CN114073016A - 多流mimo/波束成形雷达 - Google Patents

多流mimo/波束成形雷达 Download PDF

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Abstract

提供了先进的系统(101、3500)和方法。该先进的系统和方法包括：天线组(3526)，其包括发送天线组和接收天线组；数字波束成形器(3516)；以及处理器(225)，其可操作地连接到该组天线和数字波束成形器，处理器被配置成：识别正交MIMO信号组，经由数字波束成形器生成第一波束组，以及将该组正交MIMO信号映射到所生成的波束组中的每一者。先进的系统和方法还包括：收发器(210)，其可操作地连接到处理器，收发器被配置成：经由该组天线中的该组发送天线向目标场景发送基于第一波束组的第一信号；以及经由该组天线中的该组接收天线接收基于从目标场景反射或反向散射的第二波束组的第二信号。

Description

多流MIMO/波束成形雷达
技术领域
本发明总体上涉及雷达系统技术。更具体地，本发明涉及下一代雷达系统中的多流MIMO/波束成形雷达。
背景技术
在高分辨率雷达(例如汽车应用中)中，4D(四维)球体的超体素(hyper-voxel)的数量很大，而由于所需的帧率，测量时间是有限的。由于可以生成的同时波束的数量和可以同时发送的信号的数量，利用模拟波束成形器的相控阵波束成形具有有限的帧率。
发明内容
在本发明中，提供了用于高分辨率雷达的多流发送和接收方案。本发明提供了用于高分辨率雷达的子带编码OFDM(正交频分复用)。本发明允许在波束或天线之间没有干扰的情况下，在波束成形模式下在多个波束中或者在MIMO(多输入多输出)模式下在多个天线中发送和接收信号。所提供的实施例将获取时间减少MxN倍，其中，M是发送波束(或MIMO层)的数量，N是接收波束(或MIMO层)的数量。
在一个实施例中，提供了一种先进的系统。该先进的系统包括：天线组，其包括发送天线组和接收天线组；数字波束成形器；处理器，其可操作地连接到该组天线和数字波束成形器，处理器被配置成：识别正交多输入多输出(MIMO)信号组，经由数字波束成形器生成第一波束组，以及将该组正交MIMO信号映射到所生成的波束中组的每一者。先进的系统还包括：收发器，其可操作地连接到处理器，收发器被配置成：经由该组天线中的该组发送天线向目标场景发送基于第一波束组的第一信号；以及经由该组天线中的该组接收天线接收基于从目标场景反射或反向散射的第二波束组的第二信号。
在另一实施例中，提供了一种先进的系统的方法。该方法包括：识别正交MIMO信号组；生成第一波束组；将该组正交MIMO信号映射到所生成的波束组中的每一者；向目标场景发送基于第一波束的第一信号；以及接收基于从目标场景反射或反向散射的第二波束组的第二信号。
在又一实施例中，提供了一种非瞬态计算机可读介质。该非瞬态计算机可读介质包括程序代码，该程序代码在由至少一个处理器执行时致使先进的系统：识别正交MIMO信号组；生成第一波束组；将该组正交MIMO信号映射到所生成的波束组中的每一者；向目标场景发送基于第一波束组的第一信号；以及接收基于从目标场景反射或反向散射的第二波束组的第二信号。
从以下附图、描述和权利要求中，其它技术特征对于本领域技术人员来说可以是容易理解的。
在进行下面的具体实施方式之前，阐明贯穿本专利文献使用的某些词语和短语的定义可以是有利的。术语“耦合”及其派生词指代两个或更多个元件之间的任何直接或间接通信，而不管这些元件是否彼此物理接触。术语“发送”、“接收”和“通信”及其派生词涵盖直接和间接通信。术语“包括”和“包含”及其派生词意指包括而没有限制。术语“或”是包括性的，意指和/或。短语“与……关联”及其派生词意指包括、被包括在内、与……互连、包含、被包含在内、连接到或与……连接、耦合到或与……耦合、可与……通信、与……协作、交错、并置、接近、绑定到或与……绑定、具有……的特性、与……具有关系等。术语“控制器”意指控制至少一个操作的任何设备、系统或其一部分。这种控制器可以以硬件或硬件与软件和/或固件的组合来实现。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，无论是本地的还是远程的。当与项目列表一起使用时，短语“……的至少一者”意指可以使用所列项目中的一者或多者的不同组合，并且可能仅需要列表中的一个项目。例如，“A、B和C中的至少一者”包括以下组合中的任何一种：A、B、C、A和B、A和C、B和C、以及A和B和C。
而且，下面描述的各个函数可以由一个或多个计算机程序实现或支持，各个计算机程序由计算机可读程序代码形成并且在计算机可读介质中具体实施。术语“应用”和“程序”指代一个或多个计算机程序、软件组件、指令集、规程、函数、对象、类、实例、相关数据或其适于以合适的计算机可读程序代码实现的部分。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”包括能够由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)或任何其他类型的存储器。“非瞬态”计算机可读介质排除传输暂时性电信号或其它信号的有线、无线、光学或其它通信链路。非瞬态计算机可读介质包括其中数据可以被永久存储的介质和其中数据可以被存储并且稍后被重写的介质，例如可重写光盘或可擦除存储设备。
贯穿本专利文献提供了其它某些词语和短语的定义。本领域的普通技术人员应当理解，在许多(如果不是大多数)情况下，这样的定义适用于这样定义的词语和短语的先前以及将来的使用。
附图说明
为了更完整地理解本发明，参考结合附图所作出的以下描述，附图中：
图1例示了根据本发明的实施例的示例性无线网络；
图2例示了根据本发明的实施例的示例性gNB；
图3例示了根据本发明的实施例的示例性UE；
图4例示了根据本发明的用于成像的示例性2D(二维)虚拟天线阵列；
图5例示了根据本发明的方位角上的示例性合成较大孔径；
图6例示了根据本发明的方位角上的另一示例性合成较大孔径；
图7例示了根据本发明的示例性汽车天线设计；
图8例示了根据本发明的另一示例性汽车天线设计；
图9例示了根据本发明的示例性虚拟2D圆形天线阵列；
图10例示了根据本发明的成像雷达的示例性汽车安装；
图11例示了根据本发明的示例性建筑物内安装和工厂自动化；
图12例示了根据本发明的另一示例性建筑物内安装和工厂自动化；
图13例示了根据本发明的示例性波束成形器照射原理；
图14例示了根据本发明的示例性混合波束成形总体架构；
图15例示了根据本发明的利用OFDM波形的示例性混合波束成形；
图16例示了根据本发明的利用MIMO OFDM波形的示例性混合波束成形；
图17例示了根据本发明的利用虚拟天线阵列的示例性波束成形；
图18例示了根据本发明的示例性发送波束成形；
图19例示了根据本发明的示例性接收波束成形；
图20例示了根据本发明的利用M个天线阵列的示例性接收波束成形；
图21例示了根据本发明的示例性多波束照射和调度；
图22例示了根据本发明的示例性装置；
图23例示了根据本发明的示例性传感器和应用软件；
图24例示了根据本发明的雷达波形的示例性帧结构；
图25例示了根据本发明的示例性图像雷达；
图26例示了根据本发明的示例性波形MIMO/波束成形雷达发送；
图27例示了根据本发明的波束成形模式下的示例性MIMO/BF(波束成形)成像雷达；
图28例示了根据本发明的示例性多流波束成形雷达处理；
图29例示了根据本发明的另一示例性多流波束成形雷达处理；
图30例示了根据本发明的近程和远程雷达的示例性同时操作；
图31例示了根据本发明的示例性距离相关性成像操作；
图32例示了根据本发明的图像形成的示例性几何结构；
图33例示了根据本发明的示例性图像形成算法。
图34例示了根据本发明的毫米波收发器中的每发送路径和接收路径的示例性功率耗散；
图35A例示了根据本发明的示例性4D成像雷达；
图35B例示了根据本发明的示例性天线阵列；
图36例示了根据本发明的示例性总体发送/接收器处理架构；
图37例示了根据本发明的用于雷达波形的示例性频域距离多普勒处理；
图38例示了根据本发明的发送信号、接收信号、循环移位和相加以及随后的累加操作的压缩距离处理的示例性时域表示；
图39例示了根据本发明的用于雷达波形的示例性压缩距离处理；
图40例示了根据本发明的距离处理的示例性计算复杂度；
图41例示了根据本发明的用于AWGN(加性高斯白噪声)信道的距离处理之后的示例性决策统计；
图42例示了根据本发明的用于AWGN信道的距离多普勒处理之后的决策统计的示例性切片；
图43例示了根据本发明的在距离多普勒处理之后的示例性2D距离多普勒图；以及
图44例示了根据本发明的用于多流MIMO/波束成形雷达的方法的流程图。
具体实施方式
下面描述的图1至图14以及在本专利文献中用于描述本发明的原理的各个实施例仅仅是作为说明，而不应以任何方式被解释为限制本发明的范围。本领域技术人员应当理解，本发明的原理可以在任何类型的适当布置的设备或系统中实现。
图1至图3描述了在无线通信系统中并且通过使用正交频分复用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，OFDM)或正交频分多址(Orthogonal FrequencyDivision Multiple Access，OFDMA)通信技术实现的各个实施例。图1至图3的描述不意味着暗示对可以实现不同实施例的方式的物理或架构限制。本发明的不同实施例可以在任何适当布置的通信系统中实现。
图1例示了根据本发明的实施例的示例性无线网络。图1所示的无线网络的实施例仅用于说明。在不脱离本发明的范围的情况下，可以使用无线网络100的其它实施例。
如图1所示，无线网络包括gNB(5G基站)101、gNB 102和gNB 103。gNB 101与gNB102和gNB 103通信。gNB 101还与至少一个网络130(例如互联网、专有互联网协议(InternetProtocol，IP)网络或其他数据网络)通信。在一个实施例中，这些gNB 101-gNB 103可以实现为包括雷达(radar)系统的先进的系统，该雷达系统支持多流MIMO和/或波束成形雷达。
gNB 102为gNB 102的覆盖区域120内的多个第一用户设备(User Equipment，UE)提供对网络130的无线宽带接入。多个第一UE包括：UE 111，其可以位于小型企业(SB)中；UE112，其可以位于企业(E)中；UE 113，其可以位于WiFi热点(HS)中；UE 114，其可以位于第一住宅(R)中；UE 115，其可以位于第二住宅(R)中；以及UE 116，其可以是移动设备(M)(例如蜂窝电话、无线膝上型电脑、无线PDA(个人数字助理)等。gNB 103为gNB 103的覆盖区域125内的多个第二UE提供对网络130的无线宽带接入。多个第二UE包括UE 115和UE 116。在一些实施例中，gNB 101-gNB 103中的一者或多者可以使用5G(第五代)、LTE(长期演进)、LTE-A(先进的长期演进)、WiMAX(全球微波接入互操作性)、WiFi(无线保真)或其它无线通信技术来彼此通信以及与UE 111-116通信。在一个实施例中，这样的UE 111-UE 116可以实现为包括雷达系统的先进的系统，该雷达系统支持多流MIMO(Multiple-input-multiple-output，多输入多输出)和/或波束成形雷达。
