222、…、222L。如上所述，L是层的数目，B是波束的数目，M是每个子阵列映射的相移φ的数目。通常，B×M的值不超过阵列中的天线单元(antennaelement)的总数目。
调制器的输出被施加至模拟波束形成器224A，然后该模拟波束形成器耦合至阵列226的一个或多个能量发射器元件(图3B中未示出)。模拟波束形成器224A向阵列226的模拟发射器元件的适当组合施加适当的恒定相移。因此，L的值是由图2A的层映射电路208生成的层的数目。M和B的值取决于包括在图2B的阵列226中的子阵列的数目和能量发射器元件的数目。
应当注意的是，使用OFDM的通信系统通过在时间和频率上复用数据来发送数据。因此，任何传输都具体地由限定的时间段和频带内的交集来标识；例如见图1C和图1D。如在图1C和图1D中所述的OFDM多路复用通信系统中那样，通过在频率和时间上多路复用上述图1A，1B，2A，3A，3B和3D中所述的3D成像传感器的发射器的发射信号，可以在这种OFDM系统中使用根据本公开的图2A和图1A的信号的发射。
所述发射的信号可以是PN序列，该PN序列被用于感测场景并且通过使用如在本公开中讨论的图像形成算法来生成这些场景的3D图像。所述PN序列可以被多路复用，使得形成波束的连续PN序列可以与如图1C和图1D所示的通信系统的数据一起发射。在其它实施例中，由本公开的3D成像传感器发射的信号可以是与其它类型的序列组合的PN序列。
返回参照图2A，现在讨论3D成像传感器200的接收路径。通过阵列226的能量检测器元件接收从对象反射的发射能量。容易理解的是，并不是最初由3D成像传感器200发射的其它能量也可以由阵列226检测。通常，属于阵列226的工作能带(即，频带或波长带)的能量由阵列226检测，阵列226将这种能量传输至模拟波束形成器(analog beam former，ABF)224B。波束形成器224B对所接收的信号施加恒定的相移。由ABF 224B施加至接收信号的恒定相移等于由ABF 224A施加至发射信号的相移。
所接收的信号在已经由ABF224 B进行波束赋形之后，被施加至能量检测器和解调器电路228，能量检测器和解调器电路228存储所接收的能量的总和并且将所接收的信号解调成基带信号，该基带信号考虑了本公开的3D成像传感器与由3D成像传感器照射的场景之间的相对速度v。
电路228执行所接收的信号能量检测和解调操作。所接收的信号可以是由3D成像传感器发射并且被场景中的对象、结构或其它物品反射的信号。所述解调使用具有频率f0的本地信号来照射来自三维成像传感器的场景，所述频率f0等于由3D成像传感器200发射的信号的载波频率。
所示出的本地信号被施加至电路228，但是更具体地，所述本地信号被施加至电路228的解调器部分。针对本地信号的数学表达式的变量包括c(其是光速)、t(其表示时间)、和v(其是场景相对于本公开的成像传感器移动的速度或传感器相对于场景移动的速度)。电路228的输出是由ADC 230转换为数字形式的模拟基带信号，ADC 230将所述数字信号传输至计算成像电路232。
计算成像电路232至少执行用于对所得相移进行调整的图像形成算法，其中所述所得相移是从场景的对象、结构或物品反射或反向散射的发射信号(由本公开的3D成像传感器发射)所经历的相移。所述图像形成算法还生成体素，该体素用于生成由本公开的3D成像传感器的发射器(利用发射信号)照射的对象、结构或其它物品的3D图像。所述发射信号被物体、结构或其它物品反射或反向散射。
图4示出了根据本公开实施例的将信号反射回3D成像传感器400阵列的示例性对象。图4所示的将信号反射回3D成像传感器400阵列的对象的实施例仅仅用于说明的目的。图4并不将本公开的范围限于任何特定的实施方式。
