DE102005062905A1

DE102005062905A1 - System und Verfahren für einen Musterentwurf bei programmierbaren Mikrowellenarrays

Info

Publication number: DE102005062905A1
Application number: DE102005062905A
Authority: DE
Inventors: Izhak Palo Alto Baharav; Robert C. Palo Alto Taber; Gregory S. Mountain View Lee
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2005-03-24
Filing date: 2005-12-29
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2025-12-30
Also published as: GB0523932D0; GB2424529A; JP5595630B2; US8289199B2; GB2424529B; US20060214836A1; JP2006267103A; DE102005062905B4

Abstract

Ein Antennenarray zur Verwendung in einem Mikrowellenabbildungssystem, um ein Mikrowellenbild eines Ziels aufzunehmen, ist selektiv programmiert, um einen oder mehr Parameter des Mikrowellenabbildungssystems zu optimieren. Das Array umfasst eine Mehrzahl von Antennenelementen, von denen jedes in der Lage ist, mit einer jeweiligen Phasenverschiebung programmierbar zu sein, um einen Strahl einer Mikrowellenstrahlung auf das Ziel zu richten, derart, dass die Mikrowellenstrahlung von jedem der Mehrzahl von Antennenelementen im Wesentlichen gleichphasig an dem Ziel ankommt. Um einen Parameter des Mikrowellenabbildungssystems zu optimieren, werden die Phasenverschiebungen von Selektiven der Antennenelemente verändert, wobei gleichzeitig die im Wesentlichen gleichphasige Mikrowellenstrahlung an dem Ziel aufrechterhalten wird.

Description

Die vorliegende Anmeldung ist bezüglich ihres Gegenstands mit der US-Anmeldung für die Patentschrift mit der Seriennummer ... (Anwaltsaktenzeichen Nr. 10040151) mit dem Titel „A Device for Reflecting Electromagnetic Radiation", mit der US-Patentanmeldung für die Patentschrift mit der Seriennummer ... (Anwaltsaktenzeichen Nr. 10040580) mit dem Titel „Broadband Binary Phased Antenna" und mit der US-Anmeldung für die Patentschrift mit der Seriennummer ... (Anwaltsaktenzeichen Nr. 10040142) mit dem Titel „System and Method for Security Inspection Using Microwave Imaging", die allesamt am 24. November 2004 eingereicht wurden, verwandt.
Ferner ist die vorliegende Anmeldung bezüglich ihres Gegenstands mit der US-Anmeldung für die Patentschrift mit der Seriennummer ... (Anwaltsaktenzeichen Nr. 10050095) mit dem Titel „System and Method for Efficient, High-Resolution Microwave Imaging Using Complementary Transmit and Receive Beam Patterns", mit der U.S.-Anmeldung für die Patentschrift mit der Seriennummer ... (Anwaltsaktenzeichen 10050215) mit dem Titel „System and Method for Inspecting Transportable Items Using Microwave Imaging", mit der US-Anmeldung für die Patentschrift mit der Seriennummer ... (Anwaltsaktenzeichen Nr. 10050534) mit dem Titel „System and Method for Microwave Imaging Using an Interleaved Pattern in a Programmable Reflector Array" und mit der US-Anmeldung für die Patentschrift mit der Seriennummer ... (Anwaltsaktenzeichen Nr. 10050535) mit dem Titel „System and Method for Minimizing Background Noise in a Microwave Image Using a Programmable Reflector Array", die alle zum selben Datum wie die vorliegende Anmeldung eingereicht wurden, verwandt.
Die Fortschritte der jüngsten Zeit auf dem Gebiet der Mikrowellenabbildung ermöglichten die kommerzielle Entwicklung von Mikrowellenabbildungssystemen, die in der Lage sind, zweidimensionale und sogar dreidimensionale Mikrowellenbilder von Objekten und anderen interessierenden Gegenständen (z.B. menschlichen Subjekten) zu erzeugen. Derzeit stehen mehrere Mikrowellenabbildungstechniken zur Verfügung. Beispielweise verwendet eine Technik ein Array von Mikrowellendetektoren (hiernach als „Antennenelemente" bezeichnet), um entweder passive Mikrowellenstrahlung, die durch ein Ziel emittiert wird, das der Person oder dem anderen Objekt zugeordnet ist, oder reflektierte Mikrowellenstrahlung, die ansprechend auf eine aktive Mikrowellenbeleuchtung des Ziels von dem Ziel reflektiert wird, zu erfassen. Ein zweidimensionales oder dreidimensionales Bild der Person oder des anderen Objekts wird konstruiert, indem das Array von Antennenelementen bezüglich der Position des Ziels gescannt bzw. abgetastet und/oder indem die Frequenz (oder Wellenlänge) der transmittierten bzw. gesendeten oder erfassten Mikrowellenstrahlung angepasst wird.

