CN114556700A - 微天线阵列 - Google Patents

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Abstract

一种用于在一地形上对车辆进行导航的系统包含：表面穿透雷达(SPR)系统，其具有拥有全频率范围以用于获取与所述车辆相关联的实时SPR信息的一个或多个微天线阵列；以及一个或多个控制器，其被配置成至少部分地基于所获取的实时SPR信息来确定与所述地形和/或所述车辆相关联的信息。在各种实施例中，所述(多个)微天线阵列包含多个微天线元件，每个微天线元件被配置成在一定频率范围下操作，所述微天线元件的所述频率范围集合地覆盖所述全频率范围，所述全频率范围大于所述微天线元件中的单个微天线元件的所述频率范围。

Description

微天线阵列
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年10月9日提交的第62/912,791号美国临时专利申请的优先权和权益，且所述美国临时专利申请以全文引用的方式并入本申请中。
技术领域
本发明大体上涉及微天线阵列，且更具体地说，涉及在表面穿透雷达(SPR)系统中实施的微天线阵列。
背景技术
现代无线通信系统一般具有小轮廓、轻型且结构简单的高增益天线，以确保可靠性、移动性和高效率。通常，紧凑型天线依赖于电磁(EM)波谐振；因此，常规天线的大小与EM波长相当(通常大于EM波长的十分之一)。例如车辆定位等应用可能决定性地取决于天线的大小。然而，最终，天线小型化受到天线性能、材料成本和可行波长的考虑因素的限制。
最近开发的技术依据声波谐振来量身定做天线。举例来说，已提议采用具有悬置的铁磁性/压电薄膜异质结构的声学致动纳米机械磁电(ME)天线，以在其声学谐振频率下经由ME效应接收和发射EM波。虽然此技术与电磁驱动天线相比将天线大小显著减小一个或两个数量级，但ME天线展现高品质因数(“高Q”)，这会导致振铃以及输入阻抗对小的频率变化的高敏感性。所导致的性能劣化限制了这些天线在涉及宽带宽和有噪声的环境的应用中的实用性。
因此，需要大小与以声学方式致动的ME天线的大小相当，同时减轻声学致动ME天线的高Q问题的天线。
发明内容
本发明的实施例提供一种微天线阵列，所述微天线阵列可具有超紧凑型大小(例如，尺寸与常规微芯片的尺寸相当)，而不存在声学致动ME天线所特有的高Q问题。在各种实施例中，一种微天线阵列包含多个微天线元件；每个元件为声学致动超紧凑型纳米机电系统(NEMS)ME天线，该天线具有悬置的铁磁性/压电薄膜异质结构且能够在30Hz与3GHz之间的峰值频率下操作。为了减轻高Q的影响，将每个微天线元件设计(就材料和/或配置(例如，大小或形状)而言)成在相对较窄的带宽(例如，2kHz)内操作，但微天线阵列中的元件的频带(或频率范围)集合地覆盖宽频谱区(例如，10kHz到10GHz)。另外，与相邻微天线元件相关联的峰值操作频率可具有阶梯式频率差。微天线元件的操作频带可彼此重叠或可彼此邻接。
在一个实施例中，阵列中的微天线元件作为群组操作，使得整个阵列有效地充当单个宽带发射器和/或接收器。或者，阵列中的微天线元件可分组为多个系列；每个系列被独立地控制以在由所述系列中的微天线元件集合地确定的频率范围内发射和/或接收信号。在一些实施例中，阵列中的每个微天线元件被独立地控制以在其相关联频率范围内发射和/或接收信号。不管微天线元件是以分组还是单个方式操作，由此发射和/或接收的信号都可在计算上组合以覆盖宽带频谱频率范围。
在各种实施例中，一个或多个微天线阵列实施于SPR系统中，所述SPR系统附连到车辆上并被操作以获取各种地形条件的道路表面和/或表面下的信息和/或车辆的位置信息。当使用多个微天线阵列时，可通过比较由阵列接收的信号来检测下方地形中的异常。分组可为实现多个输入和/或输出测量的二维(2D)和/或三维(3D)配置。这还可通过从可在不同方向/位置上聚焦的一个微天线阵列产生操纵波束来实现，例如通过操作如同相控阵列的微天线来实现。在一些实施例中，若干组单独的微天线阵列分布在车辆周围(例如，一个阵列在车辆前部，而另一个阵列在车辆后部)。前部阵列可绘制下方和表面地形的地图，且基于所述地图，后部阵列可记录数据且将其配准到前部阵列数据，由此指示车辆的状态信息(例如，操纵、朝向、速度、姿态、加速度和/或减速度)。