参考图4，其示出了位于与本公开的3D成像传感器阵列226距离r处的对象的目标，其中r＝R。为了便于描述，假设从3D成像传感器(在图4中仅示出阵列226)发射的信号被所示目标中的点反射，所述点具有坐标(ζ,η,R)，其中，r＝位于与阵列226距离R处的对象的R。
虽然未示出，但是应当理解的是，被图4中所示的物体反射(或反向散射)的信号最初由阵列226的一个或多个能量发射器元件发射，并且由图4中的物体(沿图4中箭头所示的方向)从目标点反射到位于坐标(0，0，0)处的能量检测器元件。将x-y-r笛卡尔坐标系叠加到(3D成像传感器的)阵列226上，并且阵列226与坐标系对准，使得接收反射信号的能量检测器元件中的一者的位置位于点(0，0，0)处。
如图4中所示，被照射的目标位于x＝ζ、y＝和r＝R的位置处。即使接收反射或反向散射能量的阵列元件能够适当地检测能量，由于频移、时间延迟以及最终影响正确位置并归因于本公开的3D成像传感器信号的其它已知因素，信号很可能经历了总体相移(即，合成相移)。
具体地，发射信号经历时间延迟、频移和相移。在不考虑这些不同的相移、频移和时间延迟的情况下，由于合成相移所得体素将被计算到错误的位置。这将导致体素(例如，体积像素)被放置在所生成的3D图像中的错误位置。所得到的具有一个或多个略微错位体素的图像将是不清楚的、模糊的、并且通常是不清晰的。
因此，计算成像电路232(图4)执行图像形成算法，该图像形成算法通过使用从对象反射或反向散射的信号的反射率密度的2-D FFT(电路234)来对3D图像的每个体素进行必要的调整(即，相位校正)，其中所述体素是由本公开的3D成像传感器生成的。因此，图像形成算法对这些反射或反向散射的信号所经历的合成相移执行相位调整(或相位校正)。
由阵列226的发射器元件发射的发射信号中的每一者在被反射或反向散射之后，经历取决于范围R的合成相移。所述范围是从阵列发射器元件到被照射目标的距离。因此，范围是发射所述发射信号的阵列发射器元件的位置的函数。利用相干处理来估计用于发射信号中的每一者的往返时间。如图2A所示，所述发射信号最初是被发射的PN序列，然后通过利用图2A中的电路236使用相干处理来反射和检测。对于每个体素，所述往返时间(通过电路242、电路244和电路246)被转换为范围值R，从而生成3D图像。
对于2D阵列或操作为虚拟2D(二维)阵列的1D(一维)阵列，可以用(x，y)坐标系表示所述位置。可以用目标位置r(S)来表示范围R，其中S表示发射极元件位置。
由反射或反向散射的发射信号所经历的合成相移以及因此对反射的发射信号进行的相位校正由式
Figure BDA0002931785920000241
给出：其中λ是反射的发射信号的波长。
通过电路232执行的计算成像应用相位校正，该相位校正值是利用C(S)计算的。所述相位校正是发射信号所经历的合成相移的反转(inverse)。多个因素导致了每个发射信号经历的合成相移。例如，合成相移可以是发射信号经历的频移、时间延迟和实际相移中的任意一者或者其任意组合的结果。
当被本公开的3D成像传感器照射的物体位于阵列的“远场”中时，C(S)的计算被简化。如下面将解释的，“远场”目标位于满足某些要求的距离r处。为了便于描述，假设发射阵列和接收阵列是相同的，但这不是图像形成算法所要求的。只要发射阵列和接收阵列的几何形状是已知的，该“远场”计算也可以用于共址或非共址的发射-接收阵列。
图4中示出了对象和信号对阵列226的反射。为了便于描述，假设反射能量由位于(0，0，0)的能量检测器元件检测。考虑这样的目标点：其在某一特定时刻t位于位置(ζ,η)处，并且以相对速度v沿方向r行进，如图所示。