Mikrowellenabbildungssysteme umfassen üblicherweise Sende-, Empfangs- und/oder Reflexionsantennenarrays zum Senden, Empfangen und/oder Reflektieren einer Mikrowellenstrahlung an das/von dem/zu dem Objekt. Derartige Antennenarrays können unter Verwendung traditioneller analoger phasengesteuerter Arrays oder von Binärreflektorarrays konstruiert werden. In beiden Fällen richtet das Antennenarray üblicherweise einen Strahl einer Mikrowellenstrahlung, der eine Anzahl von einzelnen Mikrowellenstrahlenzügen enthält, auf einen Punkt oder einen Bereich/ein Volumen in 3D-Raum, der einem Voxel oder einer Mehrzahl von Voxeln in einem Bild des Objekts entspricht, hierin als Ziel bezeichnet. Dies wird dadurch bewerkstelligt, dass jedes der Antennenelemente in dem Array mit einer jeweiligen Phasenverschiebung programmiert wird, die ermöglicht, dass das Antennenelement die Phase eines Jeweiligen der Mikrowellenstrahlenzüge modifiziert. Die Phasenverschiebung jedes Antennenelements ist dahin gehend ausgewählt, zu bewirken, dass alle einzelnen Mikrowellenstrahlenzüge von jedem der Antennenelemente im Wesentlichen phasengleich an dem Ziel ankommen. Beispiele von programmierbaren Antennenarrays sind in der US-Patentanmeldung Seriennr ... (Anwaltsaktenzeichen Nr. 10040151) mit dem Titel „A Device for Reflecting Electromagnetic Radiation" und ... (Anwaltsaktenzeichen Nr. 10040580) mit dem Titel „Broadband Binary Phased Antenna" beschrieben.

Folglich ist für jedes Ziel jedes Antennenelement mit einer bestimmten Phasenverschiebung programmiert, um einen Strahl einer Mikrowellenstrahlung zu erzeugen, der die höchste konstruktive Störung an dem Ziel erfährt. Die Kombination aller Phasenverschiebungen, die den Antennenelementen in dem Array für ein bestimmtes Ziel zugewiesen sind, wird als Muster bezeichnet. Die Größe des Musters ist dieselbe wie die des Arrays, und jedes Element in dem Muster stellt die Phasenverschiebung eines entsprechenden Antennenelements in dem Array dar. In dem Fall eines Binärarrays, bei dem jedes Antennenelement lediglich eine von zwei Phasenverschiebungen einführen kann, kann das Muster als Array von Einsen und Nullen dargestellt werden.

Zum Abtasten bzw. Scannen einer Person oder eines anderen Objekts werden üblicherweise eine Anzahl von Mustern vorab entworfen und für eine Verwendung beim Aufnehmen aufeinander folgender Mikrowellenbilder verschiedener Ziele, die der Person oder dem anderen Objekt zugeordnet sind, gespeichert. Jedoch wird jeder Musterentwurf zum großen Teil durch die Frequenz der Mikrowellenstrahlung und die Orientierung der Antennenelemente in dem Array zu einer oder mehreren einer Mikrowellenquelle (falls zutreffend), eines Mikrowellenempfängers (falls zutreffend) und eines bestimmten Ziels vorgegeben, und somit sind die Muster für ver schiedene Parameter des Mikrowellenabbildungssystems eventuell nicht optimal.