根据网络类型，术语“基站”或“BS”可以指被配置成提供对网络的无线接入的任何组件(或组件的集合)(例如发送点(Transmit Point，TP)、发送接收点(Transmit-ReceivePoint，TRP)、增强型基站(eNodeB或eNB)、5G基站(gNB)、宏蜂窝、毫微微蜂窝(femtocell)、WiFi接入点(Access Point，AP)或其他无线使能的设备)。基站可以根据一个或多个无线通信协议来提供无线接入，该无线通信协议例如是5G 3GPP新无线电接口/接入(New Radio，NR)、长期演进(Long Term Evolution，LTE)、先进的LTE(LTE Advanced，LTE-A)、高速分组接入(High Speed Packet Access，HSPA)、Wi-Fi 802.11a/b/g/n/ac等。为了方便起见，术语“BS”和“TRP”在本专利文献中可互换地使用，以指代向远程终端提供无线接入的网络基础设施组件。而且，根据网络类型，术语“用户设备”或“UE”可以指任何组件(例如“移动站”、“用户站”、“远程终端”、“无线终端”、“接收点”或“用户装置”)。为了方便起见，术语“用户设备”和“UE”在本专利文献中用来指代无线地接入BS的远程无线设备，而不管UE是移动设备(例如移动电话或智能电话)还是通常被认为是固定设备(例如台式计算机或自动售货机)。
虚线示出了覆盖区域120和125的大致范围，它们仅出于说明和解释的目的而被示出为大致圆形。应当清楚地理解，与gNB相关联的覆盖区域(例如覆盖区域120和125)可以具有其他形状，包括不规则形状，这取决于gNB的配置以及与自然和人为障碍相关联的无线电环境的变化。
如下面更详细描述的，UE 111-UE 116中的一者或多者包括电路、编程或其组合，其用于先进的无线通信系统中的数据和控制信息的接收可靠性。在某些实施例中，gNB101-gNB103中的一者或多者包括电路、编程或其组合，其用于先进的无线系统中的3D成像、位置确定和定位的高效合成孔径天线阵列设计和波束成形。
尽管图1例示了无线网络的一个示例，但是可以对图1进行各种改变。例如，无线网络可以包括任何合适的布置的任何数量的gNB和任何数量的UE。而且，gNB 101可以与任何数量的UE直接通信，并且向这些UE提供对网络130的无线宽带接入。类似地，各个gNB 102-gNB103可以与网络130直接通信，并且向UE提供对网络130的直接无线宽带接入。进一步地，gNB 101、gNB 102和/或gNB 103可以提供对其他或额外外部网络(例如外部电话网络或其他类型的数据网络)的接入。
图2例示了根据本发明的实施例的示例性gNB 102。图2所例示的gNB 102的实施例仅用于说明，并且图1的gNB 101和gNB 103可具有相同或类似的配置。然而，gNB以各种各样的配置出现，并且图2不将本发明的范围限制于gNB的任何特定实现方式。
如图2所示，gNB 102包括多个天线205a-205n、多个RF(射频)收发器210a-210n、发送(TX)处理电路215和接收(RX)处理电路220。gNB 102还包括控制器/处理器225、存储器230以及回程或网络接口235。
TX处理电路215从控制器/处理器225接收模拟或数字数据(例如语音数据、网络数据、电子邮件或交互式视频游戏数据)。TX处理电路215对输出基带数据进行编码、复用和/或数字化，以生成经处理的基带或IF(中频)信号。RF收发器210a-210n从TX处理电路215接收输出的经处理基带或IF信号，并且将基带或IF信号上变频转换成经由天线205a-205n发送的RF信号。
RF收发器210a-210n从天线205a-205n接收输入RF信号(例如由UE或网络100中的任意其它对象反射的信号)。RF收发器210a-210n对输入的RF信号进行下变频转换，以生成IF或基带信号。IF或基带信号被发送到RX处理电路220，该电路通过滤波、解码、数字化基带或IF信号和/或解压缩或相关来生成经处理的基带信号。RX处理电路220将经处理的基带信号发送到控制器/处理器225，以供进一步处理。
控制器/处理器225可以包括控制gNB 102的整体操作的一个或多个处理器或其他处理设备。例如，控制器/处理器225可以根据公知的原理控制由RF收发器210a-210n、RX处理电路220和TX处理电路215进行的前向信道信号的接收和反向信道信号的发送。控制器/处理器225也可支持额外功能(例如更先进的无线通信功能)。比如，控制器/处理器225可以支持波束成形或定向路由操作，其中，来自多个天线205a-205n的输出信号被不同地加权，以有效地将输出信号引导到期望的方向。控制器/处理器225可以在gNB 102中支持各种各样的其他功能中的任一者。
控制器/处理器225还能够执行驻留在存储器230中的程序和其它进程(例如OS(操作系统))。控制器/处理器225可以根据执行进程的需要将数据移入或移出存储器230。
控制器/处理器225还耦合到回程或网络接口235。回程或网络接口235允许gNB102通过回程连接或通过网络与其他设备或系统通信。接口235可支持通过任何合适的有线或无线连接的通信。例如，当gNB 102被实现为蜂窝通信系统(例如支持5G、LTE或LTE-A的蜂窝通信系统)的一部分时，接口235可允许gNB 102通过有线或无线回程连接与其它gNB通信。当gNB 102被实现为接入点时，接口235可允许gNB 102通过有线或无线局域网或通过到更大网络(例如因特网)的有线或无线连接进行通信。接口235包括支持通过有线或无线连接的通信的任何合适的结构(例如以太网或RF收发器)。
存储器230耦合到控制器/处理器225。存储器230的一部分可以包括RAM，并且存储器230的另一部分可以包括闪存或其他ROM。
尽管图2例示了gNB 102的一个示例，但是可以对图2进行各种改变。例如，gNB 102可以包括任意数量的图2所示的各个组件。作为特定示例，地面站(例如接入点)可以包括多个接口235，并且控制器/处理器225可以支持路由功能，以在不同网络地址之间路由数据。作为另一特定示例，虽然被示出为包括TX处理电路215的单个实例和RX处理电路220的单个实例，但是gNB 102可以包括各个电路的多个实例(例如每个RF收发器一个)。而且，图2中的各个组件可以组合、进一步细分或省略，并且可以根据特定需要添加额外的组件。
图3例示了根据本发明的实施例的示例性UE 116。图3所例示的UE 116的实施例仅用于说明，并且图1的UE 111-UE 115可具有相同或类似的配置。然而，UE以各种各样的配置出现，并且图3不将本发明的范围限制于UE的任何特定实现方式。
先进的通信装置可以指图14、图15和图16中的发送器或接收器阵列，其基于所有功能块提供混合波束成形操作，并且先进的通信装置可以在图2中被实现为基站(BS、gNB)的一部分，或者在图3中被实现为UE。
如图3所示，UE 116包括天线305、射频(Radio Frequency，RF)收发器310、TX处理电路315和接收(RX)处理电路325。UE 116还包括处理器340、输入/输出(Input/Output，I/O)接口(IF)345、触摸屏350、显示器355和存储器360。存储器360包括操作系统(OperatingSystem，OS)361和一个或多个应用362。
RF收发器310从天线305接收由网络100的gNB发送的输入RF信号。RF收发器310对输入的RF信号进行下变频转换，以生成中频(Intermediate Frequency，IF)或基带信号。IF或基带信号被发送到RX处理电路325，该电路通过滤波、解码和/或数字化基带或IF信号和/或解压缩或相关来生成经处理的基带信号。RX处理电路325将经处理的基带信号发送到处理器340，以供进一步处理(例如用于网络浏览数据)。
TX处理电路315从处理器340接收输出基带数据(例如网络数据、电子邮件或交互式视频游戏数据)。TX处理电路315对输出基带数据进行编码、复用和/或数字化，以生成经处理的基带或IF信号。RF收发器310从TX处理电路315接收输出的经处理基带或IF信号，并将基带或IF信号上变频转换成经由天线305发送的RF信号。
处理器340可以包括一个或多个处理器或其他处理设备，并且执行存储在存储器360中的OS 361，以便控制UE 116的整体操作。例如，处理器340可以根据公知的原理控制由RF收发器310、RX处理电路325和TX处理电路315进行的前向信道信号的接收和反向信道信号的发送。在一些实施例中，处理器340包括至少一个微处理器或微控制器。
处理器340还能够执行驻留在存储器360中的其它进程和程序(例如用于波束管理的进程)。处理器340可以根据执行进程的需要将数据移入或移出存储器360。在一些实施例中，处理器340被配置成基于OS 361或者响应于从gNB或操作者接收的信号来执行应用362。处理器340还耦合到I/O接口345，该接口向UE 116提供连接到其它设备(例如膝上型计算机和手持式计算机)的能力。I/O接口345是这些附件与处理器340之间的通信路径。
处理器340还耦合到触摸屏350和显示器355。UE 116的操作者可以使用触摸屏350来将数据录入到UE 116中。显示器355可以是液晶显示器、发光二极管显示器、或能够呈现例如来自网站的文本和/或至少有限的图形的其他显示器。
存储器360耦合到处理器340。存储器360的一部分可以包括RAM，并且存储器360的另一部分可以包括闪存或其它ROM。
尽管图3例示了UE 116的一个示例，但是可以对图3进行各种改变。例如，图3中的各个组件可以组合、进一步细分或省略，并且可以根据特定需要添加额外的组件。作为特定示例，处理器340可以分成多个处理器(例如一个或多个中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)和一个或多个图形处理单元(Graphics Processing Unit，GPU)。而且，虽然图3例示了UE 116被配置成移动电话或智能电话，但是UE可以被配置成作为其他类型的移动或固定设备来操作。
众所周知，尽管CDMA系统简单，但受到干扰和多径色散的影响。
众所周知，OFDM雷达优于调频连续波(Frequency Modulated Continuous-Wave，FMCW)雷达的益处：波形生成简单，这与FMCW和线性调频序列调制相比降低了收发器的复杂度；波形不需要在硬件中生成线性频率；与易受自干扰和多径干扰影响的相位调制信号不同，OFDM波形不具有严格的相位噪声要求，也不会受到多径干扰的影响；并且OFDM理想地适合于MIMO处理。