因此，在一个方面，本发明涉及一种用于在一地形上对车辆进行导航的系统。在各种实施例中，所述系统包含SPR系统，其具有：一个或多个微天线阵列，用于获取与车辆相关联的实时SPR信息；以及一个或多个控制器，其被配置成至少部分地基于所获取的实时SPR信息确定与地形和/或车辆相关联的信息。所述(多个)微天线阵列可包含多个微天线元件，每个微天线元件被配置成在一定频率范围下操作，所述微天线元件的所述频率范围集合地覆盖全频率范围，所述全频率范围大于所述微天线元件中的单个微天线元件的频率范围。
在各种实施例中，所述微天线元件中的每一个包含声学致动超紧凑型纳米机电系统(NEMS)ME天线，且具有悬置的铁磁性/压电薄膜异质结构。另外，所述微天线元件中的每一个的尺寸可与那些常规微芯片的尺寸相当。在一个实施方案中，所述全频率范围对应于10kHz与10GHz之间的频率。在一些实施例中，每个微天线元件具有峰值操作频率，且与相邻微天线元件相关联的峰值操作频率具有阶梯式频率差。相邻微天线元件的频率范围可彼此重叠。或者，相邻微天线元件的频率范围可彼此邻接。在一个实施例中，微天线元件可在约2kHz下操作。
在一些实施例中，所述SPR系统包含多个微天线阵列，每个微天线阵列被配置成聚焦于不同区域处。另外，所述控制器可进一步被配置成：比较由微天线阵列接收的SPR信息；以及确定与所述区域中的一个或多个区域相关联的地形条件的异常。另外，所述控制器可进一步被配置成：使得所述(多个)微天线阵列生成聚焦于多个区域处的操纵波束；比较由所述(多个)微天线阵列从所述多个区域接收的SPR信息；以及确定与所述区域中的一个或多个区域相关联的地形条件的异常。
在各种实施例中，所述SPR系统包含多个微天线阵列，每个微天线阵列被配置成聚焦于不同区域处。另外，所述控制器可进一步被配置成：基于由所述微天线阵列中的第一微天线阵列获取的SPR信息，绘制地形条件的地图；基于所述地图，记录由所述微天线阵列中的第二微天线阵列获取的SPR信息并将其配准到由所述微天线阵列中的所述第一微天线阵列获取的SPR信息；以及确定与所述车辆相关联的状态信息(例如，操纵方向、朝向、速度、姿态、加速度和/或减速度)。
另外，所述微天线阵列可被配置成同时接收多个输入信号或生成多个输出信号，以便使由其生成的波束成形或改进所述所获取的实时SPR信息的质量。微天线阵列可配置成二维或三维。在一些实施例中，所述控制器进一步被配置成组合或比较在一段时间内所获取的实时SPR信息，以便改进所确定的地形条件和/或与所述车辆相关联的位置信息的准确性。
在各种实施例中，所述微天线元件彼此间隔开小于所述微天线元件在空气中或在衬底上的平均操作波长的十分之一的距离，以便改进横向和/或纵向分辨率。另外，所述微天线元件中的两个微天线元件之间的间距可至少部分地基于目标位置分辨率和所述微天线阵列中的所述两个微天线元件的位置来确定。在一个实施例中，所述微天线元件具有相同频率范围。或者，所有(或至少一些)微天线元件具有不同频率范围。另外，所述系统可进一步包含用于在不同于所述微天线元件的所述频率范围的频率范围下获取与所述车辆相关联的实时SPR信息的单个天线元件。
在另一方面，本发明涉及一种在一地形上对车辆进行导航的方法。在各种实施例中，所述方法包含：提供具有一个或多个微天线阵列的SPR系统，所述微天线阵列包含多个微天线元件，每个微天线元件被配置成在一定频率范围下操作，所述微天线元件的所述频率范围集合地覆盖全频率范围；启动所述SPR系统以获取与所述车辆相关联的实时SPR信息；以及至少部分地基于所获取的实时SPR信息，确定与所述地形和/或所述车辆相关联的信息。在一个实施方案中，其中宽频率范围对应于10kHz与10GHz之间的频率。另外，每个微天线元件可具有峰值操作频率，且与相邻微天线元件相关联的所述峰值操作频率具有阶梯式频率差。
如本申请中所使用，术语“约”和“大体上”意指±10％，且在一些实施例中，意指±5％。另外，术语“频带”与“频率范围”在本申请中可互换使用。贯穿本说明书对“一个示例”、“示例”、“一个实施例”、“实施例”的引用意指结合所述示例描述的特定特征、结构或特性包含在本发明技术的至少一个示例中。因此，在整个说明书中各个地方出现的短语“在一个示例中”、“在示例中”、“一个实施例”或“实施例”不一定全部指相同示例。此外，特定特征、结构、例程、步骤或特性可在所述技术的一个或多个示例中以任何合适的方式组合。本申请提供的标题仅为方便起见，且并不意欲限制或解释所主张的技术的范围或含义。
附图说明
在附图中，相同的附图标记通常在不同视图中始终指代相同的部分。而且，附图未必按比例绘制，重点实际上通常放在说明本发明的原理上。在以下描述中，参考以下附图描述本发明的各个实施例，其中：
图1A示意性地描绘根据本发明的各种实施例的示范性微天线阵列。
图1B和1C示出根据本发明的各种实施例的微天线元件的示范性操作频率。