Beispielsweise verringert ein Hintergrundrauschen (oft als „Störecho" bezeichnet), das sich aus einer Streustrahlung von der Mikrowellenquelle zu dem Mikrowellenempfänger ergibt, das Signal/Rausch-Verhältnis (SNR – signal-to-noise-ratio) des Mikrowellenabbildungssystems. Obwohl ein bestimmtes Muster die gewünschte konstruktive Störung an dem Ziel erzeugen kann, ist dieses Muster in Bezug darauf, das Hintergrundrauschen an dem Mikrowellenempfänger zu reduzieren, eventuell nicht optimal. Als weiteres Beispiel können die Phasenveränderungen zwischen einem Paar von Mustern, die beim Scannen bzw. Abtasten einer Person oder eines anderen Objekts verwendet werden, Nebenkeulen verursachen, deren Fläche zunimmt, wenn sich die Antennenphaseneinstellung ändert. Wenn die Anzahl von Antennenelementen, die zwischen aufeinander folgenden Mikrowellenbildern eine Phasenänderung erfordern, zunimmt, erfolgt außerdem eine entsprechende Zunahme der Leistung, die zum Scannen bzw. Abtasten der Person oder des anderen Objekts notwendig ist. Somit besteht ein Bedarf an einer flexiblen Entwurfstechnik zum Entwerfen von Phasenverschiebungsmustern bei Mikrowellenantennenarrays.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Array zur Verwendung bei einem Mikrowellenabbildungssystem sowie ein Mikrowellenabbildungssystem und ein Verfahren mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Array gemäß Anspruch 1, ein Mikrowellenabbildungssystem gemäß Anspruch 12 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 21 gelöst.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung liefern ein Antennenarray zur Verwendung in einem Mikrowellenabbildungssystem, um ein Mikrowellenbild eines Ziels aufzunehmen, das selektiv dahin gehend programmiert werden kann, einen oder mehr Parameter des Mikrowellenabbildungssystems zu optimieren. Das Array umfasst eine Mehrzahl von Antennenelementen, von denen jedes in der Lage ist, mit einer jeweiligen Phasenverschiebung programmierbar zu sein, um einen Strahl einer Mikrowellenstrahlung auf das Ziel zu richten, derart, dass die Mikrowellenstrahlung von jedem Antennenelement im Wesentlichen gleichphasig mit der Mikrowellenstrahlung von den anderen Antennenelementen an dem Ziel ankommt. Um einen Parameter des Mikrowellenabbildungssystems zu optimieren, werden die Phasenverschiebungen von Selektiven der Antennenelemente verändert, während gleichzeitig der im Wesentlichen gleichphasige Strahl einer Mikrowellenstrahlung an dem Ziel aufrechterhalten wird.