尽管具有这些益处，但是由于高分辨率雷达需要宽带宽处理，所以高分辨率雷达的OFDM信号生成和处理具有挑战性。76GHz至81GHz的汽车雷达具有1GHz至5GHz的信号带宽，这需要具有大量比特的超过10Gsps的模数转换(Analog-to-Digital Converting，ADC)速率。对于需要几十到几百个信道的3D雷达成像，宽带OFDM雷达系统成本过高。由此可见，市售雷达收发器依赖于FMCW信号。
图4例示了根据本发明的用于成像的示例性2D虚拟天线阵列400。图4所示的用于成像的2D虚拟天线阵列400的实施例仅用于说明。图4所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。也可以在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
图4例示了根据本发明的用于成像的示例性二维(2D)虚拟天线阵列。如图4例示，用于成像的2D虚拟天线阵列包括发送(Tx)天线402和接收(Rx)天线404。在发送器处，执行利用一维(1D)线性阵列的方位角(Azimuth)波束成形，并且在方位角上执行顺序扫描。在接收器处，执行针对垂直分辨率的垂直波束成形。如图4例示，提供64信道到达角(Angles ofArrival，AoA)天线。在一个实施例中，2D虚拟天线阵列可以使用MIMO天线阵列(例如2/4/8个正交信道)。如上所述，2D虚拟天线阵列可以具有以下益处：从N2个路径减少到2N个路径(例如，ADC/DAC的数量少，并且收发器中的功耗低)；天线尺寸减小和天线设计；以及DAC/ADC电路、IF和功耗的相关降低。虚拟天线406可以示出Tx天线402和Rx天线404。
图5例示了根据本发明的方位角上的示例性合成较大孔径500。图5所示的方位角上的合成较大孔径500的实施例仅用于说明。图5所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。如图5所示，方位角上的合成较大孔径500包括Rx天线502和合成天线阵列504。
图6例示了根据本发明的方位角上的另一示例性合成较大孔径600。图6所示的方位角上的合成较大孔径600的实施例仅用于说明。图6所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。如图6所示，方位角上的合成较大孔径600包括Rx天线602和合成天线阵列604。
图5和图6例示了根据本发明的方位角上的示例性合成较大孔径。如图5例示，发送路径的数量从M2N减少到M+MN(M：天线阵列尺寸，N：Rx天线列的数量)。例如，对于M＝8、N＝4，320个路径被减少到40个路径(节省88％)，而对于M＝8、N＝8，512个路径被减少到72个路径(节省86％)。如图5例示，Rx天线502和Tx天线506可以合成为合成天线阵列504。
图6例示了可以提供可调节的垂直视场的方位角上的合成较大孔径。如图6例示，Rx天线602和Tx天线606可以合成为合成天线阵列604。
图7例示了根据本发明的示例性汽车天线设计700。图7所示的汽车天线设计700的实施例仅用于说明。图7所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。如图7所示，汽车天线设计700包括Tx天线701和Rx天线702。
图8例示了根据本发明的另一示例性汽车天线设计800。图8所示的汽车天线设计800的实施例仅用于说明。图8所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。可以在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
图7和图8例示了根据本发明的示例性汽车天线设计。
如图7例示，示出了汽车天线设计(例如77GHz)的64×32虚拟阵列。如图7例示，64×32虚拟阵列包括：Tx的天线面板，其包括方位角上的64个元件和仰角(elevation)上的64个元件阵列；以及Rx的8个垂直阵列。如图7例示，Tx天线701和Rx天线702可以布置成64个元件704。如图7例示，后视镜706可以安装64个元件704。后视镜可以由各个层708组成。
如图8例示，示出了汽车天线设计(例如77GHz)的1024×64虚拟阵列。如图8例示，1024×64虚拟阵列包括：Tx的天线面板，其包括方位角上的128个元件和仰角上的64个元件阵列；以及Rx的8个垂直阵列，其包括仰角上的64个元件。如图8例示的1024×64虚拟阵列可以扩展成包括用于可调节的垂直发射角的两个或更多个Tx天线阵列(行)。
如图8例示，Tx天线801和Rx天线802可以布置成M个元件804。如图8例示，具有保险杠护罩808的汽车保险杠806可以安装M个元件804。
图9例示了根据本发明的示例性虚拟2D圆形天线阵列900。图9所示的虚拟2D圆形天线阵列900的实施例仅用于说明。图9所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。可以在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
图9例示了根据本发明的示例性虚拟2D圆形天线阵列。如图9例示，可以实现杆、灯柱和屋顶安装，以便360度覆盖。如图9例示，圆形天线阵列902包括M个Tx元件和N个Rx元件904。圆形天线阵列902可以配置在杆和灯柱906中。
图10例示了根据本发明的成像雷达的示例性汽车安装1000。图10所示的成像雷达的汽车安装1000的实施例仅用于说明。图10所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。可以在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
图10例示了根据本发明的成像雷达的示例性汽车安装。如图10例示，可以为汽车对象1002提供用于安装成像雷达的多种选择。
图11例示了根据本发明的示例性建筑物内安装和工厂自动化1100。图11所示的建筑物内安装和工厂自动化1100的实施例仅用于说明。图11所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。可以在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
图12例示了根据本发明的另一示例性建筑物内安装和工厂自动化1200。图12所示的建筑物内安装和工厂自动化1200的实施例仅用于说明。图12所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
如图11例示，天线可以沿着2个角安装，用于建筑物内安装和工厂自动化。如图8例示，使用包括天线孔径1的发送(Tx)天线1102来执行发送，并且使用包括天线孔径2的接收(Rx)天线1104来执行接收。在一个实施例中，使用包括天线孔径2的发送(Tx)天线来执行发送，并且使用包括天线孔径1的接收(Rx)天线来执行接收(例如反之亦然)。
如图12例示，可以实现每个孔径一个天线元件。在一个实施例中，孔径1中的天线元件在发送照射房间中的对象的信号的同时沿着x轴移动(例如Tx天线1202)。在这样的实施例中，根据本发明给出的波束成形等式对各个天线元件的信号进行加权。
在一个实施例中，对于孔径1中的各个天线元件位置，孔径2中的天线元件在接收从目标反射的信号的同时沿着y轴移动(例如Rx天线1204)。在这样的实施例中，根据本发明给出的波束成形等式对各个天线元件的信号进行加权。
图13例示了根据本发明的示例性波束成形器照射原理1300。图13所示的波束成形器照射原理1300的实施例仅用于说明。图13所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。可以在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
如图13例示，在发送器处以顺序扫描的方式照射发送波束1302，并且在接收器处同时照射接收波束1304。
图14例示了根据本发明的示例性混合波束成形总体架构1400。图14所示的混合波束成形总体架构1400的实施例仅用于说明。图14所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。可以在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
如图14例示，混合波束成形总体架构1400可以实现为先进的系统，或者混合波束成形总体架构1400可以实现为先进的系统的一个组件。
如图14例示，混合波束成形器电路包括序列生成块1402、调制块1404、数字BF块1406、IF/DAC块1408、以及模拟BF块1410。如图14例示，确定子带预编码(W2)和宽带预编码(W1)。在这种情况下，宽带预编码(W1)被分成如通过下式提供的两部分：
W1＝WDTWA
WA：天线子阵列内的模拟波束成形
WD：子阵列之间的数字波束成形矩阵T：D/A，IF/RF
图15例示了根据本发明的利用OFDM波形的示例性混合波束成形1500。图15所示的利用OFDM波形的混合波束成形1500的实施例仅用于说明。图15所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。可以在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
如图15例示，利用OFDM波形的混合波束成形1500可以实现为先进的系统，或者利用OFDM波形的混合波束成形1500可以实现为先进的系统的一个组件。
如图15例示，利用OFDM波形的混合波束成形器电路包括序列生成块1502、调制块1504、RE(资源元素)映射块1506、IFFT(快速傅里叶逆变换)/CP(循环前缀)块1508、数字BF块1510、IF/DAC块1512和模拟BF块1514。如图15例示，确定子带预编码(W2)和宽带预编码(W1)。在这种情况下，宽带预编码(W1)被分成如通过下式提供的两部分：
W1＝WDTWA
WA：天线子阵列内的模拟波束成形
WD：子阵列之间的数字波束成形矩阵T：D/A，IF/RF
图16例示了根据本发明的利用MIMO OFDM波形的示例性混合波束成形1600。图16所示的利用MIMO OFDM波形的混合波束成形1600的实施例仅用于说明。图16所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。可以在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
如图16例示，利用MIMO OFDM波形的混合波束成形1600可以实现为先进的系统，或者利用MIMO OFDM波形的混合波束成形1600可以实现为先进的系统的一个组件。
如图16例示，利用OFDM波形的混合波束成形器电路1600包括序列生成块1602、层映射块1604、子带预编码块1606、资源元素映射块组1608、1610、IFFT/CP块组1612、1614、数字BF块1610、IF/DAC块1618、以及模拟BF块1620。