图2A示意性地说明根据本发明的各种实施例的包含SPR系统的示范性行进车辆。
图2B示意性地说明根据本发明的各种实施例的SPR系统的微天线阵列较接近于或接触道路表面的替代性配置。
图2C示意性地描绘根据本发明的各种实施例的SPR系统的微天线阵列被导向到不同区域的示范性配置。
图2D示意性地描绘根据本发明的各种实施例的SPR系统的微天线阵列以不同角度被导向到相同区域的示范性配置。
图2E描绘根据本发明的各种实施例的由SPR系统的微天线阵列产生的操纵波束。
图2F和2G分别示意性地描绘根据本发明的各种实施例的分布在车辆周围的若干组单独微天线阵列的侧视图和仰视图。
图2H和2I示意性地说明根据本发明的各种实施例的配备有SPR系统且在室内行进的车辆。
图3示意性地描绘根据本发明的各种实施例的示范性SPR系统。
具体实施方式
首先参考图1A，其描绘根据各种实施例的示范性微天线阵列100。微天线阵列100包含布置成一个或多个系列104、106的多个微天线元件102，如下文进一步描述。另外，微天线阵列100通常具有与常规芯片相当的尺寸(例如，范围介于几平方毫米(mm2)到约600mm2)，使得可在其上制造阵列100。(如本申请中所使用，术语“相当”意指±10％，且在一些实施例中意指±5％)。举例来说，阵列100的长度L可约为一英寸，宽度W可约为1/2英寸。在一个实施例中，每个微天线元件102是声学致动超紧凑型NEMS ME天线，其具有悬置的铁磁性/压电薄膜异质结构。由于谐振ME异质结构(铁磁性/压电)的EM与体声波之间的强ME耦合，微天线元件102可在30Hz与3GHz之间的峰值频率下操作，同时具有超出常规紧凑型天线1到2个数量级的小型化。NEMS ME天线详细地描述于例如Nan等人的“声学致动超紧凑型NEMS磁电天线(Acoustically Actuated Ultra-Compact NEMS magnetoelectric antennas)”(《自然通信》，8:296(2017年8月))中，其全部内容以引入的方式并入本申请中。
为了减轻使NEMS ME天线的性能劣化的高Q问题，可选择与本申请中的每个微天线元件102相关联的材料和/或配置(例如，大小或形状)以将其带宽限制在相对窄的范围(例如，2kHz)。另外，相邻微天线元件102可在与其相关联的峰值操作频率之间具有阶梯式频率差(例如，100kHz)，且微天线阵列100中的微天线元件102的频带(或频率范围)可集合地覆盖宽频谱区(例如，10kHz到10GHz)。举例来说，参考图1B和1C，每个微天线元件对应于具有一定频率范围的频率响应曲线108；在一个实施例中，所述频率范围由相对窄的带宽和峰值工作频率f限定。举例来说，频率范围的下限和上限可分别被限定为f-1/2带宽和f+1/2带宽。如所描绘的，峰值操作频率f1、f2、...、fn可分别对应于微天线阵列100中的微天线元件1021、1022、...、102n，且微天线元件1021、1022、...、102n的频带集合地覆盖宽频率范围Δf。另外，对应于峰值操作频率f1、f2、...、fn的频带可彼此重叠(图1B)或可彼此邻接(图1C)。在一些实施例中，所有(或至少一些)微天线元件具有相同操作频率范围(即，相同峰值操作频率和相同带宽)。
在一些实施例中，阵列100中的每个微天线元件102被独立地控制以在其相关联频率范围内发射和/或接收信号。或者，微天线元件102可以群组方式操作，使得整个阵列100有效地充当单个宽带发射器和/或接收器。在一个实施例中，阵列100中的微天线元件102可分组为多个系列104、106；每个系列被独立地控制以在与所述系列中的微天线元件102相关联的集合频率范围内发射和/或接收信号。不同系列的频率范围Δf可大体上相同或不同。在一个实施例中，每个系列为线性阵列，且两个系列之间的间距d为与元件102在空气中或在由例如介电材料、磁性材料或吸收性材料制成的衬底上相关联的平均波长的约(或小于)十分之一，以便改进横向和/或纵向分辨率。
另外，微天线元件102的两个系列104、106(或两个微天线元件102)之间的间距可以基于目标位置分辨率和微天线阵列100中的两个微天线元件系列(或两个微天线元件102)的位置来配置。在一些实施例中，微天线元件102的系列104、106形成相控阵列，且可接收多个输入信号并生成多个输出信号。不管微天线阵列100中的微天线元件102是以分组还是单独方式操作，由微天线元件102发射和/或接收的信号都可在计算上组合以有效地覆盖宽带频谱频率范围Δf。