Bei einem Ausführungsbeispiel ist der zu optimierende Parameter ein Verhältnis einer konstruktiven Störung der Mikrowellenstrahlung an dem Ziel und der destruktiven Störung der Mikrowellenstrahlung an einem Mikrowellenempfänger. Das Verhältnis wird dadurch optimiert, dass die destruktive Störung an dem Mikrowellenempfänger erhöht wird, ohne die konstruktive Störung an dem Ziel zu verringern. Beispielsweise können die zur Phasenverschiebungsänderung ausgewählten Antennenelemente diejenigen Antennenelemente umfassen, deren Mikrowellenstrahlenzüge den höchsten Phasenversatz von einer idealen Phase aufweisen.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist der zu optimierende Parameter eine minimale Anzahl von Phasenverschiebungsänderungen in dem Array zwischen aufeinander folgenden Mikrowellenbildern. Wenn das Array zur Verwendung beim Scannen bzw. Abtasten eines Objekts durch Aufnehmen aufeinander folgender Mikrowellenbilder von Zielen entworfen ist, die dem Objekt zugeordnet sind, kann die minimale Anzahl von Phasenverschiebungsänderungen dadurch optimiert werden, dass eine Reihenfolge für die aufeinander folgenden Mikrowellenbilder ausgewählt wird.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der zu optimierende Parameter ein Verhältnis eines Hauptkeulenbereichs zu Nebenkeulenbereichen des Strahls einer Mikrowellenstrahlung an dem Ziel. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei dem die ausgewählten Phasenverschiebungen für jedes der Antennenelemente ein Muster bilden, ist der zu optimierende Parameter eine Metrik, die der digitalen Komprimierung der Musterbeschreibung in Bits zugeordnet ist, was einen kleineren Speicherraum und eine schnellere Handhabung der Musterdaten ermöglicht.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen, die wichtige exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen und durch Bezugnahme in die vorliegende Spezifikation integriert sind, beschrieben. Es zeigen:
1 ein schematisches Diagramm eines vereinfachten exemplarischen Mikrowellenabbildungssystems, das ein programmierbares Antennenarray gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung umfasst;
2 ein exemplarisches aktives Antennenelement zur Verwendung bei einem aktiven Sende/Empfangsarray, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
3 eine Querschnittsansicht eines passiven Antennenelements zur Verwendung bei einem Reflektorarray, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
4 ein schematisches Diagramm einer Draufsicht auf ein exemplarisches Reflektorarray, das reflektierende Antennenelemente zum Reflektieren von Mik rowellenstrahlung umfasst, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
5A–5C Phasordarstellungen von Mikrowellenstrahlenzügen;
6A–6C exemplarische Abschnitte von Phasenverschiebungsmustern für aufeinander folgende Mikrowellenbilder;
7 ein schematisches Diagramm, das eine Leckmikrowellenstrahlung zwischen einer Mikrowellenquelle und einem Mikrowellenempfänger veranschaulicht;
8A und 8B Graphen, die exemplarische Signal/Rausch-Verhältnisse an dem Mikrowellenempfänger veranschaulichen;
9 einen exemplarischen Abschnitt eines Phasenverschiebungsmusters für ein Array;
10A und 10B exemplarische komprimierbare Abschnitte von Phasenverschiebungsmustern;
11 ein Flussdiagramm, das einen exemplarischen Prozess zum Optimieren eines Mikrowellenabbildungssystems zum Aufnehmen eines Mikrowellenbildes eines Ziels veranschaulicht, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; und
12 ein exemplarisches globales Phasenverschiebungsmuster für ein Array.
Gemäß ihrer Verwendung in dem vorliegenden Dokument beziehen sich die Begriffe Mikrowellenstrahlung und Mikrowellenbeleuchtung jeweils auf das Band elektromagnetischer Strahlung, das Wellenlängen zwischen 0,3 mm und 30 cm aufweist, die Frequenzen von etwa 1 GHz bis etwa 1000 GHz entspre chen. Somit umfassen die Begriffe Mikrowellenstrahlung und Mikrowellenbeleuchtung jeweils traditionelle Mikrowellenstrahlung sowie das, was man üblicherweise als Millimeterwellenstrahlung bezeichnet.