如图16例示，利用MIMO OFDM波形的混合波束成形器电路包括序列生成和调制块、层映射块、子带预编码块、多个RE映射块、多个IFFT/CP块、数字BF块、IF/DAC块和模拟BF块。如图13例示，确定子带预编码(W2)和宽带预编码(W1)。在这种情况下，宽带预编码(W1)被分成如通过下式提供的两部分：
W1＝WDTWA
WA：天线子阵列内的模拟波束成形
WD：子阵列之间的数字波束成形矩阵T：D/A，IF/RF
图17例示了根据本发明的利用虚拟天线阵列的示例性波束成形1700。图17所示的利用虚拟天线阵列的波束成形1700的实施例仅用于说明。图17所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。可以在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
如图17例示，利用虚拟天线阵列的波束成形使用N个Rx元件1702和M个Tx元件1704来执行。
图18例示了根据本发明的示例性发送波束成形1800。图18所示的发送波束成形1800的实施例仅用于说明。图18所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。可以在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
如图18例示，Tx波束成形电路包括多个基带信号输入1802、加法器块组1804、1806和连接到多个Tx天线阵列(M，2)元件的IF/DAC块1808。在图18中，假设考虑具有数字波束成形器的简单天线阵列。
图19例示了根据本发明的示例性接收波束成形1900。图19所示的接收波束成形1900的实施例仅用于说明。图19所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
如图19例示，Rx波束成形电路包括多个Rx天线阵列(N，2)1902和IF/ADC块1904，其包括要使用加法器组1906、1908相加以生成基带信号的多个输出信号。在图19中，假设考虑具有数字波束成形器的简单天线阵列。
图20例示了根据本发明的利用M个天线阵列的示例性接收波束成形2000。图20所示的利用M个天线阵列的接收波束成形2000的实施例仅用于说明。图20所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
如图20例示，利用M个天线阵列的Rx波束成形电路包括多个Rx天线阵列(N，2)2002、IF/ADC块2010，其包括要使用加法器组2004、2006相加以生成基带信号的多个输出信号。在图20中，假设考虑具有数字波束成形器的简单天线阵列。
图21例示了根据本发明的示例性多波束照射和调度2100。图21所示的多波束照射和调度2100的实施例仅用于说明。图21所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
如图21例示，在仰角和方位角上确定多波束照射和调度。如图21例示，Tx的方位角上的多波束照射包括数字BF或巴特勒(Butler)矩阵。如图21例示，实际上从天线2106对目标场景2102照射2、4或8个同时波束。对于多个方位角和仰角同时执行接收器处理。在这种情况下，接收器可以处理仰角上的整个视场(Field-of-View，FoV)2104。如图21例示，波束调度基于配置参数来确定方位角和/或仰角。在这种情况下，可以基于先前的结果(例如跟踪某些区域中的对象)来动态地调节波束调度。
图22例示了根据本发明的示例性装置2200。图22所示的装置2200的实施例仅用于说明。图22所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
如图22例示，装置2200可以实现为先进的系统，或者装置2200可以实现为先进的系统的一个组件。
如图22例示，装置包括5G调制解调器2250、毫米波成像传感器2202和先进的驾驶辅助系统(Advanced Driver Assistance System，ADAS)/自主车辆(Autonomous Vehicle，AV)中央处理器2228。ADAS/AV中央处理器2228可以通过网络(例如以太网)与毫米波成像传感器2202连接。ADAS/AV中央处理器2228还连接到调制解调器(例如5G)2250，该调制解调器连接到毫米波成像传感器2202。ADAS/AV中央处理器2228可与显示器2252和/或包括至少一个外围设备的计算机(例如终端、设备等)2254连接。ADAS/AV中央处理器2228还可以与可在外部设备和/或对象(例如车辆)中实现的另一处理器(例如控制器)连接。
装置的毫米波成像传感器2202包括：天线块2204，其包括天线阵列2206；收发器块2208，其包括滤波器2210、功率放大器(Power Amplifier，PA)2212、低噪声放大器(LowNoise Amplifier，LNA)2214、模数转换器/数模转换器(ADC/DAV)2216、以及数字BF 2218；以及片上系统(System on Chip，SoC)块2220，其包括3D成像调制解调器2222、核心后处理传感器融合2224和相机2226。
装置的ADAS/AV中央处理器2228包括图像处理块2230、CPU 2232、GPU计算机视觉/机器学习(Machine Learning，ML)2234、内部存储器2236、结构(fabric)2238、视频编解码器H.264 2226、连接性CAN(控制器局域网)/SAR(合成孔径雷达)以太网2242、安全块2244、外部存储接口2240和系统控制块2248。
图23例示了根据本发明的示例性传感器和应用软件2300。图23所示的传感器和应用软件2300的实施例仅用于说明。图23所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
如图23例示，包括波束图型2302、传感器、3D成像调制解调器2304、收发器和天线阵列2308(例如2306所示的细节结构)的装置以及在COTS(商用现货)硬件2312上实现的应用软件2310被配置用于传感器融合、拼接、计算机视觉、机器学习、3D地图生成、数据聚合和系统控制。
图24例示了根据本发明的雷达波形的示例性帧结构2400。图24所示的雷达波形的帧结构2400的实施例仅用于说明。图24所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
图24示出了数字雷达波形的帧结构。“时隙”2402由循环前缀(Cyclic Prefix，CP)、通过对一个或多个CAZAC(恒定幅度零自相关)序列进行DFT(离散傅里叶变换)扩展而生成的多个OFDM符号、以及保护时间(Guard Time，GT)组成。GT根据所需的序列长度和目标场景的感兴趣距离来添加。在格式1中，仅示出了一个序列周期。时隙形成子帧组2404。子帧形成帧组2406。
距离处理执行接收的OFDM符号相对于发送的编码信号的相关处理，随后是OFDM符号在时隙内的相干累加。OFDM符号长度被确定为子载波间隔的倒数，而时隙长度被设置在信道相干时间内。作为示例，对于具有500kHz子载波间隔的2GHz RF带宽，FFT(快速傅里叶变换)尺寸是4096点，OFDM符号长度是2微秒，并且对于速度350kmph和175kmph，信道相干时间分别是8微秒和16微秒。
多个时隙构成子帧，子帧用于多普勒处理。各个子帧信号照射其天线覆盖区(或扫描雷达中的波束)内的目标，这导致反射。视场内目标场景的完全照射产生帧。多次扫描目标场景，这导致10帧每秒到60帧每秒的帧率。
图25例示了根据本发明的示例性图像雷达2500。图25所示的图像雷达2500的实施例仅用于说明。图25所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。可以在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
如图25例示，图像雷达2500包括Rx天线阵列2502、目标场景2504、和Tx天线阵列2506。
在常规的雷达成像中，各个波束可顺序地扫描感兴趣的目标场景。在2D成像中，用窄波束照射目标，该窄波束用窄发送波束照射区域。对于各个照射区域，接收器顺序地扫描目标区域并估计到达角。在模拟波束成形中，通常由于所需的硬件复杂度而生成单个波束。在高分辨率成像中，要扫描的角度仓(angle bin)的数量是几百到几千个点，这需要长的获取时间来生成点云图像。
对于各个驻留，通过天线照射目标场景，并且处理来自Rx天线的接收信号，以便成像。
图26例示了根据本发明的示例性波形MIMO/波束成形雷达发送2600。图26所示的波形MIMO/波束成形雷达发送2600的实施例仅用于说明。图26所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。可以在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
图26示出了用于MIMO/波束成形雷达发送的波形。MIMO/波束成形雷达波形由编码的数字波形生成，该编码的数字波形在OFDM雷达波形的情况下通过在频域中对信号进行编码而生成或者在相位调制雷达的情况下通过在时域中对信号进行编码而生成。“签名”2602表示来自正交CAZAC序列的时隙信号。签名由数字波束成形器或混合波束成形器进行波束成形，该混合波束成形器是数字波束成形器和模拟波束成形器的组合。在波束成形之后，同时发送映射到波束2604的多个信号流，其中，各个波束照射目标场景的一部分。如图26例示，通过数字BF 2606、IF/DAC 2608和模拟BF 2610来处理签名2602和波束2604。
图27例示了根据本发明的波束成形模式下的示例性MIMO/BF成像雷达2700。图27所示的波束成形模式下的MIMO/BF成像雷达2700的实施例仅用于说明。图27所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。可以在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
利用数字波束成形同时生成多个波束。因此，可以在每次扫描中获得多个点。在发送器处，使用Tx天线阵列2706生成多个波束，利用各个波束照射目标场景的一个或多个部分。实际上，来自这些波束的信号彼此干扰，这引起波束间干扰。这在所产生的图像中表现为伪影。在接收器处，通过目标场景2704在Rx天线阵列2702处接收信号。
在本发明中，将通过DFT扩展OFDM生成的多个CAZAC序列映射到不同的波束。根据以下两种方法将所述序列映射到各个波束。
在一个实施例中，将多个根(root)CAZAC序列映射到各个波束。这确保了相关处理之后的接收信号具有低自相关值，这使波束间干扰最小化。
在另一个实施例中，通过对根CAZAC序列进行循环移位来生成具有零自相关特性的正交CAZAC序列。将这些序列映射到各个波束。