参考图2A，在各种实施例中，微天线阵列100实施于附连到车辆204的SPR系统202中，且充当SPR天线阵列206以用于获取地形条件的道路表面和/或表面下信息和/或车辆的位置信息。另外，车辆204可配备有单个天线元件207，所述单个天线元件被配置成在不同于与(多个)微天线阵列相关联的(多个)频率范围中的任一个的频率范围下操作；单个天线元件207与微天线阵列可大体上同时获取与车辆相关联的实时SPR信息。SPR天线阵列206可固定在车辆202的下方和/或前部(或任何合适的部分)。另外，SPR天线阵列206的朝向大体上平行于地表面，且可垂直于行进方向而延伸。在替代配置中，SPR天线阵列206较接近于或接触道路的表面(图2B)。在一个实施例中，SPR天线阵列206将SPR信号发射到道路；SPR信号通过道路表面传播到地下区域中且沿向上方向被反射。可通过SPR天线阵列206中的接收微天线元件检测反射的SPR信号。在各种实施例中，接着处理并分析所检测到的SPR信号以生成沿着车辆204的轨道的地下区域的一个或多个SPR图像。在一个实施例中，处理SPR图像以提取用于制图和定位车辆204的特征。如果SPR天线阵列206不与表面接触，那么所接收的最强返回信号可以是由道路表面引起的反射。因此，SPR图像可包含(或可主要是)表面数据，即，用于地下区域与空气或局部环境的界面的数据。
在一些实施例中，将SPR图像与先前针对至少部分地与用于所限定路线的地下区域重叠的地下区域获取和存储的SPR参考图像进行比较。图像比较可为基于例如相关性的配准过程；见例如第8,786,485号美国专利和第2013/0050008号美国专利公开案，其全部公开内容以引用的方式并入本申请中。可基于所述比较来确定车辆204的路线和/或位置和/或路线的地形条件。在一个实施例中，路线数据用于创建实时地图，所述实时地图包含用于对车辆204进行导航的SPR信息。举例来说，基于实时SPR地图信息，可经由控制器(下文进一步描述)连续地控制车辆204的速度、加速度、朝向、角速度和/或角加速度，以便维持车辆204沿预定义路线的行进。
在一些实施例中，所检测的SPR信号与其它实时信息(例如天气条件、电光(EO)图像、使用车辆204中应用的一个或多个传感器进行的车辆健康监测和任何其它合适的输入)组合，以估计路线的地形条件。所估计地形条件可有利地提供真实世界地形建模并且降低计算费用和/或用于实时建模地形/车辆交互的复杂性。
参考图2C，在各种实施例中，SPR系统202包含多个微天线阵列2061-n；每个阵列206对应于不同地面区域2081-n。因为不同地面区域可能包含不同地形特征，所述地形特征又产生由微天线阵列2061-n接收的不同SPR信号(例如，具有不同振幅)，所以实施多个微天线阵列2061-n可确保微天线阵列2061-n中的至少一个可接收强SPR信号，以准确地识别地形条件和/或车辆的位置。参考图2D，在一些实施例中，微天线阵列2061-n中的每一个微天线阵列被导向到相同地面区域208，但以不同角度被导向。因此，每个阵列206中的微天线元件可沿着不同角度从同一地面区域208接收信号。通过组合和/或比较由不同阵列接收的信号，可更准确地检测与区域208的下方地形和/或车辆的位置相关联的特征。
另外或替代地，可动态地改变微天线阵列2061-n中的一个或多个微天线阵列中的微天线元件的相位，以便聚焦于不同方向/位置上。举例来说，参考图2E，通过改变阵列2061中的微天线元件的相对相位，可产生操纵波束以聚焦在区域2101与2102之间的区域处。并且同样，通过比较来自通过操纵波束操纵的不同方向/位置的SPR信号，可检测与所操纵的方向/位置的下方地形和/或车辆的位置相关联的特征。在一个实施例中，每个微天线元件用作能够生成操纵波束且从所操纵的区域/方向接收信号的收发器。
另外或替代地，若干组单独的微天线阵列206可分布在实施了SPR系统202的车辆周围。举例来说，参考图2F(侧视图)和2G(仰视图)，一个或多个微天线阵列206可附连到车辆204的前侧/底部，且另一(些)微天线阵列206可附连到车辆204的后侧/底部。如上文所描述，可将通过前部和/或后部阵列获得的SPR信号转换成一个或多个图像(或扫描)，所述一个或多个图像包含车辆204周围的地形的表面和/或地下的信息。另外，基于所获得的SPR信号，可创建包含SPR信息的实时地图。用于使用SPR信号创建实时地图的方法在例如第16/929,437号美国专利申请(在2020年7月15日提交)中提供，所述美国专利申请的全部内容以引用的方式并入本申请中。