1 ist ein schematisches Diagramm eines vereinfachten exemplarischen Mikrowellenabbildungssystems 10, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Das Mikrowellenabbildungssystem 10 umfasst ein oder mehr Arrays 50 (von denen der Zweckmäßigkeit halber lediglich eines gezeigt ist), von denen jedes in der Lage ist, Mikrowellenstrahlung über Antennenelemente 80 zu senden, zu empfangen und/oder zu reflektieren, um ein Mikrowellenbild eines Objekts 150 (z. B. eines Koffers, eines menschlichen Subjekts oder eines anderen interessierenden Gegentandes) aufzunehmen.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst das Array 50 ein passives programmierbares Reflektorarray, das aus reflektierenden Antennenelementen 80 zusammengesetzt ist. Jedes der reflektierenden Antennenelemente ist in der Lage, mit einer jeweiligen Phasenverschiebung programmiert zu werden, um einen Strahl einer Mikrowellenstrahlung auf ein Ziel 155 (z. B. einen Punkt oder einen Bereich/ein Volumen im 3D-Raum, der bzw. das einem Voxel oder einer Mehrzahl von Voxeln in einem Bild des Objekts 150 entspricht) an dem gerade abgebildeten Objekt 150 zu richten. Die Phasenverschiebung kann entweder binär oder kontinuierlich sein. Beispielsweise wird eine Mikrowellenstrahlung, die durch das Array 50 von einer Mikrowellenquelle (nicht gezeigt) empfangen wird, zu dem Ziel 155 an dem Objekt 150 reflektiert, und reflektierte Mikrowellenstrahlung, die von dem Ziel 155 reflektiert und durch das Array 50 empfangen wird, wird zu einem Mikrowellenempfänger (nicht gezeigt) reflektiert, indem jedes der einzelnen reflektierenden Antennenelemente 80 mit einer jeweiligen Phasenverschiebung programmiert wird.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst das Array 50 ein aktives Sender/Empfängerarray, das aus aktiven Antennenelementen 80 besteht, die in der Lage sind, Mikrowellenstrahlung zu erzeugen und zu senden und reflektierte Mikrowellenstrahlung zu empfangen und zu erfassen. Beispielsweise kann das aktive Array in Form eines Transmissionsarrays vorliegen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird keine entfernte Mikrowellenquelle verwendet, da das Array 50 als Mikrowellenstrahlungsquelle arbeitet. Jedes der aktiven Antennenelemente in dem aktiven Sender/Empfängerarray ist einzeln mit einer jeweiligen Phasenverschiebung programmierbar, um einen Strahl einer Mikrowellenstrahlung zu dem Ziel 155 zu lenken.
Das Mikrowellenabbildungssystem 10 umfasst ferner einen Prozessor 100, ein computerlesbares Medium 110 und eine Anzeige 120. Der Prozessor 100 umfasst eine beliebige Hardware, Software, Firmware oder Kombination derselben zum Steuern des Arrays 50 und zum Verarbeiten der von dem Ziel 155 reflektierten empfangenen Mikrowellenstrahlung 20, um ein Mikrowellenbild des Ziels 155 und/oder Objekts 150 herzustellen. Beispielsweise kann der Prozessor 100 eine(n) oder mehr Mikroprozessoren, Mikrosteuerungen, programmierbare Logikvorrichtungen, Digitalsignalprozessoren oder andere Arten von Verarbeitungsvorrichtungen umfassen, die dazu konfiguriert sind, Anweisungen eines Computerprogramms auszuführen, sowie einen oder mehr Speicher (z. B. Cache-Speicher), die die Anweisungen und andere Daten, die durch den Prozessor 100 verwendet werden, speichern. Jedoch sollte man verstehen, dass auch andere Ausführungsbeispiele des Prozessors 100 verwendet werden können. Der Speicher 110 ist eine beliebige Art einer Datenspeichervorrichtung, einschließlich, aber nicht ausschließlich, eines Festplattenlaufwerks, eines Direktzugriffsspeichers (RAM), eines Nur-Lese-Speichers (ROM), einer Compact-Disk, einer Floppy-Disk, eines ZIP^®-Laufwerks, eines Bandlaufwerks, einer Datenbank oder einer anderen Art von Speichervorrichtung oder Speichermedium.
Der Prozessor 100 arbeitet dahin gehend, das Array 50 unter Verwendung eines oder mehrerer Muster 115, das bzw. die in dem computerlesbaren Medium 110 gespeichert ist bzw. sind, zu programmieren. Jedes Muster 115 enthält die Phasenverschiebungen jedes der einzelnen Antennenelemente 80 in dem Array 50, um ein bestimmtes Ziel 155 an dem Objekt 150 mit Mikrowellenstrahlung zu beleuchten und/oder reflektierte Mikrowellenstrahlung von einem bestimmtem Ziel 155 an dem Objekt 150 zu empfangen. Somit arbeitet der Prozessor 100 in Verbindung mit den Mustern 115 und dem Array 50 dahin gehend, das Objekt 150 abzutasten.
Der Prozessor 100 ist ferner dazu in der Lage, ein Mikrowellenbild des Objekts 150 unter Verwendung der Intensität der reflektierten Mikrowellenstrahlung herzustellen, die durch das Array 50 von jedem Ziel 155 an dem Objekt 150 aufgenommen wird. Beispielsweise ist der (nicht gezeigte) Mikrowellenempfänger bei Ausführungsbeispielen, bei denen das Array 50 ein Reflektorarray ist, in der Lage, die reflektierte Mikrowellenstrahlung, die von jedem Antennenelement 80 in dem Array 50 reflektiert wird, zu kombinieren, um einen Wert der effektiven Intensität der reflektierten Mikrowellenstrahlung an dem Ziel 155 zu erzeugen. Der Intensitätswert wird an den Prozessor 100 geleitet, der den Intensitätswert als Wert eines Pixels oder Voxels verwendet, das dem Ziel 155 an dem Objekt 150 entspricht. Bei anderen Ausführungsbeispielen, bei denen die reflektierte Mikrowellenstrahlung die Intensität einer Fläche/Volumens von Voxeln darstellt, misst der Prozessor 100 für jedes Mikrowellenbild eines Ziels 155 (Fläche/Volumen im 3D-Raum) eine Fourier-Transformationskomponente des gewünschten Bildes des Objekts 150. Der Prozessor 100 führt unter Verwendung der gemessenen Fourier-Transformationskomponenten eine inverse Fouriertransformation durch, um das Bild des Objekts 150 zu erzeugen. Im Betrieb kann das Mikrowellenabbildungssystem 10 bei Frequenzen arbeiten, die ermöglichen, dass Millionen von Zielen 155 pro Sekunde abgetastet werden.