在多个波束上同时发送多个序列。在接收器处，为各个波束实现对应于多个序列的多个相关器。接收器可处理多达M×N个相关器，其中，M是发送波束的数量(＝CAZAC序列的数量)，N是接收波束的数量。
在一个示例中，其中，M＝N＝4，同时发送4个波束。在接收器处，实现了对4个波束的空间处理，各个波束计算4个CAZAC序列的相关。该方法对于各个驻留时间生成16个点云点，这将获取时间减少16倍。
图28例示了根据本发明的示例性多流波束成形雷达处理2800。图28所示的多流波束成形雷达处理2800的实施例仅用于说明。图28所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。可以在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
如图28例示，多流波束成形雷达处理2800可以实现为先进的系统，或者多流波束成形雷达处理2800可以实现为先进的系统的一个组件。
序列生成、映射和波束成形处理的细节在图28中示出。图28例示了利用多波束发送的数字波束成形。
如图28例示，多流波束成形雷达包括CAZAC序列组2802、DFT块2804、复数共轭块2806、子载波映射2808、IFFT块2810、CP/GT插入块2812、数字Tx波束成形器块2814、DAC块2816、ADC块2818、Rx波束成形器块2820、块组2822(分别包括CP去除块2824、FFT块2826、复数乘法块2828、IFFT块2830和多普勒DFT块2832)、CFAR(constant false alarm rate，恒虚警率)检测器块2834和算术块2836。
在混合波束成形中，在ADC之后在RF中实现利用移相器的模拟波束成形。将数字波束成形器的输出信号映射到天线端口，天线端口进一步用具有移相器的模拟波束成形器进行波束成形。
在一些实施例中，对于M个发送路径和N个接收路径，点云的获取时间减少MxN。
在MIMO模式下，多个天线照射整个视场内的目标场景。
图29例示了根据本发明的另一示例性多流波束成形雷达处理2900。图29所示的多流波束成形雷达处理2900的实施例仅用于说明。图29所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。可以在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
将CAZAC序列映射到MIMO配置中的各个天线端口。图29中示出了多流MIMO雷达的框图。
如图29例示，多流波束成形雷达处理2900可以实现为先进的系统，或者多流波束成形雷达处理2900可以实现为先进的系统的一个组件。
如图29例示，多流波束成形雷达包括CAZAC序列组2902、DFT块2904、复数共轭块2906、子载波映射2908、IFFT块2910、CP/GT插入块2912、DAC块2914、ADC块2916、块组2918(分别包括CP去除块2920、FFT块2922、复数乘法块2924、IFFT块2926和多普勒DFT块2928)、特殊处理块2930、CFAR检测器块2932和算术块2934。
将通过DFT扩展OFDM生成的多个正交CAZAC序列映射到天线端口。在接收器中，对于各个天线端口实现距离/多普勒处理。在距离/多普勒处理之后，空间处理从多个天线端口取得数据，并根据距离聚焦图像。空间聚焦将距离相关的校正因子应用于距离/多普勒压缩数据。在一个实施例中，可以应用具有FFT的计算上高效的图像聚焦算法，如前述实施例所示。
图30例示了根据本发明的近程和远程雷达的示例性同时操作3000。图30所示的短程和远程雷达的同时操作3000的实施例仅用于说明。图30所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。可以在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
对于靠近发送天线的对象，接收的SINR(信号噪声干扰比)较高。用大视场(照射高达170°的宽视场)发送多个MIMO流。
如图30例示，汽车3008在近程3002、中程3004和远程3006中发送波束。
在一个实施例中，对于同时的近程和远程操作，MIMO和波束成形模式发送和接收应用交替的驻留时间。在偶数子帧编号处，发生MIMO发送和接收。在奇数子帧编号处，发生波束成形发送和接收。
在一个实施例中，对于同时的近程、中程和远程操作，MIMO、MIMO和波束成形以及波束成形发送/接收在子帧内顺序地应用。
在一个实施例中，在接收器处，在距离/多普勒处理之后对目标距离执行空间处理。
图31例示了根据本发明的示例性距离相关性成像操作3100。图31所示的距离相关性成像操作3100的实施例仅用于说明。图31所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。可以在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
图31示出了距离相关性成像操作的原理。在距离多普勒处理之后应用取决于距离的不同空间处理。
图32例示了根据本发明的图像形成的示例性几何结构3200。图32所示的图像形成的几何结构3200的实施例仅用于说明。图32所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。可以在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
如图32例示，天线阵列3202将信号发送到目标场景3204。
在一个实施例中，数字成像模块执行计算成像操作(例如图像形成算法，以确定目标反射率，该反射率是入射到目标的信号(例如电磁或光信号)中从目标反射的部分)。数字成像模块因此使用图像形成算法来计算具有坐标(x，y，r)的体素(体积像素)，以生成由本发明的3D成像传感器照射的远场场景的3D图像。使用反射率密度为ρ的2D快速傅里叶变换来计算(x，y，r)坐标，反射率密度是每个无穷小体积dζdηdr撞击在目标片段上的信号的反射。因此，目标的选择性密度可以建模为三个变量的函数(ζ，η)，如将在下面讨论的。
图像形成算法还对由远场场景反射或反向散射的反射的发送信号的结果相移进行调节。该调节减小或显著地消除了发送信号在被阵列的能量发射元件发射到远场场景、被场景反射或反向散射并被阵列的一个或多个能量检测器元件接收之后所经历的结果相移。
在一个实施例中，还通过图像形成算法通过对目标的反射率密度执行2D FFT，来计算对于各个调节的(x，y)坐标集关联的坐标r的值，由3D成像传感器发送的信号从该目标反射。因此，对于所计算的r的各个值(即，r＝R1、R2、R3、...、RN)，对于特定(x，y)坐标，存在可以由本发明的3D成像传感器计算的对应体素(x，y，R1)、(x，y，R2)，因此生成远场场景的3D图像。坐标r表示具有坐标(x，y)的对应能量检测器元件(检测反射的发送信号的元件)与由阵列发射的发送信号照射的远场场景的目标点之间的距离。发送的信号被目标点反射(或反向散射)，然后被阵列中坐标为(x，y)的一个或多个能量检测器元件检测。
对于该特定坐标集，本发明的3D成像传感器在生成被照射的远场场景的3D图像的过程中针对不同的r值(r＝R1、r＝R2、r＝R3...)计算r值。因此，所得体素具有坐标(x，y，R1)、(x，y，R2)、(x，y，RN)，其中，N是等于1或更大的整数。
在一个实施例中，发送信号包括由MIMO处理的频域PN(伪噪声)序列调制的数字波束成形的正交数字波形(例如正交MIMO信号)，所述数字波束成形的正交数字波形被转换成模拟波形信号，该模拟波形信号被使得调制能量源，这产生调制信号，该调制信号然后进行模拟波束成形，以获得施加到阵列的一个或多个能量发射器元件的发送信号。模拟波束成形的操作包括将信号直接施加到阵列的元件，以向该元件提供某一相位值。元件的相位不变，直到不再施加信号(例如电压、电流)为止。
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，并解调接收的信号，以从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，以生成反射发送信号的对象、结构或整体场景的一个或多个3D图像。场景的对象、结构或其他项目位于相对于阵列的远场中。
计算成像包括至少一个图像形成算法，该至少一个图像形成算法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送信号所经历的结果相移进行调节，并且用于通过使用对信号执行的2D FFT操作来生成所接收的反射或反向散射信号的3D图像。特别地，检测所接收的发送信号，并且通过解调来取回基带信号。然后通过使用模数转换器将该信号转换成数字信号。然后对数字信号执行2D FFT操作，以生成由3D成像传感器照射的远场中的场景的3D图像。
该3D图像基于被照射的场景中的对象、结构或其他项目的目标位置的照射。显然，各个目标位置不必具有相同的距离。阵列的能量检测器元件与目标位置之间的距离可以变化，并且最经常地对于不同的目标位置变化。例如，距离对于第一目标位置可以是R，然后对于另一位置变成R1，然后对于又一位置变成R2。坐标(x，y)和计算的(r)坐标产生(x，y，r)坐标，该坐标表示由来自本发明的3D成像传感器的发送信号照射的对象的目标的3D图像的体素(体积像素)。因此获得了对象的3D图像。
图33例示了根据本发明的示例性图像形成算法3300。图33所示的图像形成算法3300的实施例仅用于说明。图33所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
如图33例示，使用DFFT(离散快速傅里叶变换)3302来生成输出信号。
在近程成像的一个实施例中，对于发送，提供了具有4层的MIMO发送，并且对于接收，提供了具有4层的MIMO接收，随后是根据近场图像形成算法的距离相关的空间处理，如前述实施例所示。
在中程成像的一个实施例中，对于发送，提供了具有每波束2层的波束成形发送的MIMO，并且对于接收，提供了具有每波束2层的MIMO接收，随后是接收波束成形。
在远程成像的一个实施例中，对于发送，提供了具有单层发送的波束成形，并且对于接收，提供了每个波束的单层接收波束成形。
在本发明中，提供了用于高分辨率雷达的多流发送和接收方案。本发明允许在波束成形模式下在多个波束中或者在MIMO(多输入多输出)模式下在多个天线中发送和接收信号，而在波束或天线之间没有干扰。本发明将获取时间减少MxN倍，其中，M是发送波束(或MIMO层)的数量，N是接收波束(或MIMO层)的数量。本发明提供了可以应用于汽车应用中的高分辨率成像雷达(其中，需要大量的信道和帧率)的实施例。
MIMO雷达对于SINR较大的近场成像应用很有前景。本发明允许在距离/多普勒处理之后的一般图像聚焦算法，这允许没有伪像的高分辨率图像。
对于M＝N＝4，与扫描模拟Tx/Rx波束的常规方法相比，可以减少16倍的获取时间，或者在没有4流发送的多个波束的情况下，可以减少4倍。
下一代雷达系统技术包括新的波形(例如正交频分复用(OFDM)和码分多址(CDMA)；具有数字波束成形的多输入多输出(MIMO)天线；3D/4D成像；以及同时通信和雷达)。