可以将目标点的反射率密度建模为ρ(ζ,η,R)。所述反射率密度是来自每无穷小体积的目标点dζdηdr的信号的反射。因此，所述反射率密度是物体目标点所在的整个3D区域。为了计算目标点周围区域中的所有反射的反射率密度，对来自目标点所占体积中的所有反射的信号执行三重或3D积分。发射信号(源自具有阵列226的3D成像传感器的发射器)被建模为
Figure BDA0002931785920000251
0≤t≤TP，其中f0是发射信号的载波频率，φ0是恒定的相位偏移，S是发射信号的持续时间。
为了描述的简单性和为了更简单的推导，假设恒定的相位偏移φ0等于0；即，φ0＝0。
针对特定时刻t,来自(ζ,η,R)处的目标的返回信号由式1获得：
Figure BDA0002931785920000252
其中，
Figure BDA0002931785920000253
是从阵列226到目标的距离。因此，对于r，如上式可以看出，r是若干变量(包括x，y，ζ，η)的函数，即，是发射器元件坐标和目标点坐标的函数。在R2＞＞(vt)2+(x-ζ)2+(y-η)2的远场中，r可以近似为
Figure BDA0002931785920000254
并且c是光速。因此，术语“远场”意味着距离R满足关系式R2＞＞(vt)2+(x-ζ)2+(y-η)2。
式(1)可以被写作：
Figure BDA0002931785920000255
其是反射率密度ρ(ζ,η,R)的傅立叶变换的缩减版，即，
Figure BDA0002931785920000256
P是反射率密度的傅立叶变换的符号，λ是信号的波长。因此，如式2所示，通过(利用图2A中的电路228)对所接收的信号进行解调并且(利用图2A中的具有乘法器的电路232)将所接收的信号(即，反向散射或反射的信号)乘以
Figure BDA0002931785920000257
以对具有范围R的反射(或反向散射)信号进行相位调整，以及通过对所接收的信号进行2D傅立叶变换，以针对位于远场中的对象的特定目标点生成体素，来获得距离R处的图像。
返回参考图2A，电路232的输出端耦合至2D FFT电路234，2D FFT电路234基于式2的二次积分来执行2D FFT运算。电路234的输出端耦合至本公开的3D成像传感器的接收器路径的乘法器236。电路236是用于确定范围R(即，r＝R的距离)的相关接收器的一部分。电路232对反射的发射信号所经历的合成相移执行适当的调整，其中所述反射的发射信号由阵列226的一个或多个能量检测器元件接收。对所接收的反射的发射信号进行的调整至少减少或消除了这种反射(或反向散射)信号所经历的合成相移。
电路232的输出被传送至2D FFT电路234，该2D FFT电路234将所述时域接收信号转换为频域，允许使用查询表252中预先存储的时域序列对所述所接收的信号进行频域相干检测，其中通过DFT电路240将预先存储的时域序列转换为频域序列。查询表252中的时域序列是用于构造目前从视场中的对象反射(或反向散射)的发射信号的相同时域序列。
复共轭电路238对来自DFT电路240的序列的频域版本执行复共轭运算，以允许使用乘法器236(乘以两个频域序列)进行相干检测。然后，通过IFFT电路242将乘法器236的输出转换成时域，以获得针对所接收的发射信号以及针对能量检测器阵列元件的(x，y)坐标进行调整的范围R的幅值或R的平方幅值(例如，电路244)，其中所述能量检测器阵列元件接收反射(或反向散射)的发射信号。
然后，通过阈值电路246将检测到的信号的幅值与阈值进行比较，以根据接收的信号确定反射率密度和到对象的范围值r(例如，r＝R)。所述阈值被设置成使得在统计上保持对象的假警报概率，以避免假阳性图像。因此，知晓了距发射点的位置(在x，y坐标中)和距离r。