在一个实施例中，实时SPR地图信息经由通信模块2141、2142从与前部阵列2061相关联的控制器2121发射到与后部阵列2062相关联的控制器2122。控制器2101、2102可实施于硬件、软件或两者的组合中，且可为不同(例如，相同)装置或集成为单个装置。基于所接收的SPR地图信息，在SPR地图信息的发射期间，后部控制器2122可记录由后部阵列2062获得的SPR信号并将其配准到由前部阵列2061接收的信号。在一个实施例中，控制器2122被配置成比较从通过前部阵列2061和后部阵列2062获得的信号导出的数据，以确定SPR地图信息的发射期间的状态信息，例如操纵、朝向、速度(速率和方位角(bearing))、姿态、加速度和/或减速度。基于此，车辆控制模块(下文进一步描述)可确定是否需要动作(例如，改变速率或方位角)。即，前部控制器2121周期性地将状态信息发射到后部控制器2122，所述后部控制器接着对照先前状态评估当前状态以作出独立的控制决策。例如，在第16/933,395号美国专利申请(在2020年7月20日提交)中提供关于将后部阵列数据配准到前部阵列数据的进一步细节，所述美国专利申请的全部内容以引用的方式并入本申请中。
上文所描述的各种实施例涉及监测室外表面环境中的道路的地形条件。或者，可在室内环境中(例如，在建筑物内部或在建筑物综合体内)控制车辆。车辆可在走廊、仓库、制造区域等等中导航行进。在一些实施例中，车辆可被控制在可能对人类有害的区域中的结构内部，例如，在核电设施、医院或可能存在危险的研究设施中。或者，车辆可为能够移动穿过例如工厂或仓库等设施的移动机器人或其它自主或受控机械。
如果车辆在室内行进，那么SPR系统202可用于通过将SPR系统202附接到例如车辆的侧面或顶部且使SPR系统朝向优选方向(其可取决于应用、车辆位置等而变化)而获得SPR图像，所述SPR图像包含在地板、天花板或墙面中和/或后方的表面下区域。举例来说，图2H描绘在进出页面的方向上行进的车辆204。车辆204配备有一个或多个微天线阵列100，所述微天线阵列被配置成在竖直方向z上发射和接收信号，使得SPR图像的表面下区域包含建筑物的天花板220中和后方的区域。类似地，图2I描绘车辆204，其在进入或驶出页面的方向上行进且具有一个或多个微天线阵列100，所述微天线阵列经实施以在水平方向y上发射和接收信号，使得SPR图像的表面下区域包含在竖直壁222中和后方的区域。
图3描绘根据本申请具有实施于车辆204中的一个或多个微天线阵列100的示范性地形监测系统(例如，SPR系统202)。SPR系统202可包含用户接口302，用户可通过所述用户接口输入数据以限定路线或选择预定义路线。根据所述路线从SPR参考图像源304检索SPR图像。举例来说，SPR参考图像源304可为本地大容量存储装置，例如快闪驱动器或硬盘；替代地或另外，SPR参考图像源304可为基于云的(即，在网络服务器上支持和维持)且基于由GPS确定的当前位置远程存取。举例来说，本地数据存储装置可含有对应于车辆当前位置附近的SPR参考图像，其中在车辆行进时检索周期性更新以刷新数据。
SPR系统202还包含具有如上文所描述的一个或多个SPR天线阵列(例如，微天线阵列100)的移动SPR系统(“移动系统”)306。移动SPR系统306的发射操作由还接收由SPR天线阵列检测到的返回SPR信号的一个或多个控制器(例如，处理器)308控制。(多个)控制器308可生成在SPR天线阵列下方的道路表面下的地下区域和/或道路表面的SPR图像。
SPR图像包含表示在地下区域内和/或道路表面上的结构和物体的特征，例如石块、树根、巨石、管道、空隙和土壤分层，以及指示地下区域/表面区域中的土壤或材料性质的变化的其它特征。在各种实施例中，配准模块310将由(多个)控制器308提供的SPR图像与从SPR参考图像源304检索的SPR图像进行比较，以确定道路的地形条件和/或定位车辆204(例如，通过确定车辆相对于路线上的最接近点的偏移)。另外，配准模块310可比较由附连到车辆204的不同SPR天线阵列获取的SPR图像，以识别下方地形的异常和/或车辆204的姿态、速度和/或加速度改变。在各种实施例中，将配准过程中确定的位置信息(例如，偏移数据或定位错误数据)提供到转换模块312，所述转换模块创建导航地图，用于对车辆204进行导航。举例来说，转换模块312可生成针对车辆位置从路线的偏差而校正的GPS数据。