众所周知，尽管CDMA系统简单，但它会受到干扰和多径色散的影响，并且易受相位噪声的影响。OFDM雷达优于FMCW雷达的益处是众所周知的。
在这样的雷达系统中，波形生成简单，这与FMCW和线性调频序列调制相比降低了收发器的复杂度。在这样的雷达系统中，波形不需要在硬件中生成线性频率。在这样的雷达系统中，与易受自干扰和多径干扰影响的相位调制信号不同，OFDM波形不具有严格的相位噪声要求，也不会受到多径干扰的影响。在这样的雷达系统中，OFDM理想地适合于MIMO处理。
尽管具有这些益处，但是由于高分辨率雷达需要宽带宽处理，所以高分辨率雷达的OFDM信号生成和处理具有挑战性。76GHz至81GHz的汽车雷达具有1GHz到5GHz的信号带宽，这需要具有大量比特的超过10Gsps的ADC速率。
12比特10Gsps ADC的成本为约$3650。对于需要几十到几百个信道的3D雷达成像，宽带OFDM雷达系统成本过高。由此可见，市售雷达收发器依赖于FMCW信号。
图34例示了根据本发明的毫米波收发器中的每发送路径和接收路径的示例性功率耗散3400。图34所示的毫米波收发器中的每发送路径和接收路径的功率耗散3400的实施例仅用于说明。图34所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
另一个考虑是功耗。图34中示出了现有技术毫米波OFDM系统的功耗分析。
如图34例示，PA和RF-ADC分别占发送路径和接收路径中的功率耗散的67％和55％。低功率PA和更简单的ADC设计在收发器设计中是关键的。如图34例示，提供了每个发送路径的功率耗散(例如图34(a))和每个接收路径的功率耗散(例如图34(b))。
在一个实施例中，提供了一种用于具有聚合的子信道编码的OFDM的方案。在这样的实施例中，对于高效的多流MIMO/波束成形雷达，如可以由先进的系统执行的，用于具有聚合的子信道编码的OFDM的方案保留了宽带OFDM系统的性能益处，同时降低了与宽带宽信号相关联的复杂度。
OFDM系统需要实时实现FFT/IFFT。对于具有高达5GHz带宽的宽带雷达，高距离分辨率要求信号以0.5ns、0.25ns或更快的采样速率来处理。
具有高达300米距离的汽车应用需要每2微秒计算距离处理。在发送器处，可以针对DAC和调制预先计算时域信号，使得在实时计算中可能不存在问题。
然而，对于接收器，对于2GHz和4GHz带宽，每个路径分别需要4K和8K FFT/IFFT以及后面跟随有CFAR检测的复数乘法。虽然接收器的复杂度低于时域PM(位置调制)雷达，但是引起用于实时实现现有技术的现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)的显著的计算负担。
在常规雷达中，“拉伸处理”用于距离处理，以降低信号处理要求。“拉伸处理”使用更长的时间帧来扫描雷达带宽，这减慢发送/接收器处理操作。然而，该方法不适用于序列长度和所需距离相当的汽车雷达。“拉伸处理”将减小雷达系统的最大距离。
在一个实施例中，利用具有循环相关特性的CAZAC波形，提供了一种计算上高效的接收器，以对于FGPA和ASIC上的实时实现将距离处理的计算复杂度降低15倍以上。
图35A例示了根据本发明的示例性4D成像雷达3500。图35所示的4D成像雷达3500的实施例仅用于说明。图35所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。可以在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
如图35A例示，成像雷达3500可以实现为先进的系统，或者成像雷达3500可以实现为先进的系统的一个组件。
如图35A例示，4D成像雷达3500包括PN序列生成器块3502、DFT块3504、MIMO码字映射块3506、层映射块3508、MIMO预编码块3510、RE映射块组3512、IFFT/CP块组3514、数字BFTx块3516、DAC块3518、能量源3520、调制器块3522、模拟块组3524、Tx和Rx天线块3526、能量检测和解调块3528、ADC块3530、加法器块3532、2D FFT块3534、加法器块3536、复数共轭器块3538、DFT块3540、IFFT块3542、算术块3544、阈值块3546、后处理块3548、跟踪块3550和查找表块3552。
图35B例示了根据本发明的示例性天线阵列3526。图35B所示的天线阵列3526的实施例仅用于说明。图35B所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。可以在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
如图35B例示，天线阵列3526包括天线阵列组3526A、3526B。
如图24例示，例示了数字雷达波形的帧结构。“时隙”由循环前缀(CP)、通过对一个或多个CAZAC序列进行离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)扩展而生成的多个OFDM符号、以及保护时间(GT)组成。GT基于所需的序列长度和目标场景的感兴趣距离来添加。
在时隙中存在多个序列周期，各个序列周期包括OFDM符号。
距离处理执行接收的OFDM符号相对于发送的编码信号的相关处理，随后是OFDM符号在时隙内的相干累加。
OFDM符号长度被确定为子载波间隔的倒数，而时隙长度被设置在信道相干时间内。作为示例，对于具有500kHz子载波间隔的2GHz RF带宽，FFT尺寸是4096点，OFDM符号长度是2微秒，并且对于速度350kmph和175kmph，信道相干时间分别是8微秒和16微秒。
多个时隙构成子帧，子帧用于多普勒处理。各个子帧信号照射其天线覆盖区(或扫描雷达中的波束)内的目标，这导致反射。视场内目标场景的完全照射产生帧。多次扫描目标场景，这导致10帧每秒到60帧每秒的帧率。
图36例示了根据本发明的示例性总体发送/接收器处理架构3600。图36所示的总体发送/接收器处理架构3600的实施例仅用于说明。图36所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。可以在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
如图36例示，发送/接收器处理架构3600可以实现为先进的系统，或者发送/接收器处理架构3600可以实现为先进的系统的一个组件。
如图36例示，发送/接收器处理架构3600包括Tx天线3602、Rx天线3604、LPF(低通滤波器)3606、3610、LO块3608、DAC块3612、ADC块3620、IFFT块3614、FFT块3622、子载波映射块3616、逐元件操作块3624、DFT块3618、复数共轭块3626、IFFT块3628和慢时间FFT块3630。图36中示出了DFT扩展OFDM雷达波形的发送器和接收器架构。CAZAC序列变换成频域信号，以用于DFT。频域CAZAC序列映射到以零频率为中心的子载波，并且变换回时域信号。DFT扩展雷达信号转换成模拟信号，并且传递到低通滤波器(Low Pass Filter，LPF)和IQ混频器、PA，并通过Tx天线发送。在接收器处，来自Rx天线的信号解调和滤波，然后由ADC转换成基带信号。
在频域中实现了距离处理：通过FFT将接收的基带信号转换到频域，乘以原始CAZAC序列的DFT版本的复数共轭，随后通过IFFT进行时域转换，这给出对应于各个距离仓的相关输出。
通过对各个距离仓的相关输出进行FFT来应用多普勒处理，这产生2维距离多普勒图。
在实现方式中，由于信号是预先计算并存储在存储器中的，因此显著降低了实时处理要求。
在发送器处，预先计算IFFT之后的DFT扩展OFDM波形并将其存储在存储器中。对于接收器处理，预先计算作为DFT扩展CAZAC序列的复数共轭的参考信号并将其存储在存储器中，并且在距离处理中使用。实时处理是在接收器距离和多普勒处理中。特别地，距离处理是数字雷达中最具挑战性的部分。
图37例示了根据本发明的用于雷达波形的示例性频域距离多普勒处理3700。图37所示的用于雷达波形的频域距离多普勒处理3700的实施例仅用于说明。图37所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。可以在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
如图37例示，用于雷达波形的频域距离多普勒处理3700可以实现为先进的系统，或者用于雷达波形的频域距离多普勒处理3700可以实现为先进的系统的一个组件。
对于OFDM系统，对于时隙内的符号需要进行多重相关计算。图37示出了本发明所提供的雷达波形的距离多普勒处理的详细框图。
对于汽车雷达，通过信号返回的双向多普勒确定子载波间隔。在典型的环境中，OFDM符号长度是2微秒，并且基于可以是4到8的信道相干时间来设置时隙内的OFDM符号的数量。FFT尺寸对于2GHz和4GHz的RF带宽分别为4K和8K。利用这种信号结构，每2微秒OFDM符号重复多次FFT/复数乘法/IFFT计算。这导致了大的门数和巨大的功耗。
如图37例示，频域距离多普勒处理架构包括DFT块3702、子载波映射块3704、IFFT块3706、重复块3708、CP/GT插入块3710、DAC块3712、复数共轭块3714、ADC块3716、CP去除块3718、FFT块3720、复数乘法块3722、IFFT块3724、多普勒DFT块3726、CFAR检测器块3728和算术块3730。
图38例示了根据本发明的发送信号、接收信号、循环移位和相加以及随后的累加操作的压缩距离处理的示例性时域表示3800。图38所示的时域表示3800的实施例仅用于说明。图38所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。可以在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
在一个实施例中，利用信号的线性和周期性相关特性，提供了计算上高效的接收器处理(例如压缩距离处理)。图38例示了压缩距离处理中的OFDM时隙的时域信号处理。
图38示出了发送信号、接收信号、循环移位和相加以及随后的累加操作的压缩距离处理的时域表示。落入时隙的GT中的接收信号以信号的长度(NFFT×Nsymbol)循环移位，随后是时隙内OFDM符号的逐样本累加。
如图38例示，发送器3802发送CAZAC序列，接收器3804接收CAZAC序列。
在步骤1的这种实施例中，从基带接收器，从接收信号中去除循环前缀。
在步骤2的这种实施例中，从落入保护时间的接收信号中取得最后NFFT个样本。
在步骤3的这种实施例中，将NFFT个样本加到信号的开头。
在步骤4的这种实施例中，OFDM符号的逐样本累加在时隙内。
在步骤5的这种实施例中，将累加的符号长度信号转换到频域，以进行NFFT距离处理。