跟踪电路250用作用于由电路242、244和246检测的目标的存储单元，其中阈值可以基于恒虚警率(CFAR)准则和所获得的图像以及在需要时进行进一步处理的相同图像的各种版本来设置。后处理电路248监视来自计算成像电路232的解调基带信号的质量，以确定是否需要调整正在执行的处理的类型，以获得改进的信号质量。
在一个示例中，后处理电路248可以被设计和配置成检测何时发生来自其它信号(包括来自其它3D成像传感器的信号)的干扰。当后处理电路248检测到干扰时，控制、操作或以其它方式指导图2A中的3D成像传感器的处理器(图2A中未示出)可以操作或使序列发生器202生成不同类型的序列或不同类型的序列组合，以降低3D成像传感器的不同用户之间的干扰概率。
在一个示例中，序列发生器202可以被设计和/或配置成生成具有不同格式的PN序列(或其它序列)。可以遵循预定的模式对该序列进行随机分配，或者该序列可以根据测量到的干扰水平自适应地改变。
图5示出了根据本公开实施例的用于生成场景的3D图像的方法500的流程图，所述场景包括被3D成像传感器照射的对象和结构。图5所示的方法500的实施例仅仅用于说明的目的。图5并不将本公开的范围限于任何特定的实施方式。
现在参考图5，其示出了本公开的方法的流程图。图5中描绘的流程图示出了如何通过图1A和图2A中描绘的各种电路和模块来执行本公开的3D成像传感器的步骤。即使图2A没有描绘如图1A所示的处理器，但容易理解的是，图2A的实施例不仅包括所示的电路和/或模块和阵列，还包括与图1A中的处理器110的配置类似的处理器。图2A的处理器(未示出)可以控制、操作或指导图2A中的3D成像传感器的各种模块、电路和阵列226的操作。处理器110可以根据配置条件来配置图1B中描述的信号格式。所述配置条件可以是目标距离、噪声和干扰电平、或性能要求。
类似地，图1A中的处理器110可以控制、操作或指导图1A中的3D成像传感器的各种电路和/或模块、电路和阵列106的操作。在图5的方法中执行的步骤由图1A或图2A中描绘的处理器、电路和/或模块或处理器与模块和电路的组合来执行。
在由本公开的3D成像传感器执行的方法的步骤500中：生成PN调制的MIMO处理的数字波形。PN序列发生器电路202在其中存储了PN序列的各种格式。PN序列的一个示例是上文讨论的Zadoff-Chu序列。该Zadoff-Chu序列是恒幅零自相关(CAZAC)类型的序列，并且Zadoff-Chu序列的各种格式可以存储在图2A的序列发生器202或图1A的序列发生器102A中。图1A和图2A的Zadoff-Chu序列发生器电路在其中存储了时域序列。
执行该时域序列的离散傅立叶变换(DFT)以生成频域PN序列。如图2A所示，时域PN202的输出被施加至DFT电路204，以执行DFT操作得到频域PN序列。
DFT 204的输出被施加至MIMO处理电路。MIMO处理操作包括：码字映射(电路206)、随后的层映射(电路208)、以及预编码(电路210)。因此，电路210的输出是PN序列调制的MIMO处理的数字波形。
在步骤502：将所述PN序列调制的MIMO处理的数字波形施加至正交序列发生器。图2A所示的正交序列发生器是OFDM序列发生器。所述OFDM序列发生器包括RE映射电路(2121、2122、…、212L)，该RE映射电路耦合至IFFT/CP电路(2141、2142、…、214L)，如图2A所示。如上文所讨论的，可以使用各种其它类型的正交数字序列发生器或伪正交序列发生器。
在一个示例中，这种正交数字波形发生器包括：正交无CP OFDM、滤波器组多载波(FBMC)波形发生器、广义频分复用(GFDM)波形发生器、和资源扩展多址(RSMA)波形发生器。