或者，转换模块312可从地图源314(例如，其它导航系统，例如GPS或地图绘制服务)检索现有地图，且接着将所获得的位置信息定位到现有地图。在一个实施例中，预定义路线的位置地图存储在系统存储器中的数据库216和/或可由控制器208存取的存储装置中。另外或替代地，车辆104的位置数据可与由现有地图(例如，由谷歌地图提供的地图)和/或一个或多个其它传感器或导航系统(例如，惯性导航系统(INS)、GPS系统、声音导航和测距(SONAR)系统、LIDAR系统、相机、惯性测量单元(IMU)和辅助雷达系统、一个或多个车辆航位推算传感器(基于例如操纵角度和车轮里程计)和/或悬置传感器)提供的数据组合使用以引导车辆204。举例来说，控制器308可将所获得SPR信息定位到使用GPS生成的现有地图。用于将SPR系统用于车辆导航和定位的方法描述于例如第8,949,024号中，其全部公开内容特此以引用的方式并入本申请中。
在一些实施例中，SPR参考图像还包含与之相关联的地形条件。因此，通过将所获得SPR图像与SPR参考图像进行比较，可确定与从路线获取的SPR参考图像相关联的地形条件。同样，可接着将所确定的地形条件提供到转换模块312以用于产生地形地图。地形地图又可与上文所描述的导航地图组合。接着可将地形/导航地图提供到耦合到(多个)控制器308的车辆控制模块316，以用于据以自主地操作车辆。举例来说，车辆控制模块316可包含车辆中的电气、机械和气动装置或与其协作以控制车辆的操纵、朝向、速度、姿态和加速度/减速度。在一些实施例中，SPR系统202包含输入数据库318，所述输入数据库将其它系统检测到的其它实时信息(除SPR信号/SPR图像外)连续馈送到转换模块312以用于更新和/或优化地形/导航地图。
应注意，上文所描述的地形条件和/或与车辆相关联的位置信息是可从SPR信号获得的示范性信息。所属领域的一般技术人员将理解，基于上文所描述的所获取SPR信号和方法，还可获得例如(多个)地形特征、具有所述(多个)特征的位置信息、(多个)特征的状态、与(多个)特征相关联的材料特性或性质、表面下或表面上的(多个)特征的改变和/或车辆的速度、姿态、朝向、加速度和/或状态等其它信息，且其因此在本发明的范围内。
实施于车辆中的(多个)控制器212、308可包含实施于硬件、软件或两者的组合中的一个或多个模块。对于将功能提供为一个或多个软件程序的实施例，可以许多高级语言中的任一种来编写程序，例如PYTHON、FORTRAN、PASCAL、JAVA、C、C++、C#、BASIC、各种脚本处理语言和/或HTML。另外，软件可用针对驻留在目标计算机上的微处理器的汇编语言来实施；例如，如果软件被配置成在IBM PC或PC克隆上运行，那么所述软件可用Intel 80x86汇编语言来实施。软件可编写在制品上，所述制品包含但不限于软磁盘、跳转驱动器、硬盘、光盘、磁带、PROM、EPROM、EEPROM、现场可编程门阵列或CD-ROM。使用硬件电路系统的实施例可使用例如一个或多个FPGA、CPLD或ASIC处理器来实施。
另外，通信模块2141、2142可包含被设计成在其间提供有线和/或无线通信的常规组件(例如，网络接口或收发器)。在一个实施例中，通信模块2141、2142彼此直接通信。另外或替代地，通信模块2141、2142可经由基础设施(例如，公共电信基础设施、路旁单元、远程编队协调系统、移动通信服务器等)而彼此间接通信。无线通信可借助于具有WiFi、蓝牙、红外(IR)通信、电话网络(例如，通用包无线电服务(GPRS)、3G、4G、5G、增强型数据GSM环境(EDGE))或其它非RF通信系统(例如，光学系统等)的无线通信系统来执行。另外，可使用例如AM、FM、FSK、PSK、ASK、QAM等任何合适的调制方案来执行无线通信。
本申请中所使用的术语和表述用作描述而非限制性的术语和表述，且在此类术语和表述的使用中不希望排除所示出和描述的特征的任何等同物或其部分。另外，已描述本发明的某些实施例，对所属领域的一般技术人员将显而易见的是，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下使用并入有本申请中所公开的概念的其它实施例。因此，所描述的实施例在所有方面都应被视为仅是说明性的而非限制性的。
本申请权利要求书是。

Claims (23)

1.一种用于在一地形上对车辆进行导航的系统，包括：
表面穿透雷达(SPR)系统，其包括用于获取与车辆相关联的实时SPR信息的至少一个微天线阵列，所述微天线阵列包括多个微天线元件，每个微天线元件被配置成在一定频率范围下操作，所述微天线元件的频率范围集合地覆盖全频率范围，所述全频率范围大于所述微天线元件中的单个微天线元件的频率范围；以及