图39例示了根据本发明的用于雷达波形的示例性压缩距离处理3900。图39所示的用于雷达波形的压缩距离处理3900的实施例仅用于说明。图39所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。可以在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
如图37例示，用于雷达波形的压缩距离处理3900可以实现为先进的系统，或者用于雷达波形的压缩距离处理3900可以实现为先进的系统的一个组件。
如图39例示，测距处理操作包括DFT块3902、复数共轭块3904、IFFT块3906、复数乘法块3908、FFT块3910、加法符号数据块3912以及循环移位和相加块3914。
图39中示出了压缩距离处理的框图。
图39示出了雷达波形的压缩距离处理。频域相关(FFT，复数乘法，随后是IFFT)每个时隙计算一次，而不是每个OFDM符号计算一次。
在一个实施例中，与常规的线性频域相关相比，提供了一种简化方案，以便以两种方式来降低复杂度。
在一个实施例中，通过将多个OFDM符号压缩成单个累加的OFDM符号，复杂度降低了Nsymbol，同时处理时间从Nsymbol延长。
在一个示例中，每18微秒而不是每2微秒需要1个频域相关(例如，FFT/复数乘法/IFFT)。
需要NFFT点FFT/复数乘法/IFFT，而不是线性相关中所需的2xNFFT点FFT处理。
图40例示了根据本发明的距离处理的示例性计算复杂度4000。图40所示的距离处理的计算复杂度4000的实施例仅用于说明。图40所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。可以在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
图40示出了常规频域距离处理与本发明所提供的压缩距离处理的计算复杂度的比较。
图40示出了距离处理的计算复杂度的比较，示出了与一般频域方法相比的复杂度的16倍降低(时域处理对于时隙的距离处理需要134217728次乘法和536870912次乘法，这与所提出的方法相比需要1000倍的复数乘法-加法。)
表1示出了用于性能评估的系统参数。RF带宽假设为2GHz。
图41例示了根据本发明的用于AWGN信道的距离处理之后的示例性决策统计4100。图41所示的用于AWGN信道的距离处理之后的决策统计4100的实施例仅用于说明。图41所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。可以在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
表1.用于模拟的系统参数
Figure BDA0003430255710000261
Figure BDA0003430255710000271
图42例示了根据本发明的用于AWGN信道的距离多普勒处理之后的决策统计的示例性切片4200。图42所示的用于AWGN信道的距离多普勒处理之后的决策统计的切片4200的实施例仅用于说明。图42所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。可以在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
图42示出了使用本发明所提供的压缩距离处理计算的距离处理之后的结果。平均距离旁瓣相对于信号的峰值约为-34dB。
图42示出了在本发明所提供的压缩距离处理算法之后的距离多普勒处理之后的信号切片。在顶部和底部的图中示出了距离切片和多普勒切片。峰值距离旁瓣和平均距离旁瓣分别大约为-50dB和-58dB。峰值多普勒旁瓣和平均多普勒旁瓣分别为-50dB和-62dB。
图43例示了根据本发明的在距离多普勒处理之后的示例性2D距离多普勒图4300。图43所示的在距离多普勒处理之后的2D距离多普勒图4300的实施例仅用于说明。图43所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。可以在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
图43示出了在经过压缩距离处理且随后多普雷处理之后的二维距离多普勒图，演示了高分辨率雷达所需的尖锐距离多普勒模糊函数。
本发明所提供的压缩距离处理循环地将来自GT的数据添加到接收信号的第一符号。由于相加，结果信号的噪声方差从Nsymbol s2增加到(Nsymbol+1)s2(其中，s2是接收的复基带信号的噪声方差)，这增加了1/Nsymbol。对于所分析的系统参数，这是0.5dB，这导致SINR降低0.5dB。
在本发明中，提供了计算上高效的雷达接收器架构，用于利用CAZAC序列编码实时实现OFDM雷达。本发明所提供的压缩距离处理使用循环加法和符号累加处理，这导致用于利用现有技术FPGA/DSP硬件或低功率、低复杂度ASIC实现方式的高效实时实现的复数FFT/复数乘法/IFFT处理的急剧减少。
在前述实施例中，与现有技术的高效频域距离处理算法相比，复杂度降低了高达16倍。与常规PM雷达的时域处理相比，计算复杂度节省1000倍以上。
本发明可通过在接收器处按每个信道进行处理而直接应用于具有MIMO和波束成形的4D成像雷达。本发明可以应用于时域雷达码(例如PM编码雷达)，只要基础PM雷达波形具有类似的帧结构并且该码拥有循环相关特性即可。
在本发明的一个实施例中，3D成像传感器包括发送器、接收器以及耦合到发送器和接收器的阵列，所述阵列具有一个或多个能量发射器元件和能量检测器元件，其中，阵列被配置成发射由发送器生成的发送信号。
在这样的实施例中，发送信号包括由MIMO处理的频域PN序列调制的数字波束成形的正交数字波形，所述数字波束成形的正交数字波形被转换成模拟波形信号，该模拟波形信号被使得调制能量源，这产生调制信号(即调制的能量)，该调制信号进行模拟波束成形，以获得施加到阵列的一个或多个能量发射器元件的发送信号。
接收器被配置成使用计算成像执行操作，该计算成像至少包括图像形成算法，以生成由本发明的3D成像传感器照射的远场场景的3D图像。图像形成算法首先对从3D成像传感器发送并被远场场景反射或反向散射的信号所经历的结构相移进行调节。进一步地，图像形成算法执行反射信号的反射率密度的2D FFT，以生成从其反射或反向散射发送信号的场景的3D图像。
现在参考图35，示出了本发明的另一实施例。尽管未示出，图35的实施例也可由处理器以与本发明的实施例类似的方式操作、控制或以其他方式指导。即，图35的实施例的处理器控制包括微处理器、微控制器、主处理器，该主处理器控制一个或多个处理器，包括数字信号处理器(DSP)、或者被实现为FPGA、ASIC或其它类似电路或者作为其一部分的处理器。进一步地，处理器可以驻留在形成图像传感器的一部分的电路板上，或者处理器可以远程定位，同时仍然能够操作、控制或以其他方式指导图35的任何一个模块。
在图35的实施例中，3D成像传感器3500包括发送器(包括模块3502到3502A)、接收器(包括模块3524B到3552)以及耦合到发送器和接收器的阵列3526，其中所述阵列3526具有一个或多个能量发射器元件和能量检测器元件，其中，阵列3526被配置成发射由发送器生成的发送信号。
图35的阵列3526被配置成发射各种频带或区域和/或波长范围中的能量。例如，图35的阵列3526被配置成发射或检测属于近红外(NIR)的包括性的700nm到1400nm以及属于短波红外(Short-Wave Infrared，SWIR)的包括性的1400nm到3000nm的波长范围内的光学信号。而且，阵列3526被配置成发射或检测高频(High Frequency，HF)区域或带、甚高频(Very High Frequency，VHF)区域、特高频(Ultra High Frequency，UHF)、超高频(SuperHigh Frequency，SHF)带、极高频(Extremely High Frequency，EHF)区域和太赫兹(THz)区域中的一个中的电磁信号。EHF区域特别适合于同时宽带通信和高分辨率成像。术语“频率区域”和“频带”可互换使用。
阵列3526的正视图在图35中示出，其描绘了包括四(4)个子阵列3526A、3526B、3526C和3526D的阵列3526。通常，阵列3526可以被细分为任意数量的子阵列，其中，各个子阵列包括一定数量的阵列元件。各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，某些子阵列可以具有不同数量的元件，这取决于所述子阵列在整个阵列中的位置。例如，位于阵列中心处或附近的子阵列可以具有比任何其他子阵列更多的阵列元件。
发送信号包括数字波束成形的正交数字波形(数字波束成形器Tx 3516的输出)。在被数字波束成形之前，正交数字波形由耦合到对应的快速傅里叶逆变换(Inverse FastFourier Transform，IFFT)CP模块35141、...、3514L的资源元素(Resource Element，RE)映射模块35121、....、3512L的组合生成。而且，所述正交数字波形由MIMO处理的频域伪噪声(Pseudo Noise，PN)序列(MIMO预编码模块3510的输出)调制。因此，通过将正交数字波形施加到数字波束成形器3516来获得数字波束成形的正交数字波形。
数字波束成形的正交数字波形由DAC 3518转换成模拟波形(即，DAC 3518的输出处的信号)。所得到的模拟波形施加到调制器3522模块的输入，以调制能量源3520，这得到作为由波束成形器3524A形成的模拟波束的经调制模拟信号，以获得施加到阵列的一个或多个能量发射器元件的发送信号(模拟波束成形器3524A的输出)。阵列3526的一个或多个能量发射器元件发射施加到它们的发送信号。
图35的调制器3522可被配置为以下调制器中的任何一者：二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)调制器、正交相移键控(Quadrature Phase ShiftKeying，QPSK)调制器、开关键控(On Off Keying，OOK)调制器、幅移键控(Amplitude ShiftKeying，ASK)调制器、频移键控(Frequency Shift Keying，FSK)调制器、脉冲位置调制(Pulse Position Modulation，PPM)、相移键控(Phase Shift Keying，PSK)调制器和差分相移键控(Differential Phase Shift Keying，DPSK)调制器。
仍然参考图35，发送信号的制造开始于PN序列生成器3502，其生成时域PN序列：S0,S1,S2,...,SN-1，该序列经由DFT模块3504变换成频域PN序列：X0,X1,X2,...,XN-1，如图35所示。