所生成的正交数字波形由来自MIMO处理输出(即，来自图2A的预编码电路210的输出)的PN序列调制和MIMO处理的数字波形进行调制，并且这种正交数字波形被施加至数字波束形成器(即，图2A的电路216)，从而产生数字波束赋形的数字波形。在另一实施例中，在不使用正交数字波形的情况下，将MIMO处理输出(即，图2A的预编码电路210的输出)直接地施加至数字波束形成器电路216；本实施例的数字波束赋形的数字波形不使用正交序列。
在步骤504：在调制器(例如，图2A的调制器222或图1A的调制器104C)的输入端使用所述数字波束赋形的数字波形。调制器的其它输入端耦合至能量源。调制器所产生的输出是根据数字波束赋形的信号进行调制的来自能量源的能量，以产生发射信号。应注意的是，所述发射信号可以具有或不具有正交数字波形分量。
在一个实施例中，PN序列调制的和MIMO处理的数字波形可以被直接地施加至数字波束形成器，而不是首先施加至正交数字波形发生器(即，正交序列发生器)。在另一实施例中，对于图1A和图2A二者，在将数字波束赋形的正交信号施加至调制器之前，(通过图1A中的DAC 104B或图2A中的DAC 218)将该信号转换为模拟信号。
在步骤506：通过本公开的3D成像传感器的阵列的一个或多个能量发射器元件发射所述发射信号。该发射信号可以是在由阵列发射之前形成的模拟波束。在一个实施例中，在发射所述发射信号之前，模拟波束形成器向所述发射信号施加非变化的相移。3D成像传感器可以照射场景，在这种情况下，已发射的发射信号或其至少一部分可以被反向散射或反射回3D成像传感器的阵列。反向散射或反射是由于已发射的发射信号碰撞阵列的FoV中的物体或结构所造成的。接收反射的发射信号的阵列可以是用于发射所述发射信号的相同阵列，或者该阵列可以是被配置成检测各种频带或波长范围的能量的单独阵列。
在步骤508：通过阵列来检测所述反射或反向散射的发射信号，并且特别地，通过阵列的至少一个能量检测器元件来检测所述反射或反向散射的发射信号。所述检测阵列可以是用于发射所述发射信号的相同阵列，或者检测阵列可以是配置有能量检测器元件的单独阵列。可以通过3D成像传感器来检测反射的能量以及形成模拟波束。所述接收模拟波束形成器向所接收的反射的发射信号施加非变化的相移。
在步骤510：通过解调操作将所接收的信号转换为基带信号形式，然后通过ADC(例如，图2A中的ADC 230)将该基带信号转换为数字信号。电路232对由反射或反向散射的发射信号经历的合成相移执行调整，并且电路234生成对象、结构或物品的3D图像，其中所述发射信号从所述对象、结构或物品被反射或反向散射。
虽然已经通过示例性实施例描述了本公开，但是可以向本领域技术人员建议出各种变化和修改。本公开旨在包括落入所附权利要求的范围内的这些变化和修改。
本申请中的任何描述不应被理解为暗示任何特定元素、步骤或功能是必须包括在权利要求范围中的必要元素。本专利的主题范围仅由权利要求限定。此外，这些权利要求中没有一项旨在援引35U.S.C.112(f)，除非确切的词“用于…的手段(means for)”后面跟随分词。

Claims (20)

1.一种先进的通信系统，包括：
处理器；
三维(3D)成像传感器，其可操作地连接至所述处理器，所述3D成像传感器包括数字成像电路，所述数字成像电路被配置以：
根据配置条件，利用基于具有至少一个恒幅零自相关(CAZAC)序列的离散傅立叶变换(DFT)扩展正交频分复用(OFDM)的多相位编码来生成第一信号，其中所述第一信号包括多相位序列，以及
对已生成的所述第一信号应用数字发射波束赋形；
收发器(XCVR)，其可操作地连接至所述数字成像电路，所述XCVR被配置以：
将所述第一信号从数字的转换为模拟的，以及
利用能量源对经转换的所述第一信号进行调制；以及
阵列，其可操作地连接至所述处理器和所述XCVR，所述阵列被配置以：
利用至少一个能量发射元件来发射经调制的所述第一信号，