至少一个控制器，其被配置成至少部分地基于所获取的实时SPR信息确定与所述地形或所述车辆中的至少一个相关联的信息。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述微天线元件中的每一个包括声学致动超紧凑型纳米机电系统(NEMS)ME天线，且具有悬置的铁磁性/压电薄膜异质结构。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述微天线元件中的每一个的尺寸与常规微芯片的尺寸相当。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述全频率范围对应于10kHz与10GHz之间的频率。
5.根据权利要求1所述的系统，其中每个微天线元件具有峰值操作频率，与相邻微天线元件相关联的所述峰值操作频率具有阶梯式频率差。
6.根据权利要求1所述的系统，其中相邻微天线元件的所述频率范围彼此重叠。
7.根据权利要求1所述的系统，其中相邻微天线元件的所述频率范围彼此邻接。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述微天线元件能在约2kHz下操作。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述SPR系统包括多个微天线阵列，每个微天线阵列被配置成聚焦于不同区域处，所述控制器进一步被配置成：
比较由所述微天线阵列接收的SPR信息；以及
确定与所述区域中的至少一个相关联的地形条件的异常。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器进一步被配置成：
使得所述微天线阵列生成聚焦于多个区域处的操纵波束；
比较由所述微天线阵列从所述多个区域接收的SPR信息；以及
确定与所述区域中的至少一个相关联的所述地形条件的异常。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述SPR系统包括多个微天线阵列，每个微天线阵列被配置成聚焦于不同区域处，所述控制器进一步被配置成：基于由所述微天线阵列中的第一微天线阵列获取的SPR信息，绘制地形条件的地图；
基于所述地图，记录由所述微天线阵列中的第二微天线阵列获取的SPR信息并将其配准到由所述微天线阵列中的第一微天线阵列获取的SPR信息；以及
确定与车辆相关联的状态信息。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述状态信息包括操纵方向、朝向、速度、姿态、加速度或减速度中的至少一个。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述微天线阵列被配置成同时接收多个输入信号或生成多个输出信号，以便使由其生成的波束成形或改进所获取的实时SPR信息的质量。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述微天线阵列被配置成二维或三维。
15.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器进一步被配置成组合或比较在一段时间内所获取的实时SPR信息，以便改进所确定的地形条件和/或与车辆相关联的位置信息的准确性。
16.根据权利要求1所述的系统，其中所述微天线元件彼此间隔开小于所述微天线元件在空气中或在衬底上的平均操作波长的十分之一的距离，以便改进横向和/或纵向分辨率。
17.根据权利要求1所述的系统，其中所述微天线元件中的至少两个之间的间距至少部分地基于目标位置分辨率和所述微天线阵列中至少两个微天线元件的位置来确定。
18.根据权利要求1所述的系统，其中所述微天线元件具有相同频率范围。
19.根据权利要求1所述的系统，其中至少一些微天线元件具有不同频率范围。
20.根据权利要求1所述的系统，进一步包括用于在不同于所述微天线元件的所述频率范围的频率范围下获取与所述车辆相关联的实时SPR信息的单个天线元件。
21.一种在一地形上对车辆进行导航的方法，包括：
提供包括至少一个微天线阵列的表面穿透雷达(SPR)系统，所述微天线阵列包括多个微天线元件，每个微天线元件被配置成在一定频率范围下操作，所述微天线元件的频率范围集合地覆盖全频率范围；
启动所述SPR系统以获取与所述车辆相关联的实时SPR信息；以及
至少部分地基于所获取的实时SPR信息，确定与所述地形或所述车辆中的至少一个相关联的信息。
22.根据权利要求21所述的方法，其中宽频率范围对应于10kHz与10GHz之间的频率。
23.根据权利要求21所述的方法，其中每个微天线元件具有峰值操作频率，与相邻微天线元件相关联的所述峰值操作频率具有阶梯式频率差。