DFT模块3504是电路或模块，其对时域序列执行离散傅里叶变换，以将所述序列转换成频域序列。从CAZAC序列获得的时域PN序列是由PN序列生成器3502生成的PN序列的一个示例。CAZAC序列是一种具有恒定幅度零自相关(Constant Amplitude Zero Auto-Correlation，CAZAC)特性的PN序列。Zadoff-Chu序列(CAZAC序列)的第u个根由以下等式给出：
Figure BDA0003430255710000301
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44例示了根据本发明的用于多流MIMO/波束成形雷达的方法4400的流程图，其可以由先进的系统(例如，如图1例示的101-103和/或111-116)执行。图44所示的方法4400的实施例仅用于说明。图44所例示的一个或多个组件可以在被配置成执行所提到的功能的专用电路中实现，或者一个或多个组件可以由执行指令以执行所提到的功能的一个或多个处理器来实现。可以在不脱离本发明的范围的情况下使用其它实施例。
如图44例示，方法4400开始于步骤4402。在步骤4402中，先进的系统识别正交MIMO信号组。
随后，在步骤4404中，先进的系统生成第一波束组。
随后，在步骤4406中，先进的系统将该组正交MIMO信号映射到所生成的波束组中的每一者。
接下来，在步骤4408中，先进的系统向目标场景发送基于第一波束组的第一信号。
最后，在步骤4410中，先进的系统接收基于从目标场景反射或反向散射的第二波束组的第二信号。
在一个实施例中，先进的系统基于循环移位的CAZAC序列组来生成包括CAZAC序列组的正交MIMO信号组。
在一个实施例中，先进的系统基于不同根CAZAC序列组生成包括MIMO编码信号组的正交MIMO信号组。
在一个实施例中，先进的系统识别参考信号候选组并且计算该组参考信号候选的相关。
在一个实施例中，先进的系统使用该组正交MIMO信号利用第一波束组的相同发送波束来照射整个场景。
在一个实施例中，先进的系统使用针对该组正交MIMO信号计算的距离/多普勒处理来识别信号，并且对所识别的信号执行空间处理，以生成图像。
在一个实施例中，先进的系统基于目标距离来识别包括MIMO操作模式、MIMO和波束成形的混合操作模式或波束成形操作模式的操作模式，发送基于所识别的操作模式的第一信号，并且接收基于所识别的操作模式的第二信号。
在一个实施例中，先进的系统构造与重复OFDM符号组的OFDM雷达波形相对应的信号；在时隙中，在该组OFDM符号的多个符号上使用相同代码来累加该组OFDM符号；基于累加的该组OFDM符号来生成组合信号；以及计算所生成的组合信号的距离相关性。
在这样的实施例中，先进的系统基于以下内容计算距离相关性：计算组合信号的FFT；计算组合信号和参考信号的复数乘法；以及计算所计算的复数相乘组合信号的IFFT，以获得距离相关性。
阐明贯穿本专利文献使用的某些词语和短语的定义可以是有利的。术语“应用”和“程序”指代一个或多个计算机程序、软件组件、指令集、规程、函数、对象、类、实例、相关数据或其适于以合适的计算机代码(包括源代码、目标代码或可执行代码)实现的部分。术语“通信”及其派生词涵盖直接和间接通信。术语“包括”和“包含”及其派生词意指包括而没有限制。术语“或”是包括性的，意指和/或。短语“与……关联”及其派生词可以意指包括、被包括在内、与……互连、包含、被包含在内、连接到或与……连接、联接到或与……联接、可与……通信、与……协作、交错、并置、接近、绑定到或与……绑定、具有……的特性、与……具有关系等。当与项目列表一起使用时，短语“……的至少一者”意指可以使用所列项目中的一者或多者的不同组合，并且可能仅需要列表中的一个项目。例如，“A、B和C中的至少一者”包括以下组合中的任何一种：A、B、C、A和B、A和C、B和C、以及A和B和C。
虽然本发明已经描述了某些实施例和一般关联的方法，但是这些实施例和方法的变更和置换对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，示例性实施例的以上描述不限定或约束本发明。在不偏离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，其他改变、替换和变更也是可能的。

Claims (20)

1.一种先进的系统，所述先进的系统包括：
天线组，其包括发送天线组和接收天线组；
数字波束成形器；
处理器，其可操作地连接到所述天线组和所述数字波束成形器，所述处理器被配置成：
识别正交多输入多输出(MIMO)信号组；
经由所述数字波束成形器生成第一波束组；以及
将所述正交MIMO信号组映射到所生成的波束组中的每一者；和
收发器，其可操作地连接到所述处理器，所述收发器被配置成：
经由所述天线组中的所述发送天线组向目标场景发送基于所述第一波束组的第一信号；以及
经由所述天线组中的所述接收天线组接收基于从所述目标场景反射或反向散射的第二波束组的第二信号。
2.根据权利要求1所述的先进的系统，其特征在于，所述处理器还被配置成基于循环移位的CAZAC序列组来生成包括CAZAC序列组的所述正交MIMO信号组。
3.根据权利要求1所述的先进的系统，其特征在于，所述处理器还被配置成基于不同根CAZAC序列组来生成包括MIMO编码信号组的所述正交MIMO信号组。
4.根据权利要求1所述的先进的系统，其特征在于，所述处理器还被配置成：
识别参考信号候选组；以及
计算所述参考信号候选组的相关性。
5.根据权利要求1所述的先进的系统，其特征在于，所述收发器还被配置成利用所述正交MIMO信号组用所述第一波束组的相同发送波束来照射整个场景。
6.根据权利要求1所述的先进的系统，其特征在于，所述处理器还被配置成：
利用针对所述正交MIMO信号组计算的距离/多普勒处理来识别信号；以及
对所识别的信号执行空间处理，以生成图像。
7.根据权利要求1所述的先进的系统，其特征在于，所述处理器还被配置成：
基于目标范围来识别操作模式，所述操作模式包括MIMO操作模式、混合的MIMO和波束成形操作模式、或波束成形操作模式；
发送基于所识别的操作模式的所述第一信号；以及
接收基于所识别的操作模式的所述第二信号。
8.根据权利要求1所述的先进的系统，其特征在于，所述处理器还被配置成：
构造与重复正交频分复用(OFDM)符号组的OFDM雷达波形相对应的信号；
在时隙中，在所述OFDM符号组的多个符号上利用相同代码来累加所述OFDM符号组；
基于累加的OFDM符号组来生成组合信号；以及
基于以下步骤计算所生成的组合信号的距离相关性：
计算所述组合信号的FFT；
计算所述组合信号和参考信号的复数相乘；以及
计算所计算的复数相乘组合信号的IFFT，以获得距离相关性。
9.一种先进的系统的方法，所述方法包括：
识别正交多输入多输出(MIMO)信号组；
生成第一波束组；
将所述正交MIMO信号组映射到所生成的波束组中的每一者；
向目标场景发送基于所述第一波束组的第一信号；以及
接收基于从所述目标场景反射或反向散射的第二波束组的第二信号。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：基于循环移位的CAZAC序列组来生成包括CAZAC序列组的所述正交MIMO信号组。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：基于不同根CAZAC序列组来生成包括MIMO编码信号组的所述正交MIMO信号组。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：
识别参考信号候选组；以及
计算所述参考信号候选组的相关性。
13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：利用所述正交MIMO信号组用所述第一波束组的相同发送波束来照射整个场景。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括：
利用针对所述正交MIMO信号组计算的距离/多普勒处理来识别信号；以及
对所识别的信号执行空间处理，以生成图像。
15.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：
基于目标范围来识别操作模式，所述操作模式包括MIMO操作模式、混合的MIMO和波束成形操作模式、或波束成形操作模式；
发送基于所识别的操作模式的所述第一信号；以及
接收基于所识别的操作模式的所述第二信号。
16.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：
构造与重复正交频分复用(OFDM)符号组的OFDM雷达波形相对应的信号；
在时隙中，在所述OFDM符号组的多个符号上利用相同代码来累加所述OFDM符号组；
基于累加的OFDM符号组来生成组合信号；以及
基于以下步骤计算所生成的组合信号的距离相关性：
计算所述组合信号的FFT；
计算所述组合信号和参考信号的复数相乘；以及
计算所计算的复数相乘组合信号的IFFT，以获得距离相关性。
17.一种非瞬态计算机可读介质，所述非瞬态计算机可读介质包括程序代码，所述程序代码在由至少一个处理器执行时使得先进的系统：
识别正交多输入多输出(MIMO)信号组；
生成第一波束组；
将所述正交MIMO信号组映射到所生成的波束组中的每一者；
向目标场景发送基于所述第一波束组的第一信号；以及
接收基于从所述目标场景反射或反向散射的第二波束组的第二信号。
18.根据权利要求17所述的非瞬态计算机可读介质，其特征在于，还包括这样的程序代码，该程序代码在由至少一个处理器执行时使得所述先进的系统：
基于循环移位的CAZAC序列组来生成包括CAZAC序列组的所述正交MIMO信号组；以及
基于不同根CAZAC序列组来生成包括MIMO编码信号组的所述正交MIMO信号组。
19.根据权利要求17所述的非瞬态计算机可读介质，其特征在于，还包括这样的程序代码，该程序代码在由至少一个处理器执行时使得所述先进的系统：
识别参考信号候选组；
计算所述参考信号候选组的相关性；
利用所述正交MIMO信号组用所述第一波束组的相同发送波束来照射整个场景；
利用针对所述正交MIMO信号组计算的距离/多普勒处理来识别信号；
对所识别的信号执行空间处理，以生成图像；
基于目标范围来识别操作模式，所述操作模式包括MIMO操作模式、混合的MIMO和波束成形操作模式、或波束成形操作模式；
发送基于所识别的操作模式的所述第一信号；以及
接收基于所识别的操作模式的所述第二信号。
20.根据权利要求17所述的非瞬态计算机可读介质，其特征在于，还包括这样的程序代码，该程序代码在由至少一个处理器执行时使得所述先进的系统：
构造与重复正交频分复用(OFDM)符号组的OFDM雷达波形相对应的信号；
在时隙中，在所述OFDM符号组的多个符号上利用相同代码来累加所述OFDM符号组；
基于累加的OFDM符号组来生成组合信号；以及
基于以下步骤计算所生成的组合信号的距离相关性：
计算所述组合信号的FFT；
计算所述组合信号和参考信号的复数相乘；以及
计算所计算的复数相乘组合信号的IFFT，以获得距离相关性。
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