检测第二信号，所述第二信号包括从视场的场景中的至少一个对象反射的已发射的所述第一信号的至少一部分，
对检测到的所述第二信号进行解调，以及
将所述第二信号从模拟的转换为数字的，
其中，所述数字成像电路还被配置以：
将经转换的所述第二信号转换为计算图像，以及
通过对所述计算图像应用相干检测来生成3D图像。
2.根据权利要求1所述的先进的通信系统，其中，所述处理器被进一步配置以：
识别至少一个伪噪声(PN)序列，用于感测所述至少一个对象；以及
在频域和时域中将所述至少一个PN序列映射到至少一个发射波束。
3.根据权利要求1所述的先进的通信系统，其中：
所述处理器被进一步配置以：
生成用户数据；
识别至少一个PN序列，以发送所述用户数据；
在频域和时域中将所述至少一个PN序列多路复用到所述用户数据；以及
所述XCVR被进一步配置以：通过至少一个发射波束来发送由所述至少一个PN序列多路复用的所述用户数据。
4.根据权利要求1所述的先进的通信系统，其中，所述处理器被进一步配置以：
将多输入多输出(MIMO)码字映射到通过离散傅立叶变换进行变换的已生成的所述第一信号；以及
通过向所映射的所述第一信号应用层映射来生成至少一个层。
5.根据权利要求4所述的先进的通信系统，其中，所述处理器被进一步配置以：在将所述第一信号从数字的转换为模拟的之前，对经MIMO码字映射的所述第一信号应用数字波束赋形。
6.根据权利要求5所述的先进的通信系统，其中，所述处理器被进一步配置以：
在发射经调制的所述第一信号之前，对经数字波束赋形的所述第一信号应用模拟波束赋形；以及
对检测到的所述第二信号应用所述模拟波束赋形，所述第二信号包括从所述视场的所述场景中的所述至少一个对象反射的已发射的所述第一信号的至少一部分。
7.根据权利要求1所述的先进的通信系统，其中，所述数字成像电路被进一步配置以：
将经转换的所述第二信号乘以相位值，以执行相移；以及
通过对被乘以所述相位值的经转换的所述第二信号应用二维(2D)快速傅立叶变换来生成所述至少一个对象的所述3D图像。
8.一种先进的通信系统的方法，所述方法包括：
根据配置条件，利用基于具有至少一个恒幅零自相关(CAZAC)序列的离散傅立叶变换(DFT)扩展正交频分复用(OFDM)的多相位编码来生成第一信号，其中所述第一信号包括多相位序列；
对已生成的所述第一信号应用数字发射波束赋形；
将所述第一信号从数字的转换为模拟的；
利用能量源对经转换的所述第一信号进行调制；
利用至少一个能量发射元件来发射经调制的所述第一信号；
检测第二信号，所述第二信号包括从视场的场景中的至少一个对象反射的已发射的所述第一信号的至少一部分；
对检测到的所述第二信号进行解调；
将所述第二信号从模拟的转换为数字的；
将经转换的所述第二信号转换为计算图像，以及
通过对所述计算图像应用相干检测来生成3D图像。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，还包括：
识别至少一个伪噪声(PN)序列，用于感测所述至少一个对象；以及
在频域和时域中将所述至少一个PN序列映射到至少一个发射波束。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，还包括：
生成用户数据；
识别至少一个PN序列，以发送所述用户数据；
在频域和时域中将所述至少一个PN序列多路复用到所述用户数据；以及
通过至少一个发射波束来发送由所述至少一个PN序列多路复用的所述用户数据。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，还包括：
将多输入多输出(MIMO)码字映射到通过离散傅立叶变换进行变换的已生成的所述第一信号；以及