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Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6249711A (ja) * 1985-08-29 1987-03-04 Japanese National Railways<Jnr> アンテナ装置
US4654622A (en) * 1985-09-30 1987-03-31 Honeywell Inc. Monolithic integrated dual mode IR/mm-wave focal plane sensor
JPH07101809B2 (ja) * 1988-08-31 1995-11-01 山武ハネウエル株式会社 複数波共用マイクロストリップアレイアンテナ
AU2003290513A1 (en) * 2002-08-07 2004-04-08 Georgia Tech Research Corporation Capacitive resonators and methods of fabrication
US7167135B2 (en) * 2003-09-11 2007-01-23 Intel Corporation MEMS based tunable antenna for wireless reception and transmission
US7834808B2 (en) * 2005-06-29 2010-11-16 Georgia Tech Research Corporation Multilayer electronic component systems and methods of manufacture
US7843283B2 (en) * 2005-11-09 2010-11-30 Cornell Research Foundation, Inc. MEMS controlled oscillator
CN100592656C (zh) * 2006-08-07 2010-02-24 西安交通大学 一种基于正多面体智能天线装置的波束形成及切换方法
US7439508B2 (en) * 2006-09-15 2008-10-21 Northrop Grumman Systems Corporation Ultra-sensitive silicon sensor, long-wave infrared microantenna
US8786485B2 (en) 2011-08-30 2014-07-22 Masachusetts Institute Of Technology Mobile coherent change detection ground penetrating radar
US9923279B2 (en) * 2011-09-13 2018-03-20 Charter Communications Operating, Llc Antenna system with small multi-band antennas
US8949024B2 (en) 2012-10-25 2015-02-03 Massachusetts Institute Of Technology Vehicle localization using surface penetrating radar
JP6490080B2 (ja) * 2013-09-23 2019-03-27 キャベンディッシュ・キネティックス・インコーポレイテッドＣａｖｅｎｄｉｓｈ Ｋｉｎｅｔｉｃｓ， Ｉｎｃ． 可変インピーダンス素子の弱結合によりアンテナを調整する技術
US11355692B2 (en) * 2016-05-31 2022-06-07 Northeastern University Nanoscale radio frequency magnetoelectric antenna
US10527715B2 (en) * 2016-06-20 2020-01-07 Rohde & Schwarz Gmbh & Co. Kg Radar target stimulation device and method
JP6837690B2 (ja) 2017-01-27 2021-03-03 マサチューセッツ インスティテュート オブ テクノロジー 表面貫通レーダーを用いた乗物位置特定方法およびシステム
CN109286081A (zh) * 2018-08-03 2019-01-29 西安电子科技大学 基片集成波导馈电的宽带平面阵列天线

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