通过向所映射的所述第一信号应用层映射来生成至少一个层。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，还包括：在将所述第一信号从数字的转换为模拟的之前，对经MIMO码字映射的所述第一信号应用数字波束赋形。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，还包括：
在发射经调制的所述第一信号之前，对经数字波束赋形的所述第一信号应用模拟波束赋形；以及
对检测到的所述第二信号应用所述模拟波束赋形，所述第二信号包括从所述视场的所述场景中的所述至少一个对象反射的已发射的所述第一信号的至少一部分。
14.根据权利要求8所述的方法，其中，还包括：
将经转换的所述第二信号乘以相位值，以执行相移；以及
通过对乘以所述相位值的经转换的所述第二信号应用二维(2D)快速傅立叶变换来生成所述至少一个对象的所述3D图像。
15.一种非瞬时性计算机可读介质，包括在由至少一个处理器执行时使电子设备执行以下项的程序代码：
根据配置条件，利用基于具有至少一个恒幅零自相关(CAZAC)序列的离散傅立叶变换(DFT)扩展正交频分复用(OFDM)的多相位编码来生成第一信号，其中所述第一信号包括多相位序列；
对已生成的所述第一信号应用数字发射波束赋形；
将所述第一信号从数字的转换为模拟的；
利用能量源对经转换的所述第一信号进行调制；
利用至少一个能量发射元件来发射经调制的所述第一信号；
检测第二信号，所述第二信号包括从视场的场景中的至少一个对象反射的已发射的所述第一信号的至少一部分；
对检测到的所述第二信号进行解调；
将所述第二信号从模拟的转换为数字的；
将经转换的所述第二信号转换为计算图像，以及
通过对所述计算图像应用相干检测来生成3D图像。
16.根据权利要求15所述的非瞬时性计算机可读介质，还包括在由至少一个处理器执行时使电子设备执行以下项的程序代码：
识别至少一个伪噪声(PN)序列，用于感测所述至少一个对象；以及
在频域和时域中将所述至少一个PN序列映射到至少一个发射波束。
17.根据权利要求15所述的非瞬时性计算机可读介质，还包括在由至少一个处理器执行时使电子设备执行以下项的程序代码：
生成用户数据；
识别至少一个PN序列，以发送所述用户数据；
在频域和时域中将所述至少一个PN序列多路复用到所述用户数据；以及
通过至少一个发射波束来发送由所述至少一个PN序列多路复用的所述用户数据。
18.根据权利要求15所述的非瞬时性计算机可读介质，还包括在由至少一个处理器执行时使电子设备执行以下项的程序代码：
将多输入多输出(MIMO)码字映射到通过离散傅立叶变换进行变换的已生成的所述第一信号；以及
通过向所映射的所述第一信号应用层映射来生成至少一个层。
19.根据权利要求18所述的非瞬时性计算机可读介质，还包括在由至少一个处理器执行时使电子设备执行以下项的程序代码：
在将所述第一信号从数字的转换为模拟的之前，对经MIMO码字映射的所述第一信号应用数字波束赋形；
在发射经调制的所述第一信号之前，对经数字波束赋形的所述第一信号应用模拟波束赋形；以及
对检测到的所述第二信号应用所述模拟波束赋形，所述第二信号包括从所述视场的所述场景中的所述至少一个对象反射的已发射的所述第一信号的至少一部分。
20.根据权利要求15所述的非瞬时性计算机可读介质，还包括在由至少一个处理器执行时使电子设备执行以下项的程序代码：
将经转换的所述第二信号乘以相位值，以执行相移；以及
通过对乘以所述相位值的经转换的所述第二信号应用二维(2D)快速傅立叶变换来生成所述至少一个对象的所述3D图像。
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