Das resultierende Mikrowellenbild des Ziels 155 und/oder Objekts 150 kann von dem Prozessor 100 an die Anzeige 120 geleitet werden, um das Mikrowellenbild anzuzeigen. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Anzeige 120 eine zweidimensionale Anzeige zum Anzeigen eines dreidimensionalen Mikrowellenbildes des Objekts 150 oder eines oder mehrerer eindimensionaler oder zweidimensionaler Mikrowellenbilder des Ziels 155 und/oder Objekts 150. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Anzeige 120 eine dreidimensionale Anzeige, die in der Lage ist, ein dreidimensionales Mikrowellenbild des Objekts 150 anzuzeigen.
Man sollte verstehen, dass mehrere Arrays 50 verwendet werden können, um verschiedene Abschnitte des Objekts 150 abzutasten. Beispielsweise kann das Mikrowellenabbildungssystem 10 mit zwei Arrays implementiert sein, von denen jedes ein 1mx1m-Array von Antennenelementen 80 umfasst, um die Hälfte des Objekts 150 zu scannen bzw. abzutasten, wenn das Objekt 150 eine Person von zwei Metern Höhe und einem Meter Breite ist. Als weiteres Beispiel kann das Mikrowellenabbildungssystem 10 mit acht Arrays 50 implementiert sein, von denen jedes ein 0,5×0,5-Array von Antennenelementen 80 umfasst, die in der Lage sind, einen Quadranten des Personenobjekts 150 abzutasten.
2 veranschaulicht ein Beispiel eines aktiven Antennenelements 200 (das einem Antennenelement 80 in 1 entspricht) zur Verwendung bei einem aktiven Sende-/Empfangs- oder reflektierenden Array. Das aktive Antennenelement 200 ist ein binärphasengesteuertes Breitbandantennenelement, das eine mit einem jeweiligen Schalter 215 verbundene Antenne 210 umfasst. Der Schalter 215 kann beispielsweise ein einpoliger Umschalter (SPDT-Schalter) oder ein zweipoliger Umschalter (DPDT-Schalter) sein. Der Betriebszustand des Schalters 215 steuert die Phase des jeweiligen Antennenele ments 200. Beispielsweise kann sich das Antennenelement 200 bei einem ersten Betriebszustand des Schalters 215 in einem ersten Binärzustand (z.B. 0 Grad) befinden, während sich das Antennenelement 200 bei einem zweiten Betriebszustand des Schalters 215 in einem zweiten Binärzustand (z.B. 180 Grad) befinden kann. Der Betriebszustand des Schalters 215 definiert die Anschlussverbindungen des Schalters 215. Beispielsweise kann sich der Anschluss 218 bei dem ersten Betriebszustand in einer geschlossenen (Kurzschluss-)Position befinden, um eine Speiseleitung 216 zwischen der Antenne 210 und dem Schalter 215 zu verbinden, während sich der Anschluss 219 in einer offenen Position befinden kann. Der Betriebszustand jedes Schalters 215 wird unabhängig durch eine (nicht gezeigte) Steuerschaltung gesteuert, um die Phase jedes Antennenelements 200 einzeln einzustellen.
Gemäß seiner Verwendung in dem vorliegenden Dokument bezieht sich der Begriff symmetrische Antenne 210 auf eine Antenne, die an einem von zwei Speisepunkten 211 oder 213 abgegriffen oder gespeist werden kann, um eine(n) von zwei entgegengesetzten symmetrischen Feldverteilungen oder elektrischen Strömen zu erzeugen. Wie in 2 gezeigt ist, werden die zwei entgegengesetzten symmetrischen Feldverteilungen unter Verwendung einer symmetrischen Antenne 210 erzeugt, die um eine Spiegelachse 250 derselben eine symmetrische Gestalt aufweist. Die Spiegelachse 250 verläuft durch die Antenne 210, um zwei symmetrische Seiten 252 und 254 zu erzeugen. Die Speisepunkte 211 und 213 sind auf jeder Seite 252 und 254 der Spiegelachse 250 der Antenne 210 angeordnet. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Speisepunkte 211 und 213 auf der Antenne 210 im Wesentlichen symmetrisch um die Spiegelachse 250 positioniert. Beispielsweise kann die Spiegelachse 250 parallel zu einer Abmessung 260 (z.B. Länge, Breite, Höhe usw.) der Antenne 210 verlaufen, und die Speisepunkte 211 und 213 können in der Nähe eines Mittelpunktes 270 der Abmessung 260 positioniert sein. Bei 2 sind die Speisepunkte 211 und 213 in der Nähe eines Mittelpunktes 270 der Antenne 210 auf jeder Seite 252 und 254 der Spiegelachse 250 positioniert gezeigt.
Die symmetrische Antenne 210 ist in der Lage, zwei entgegengesetzte symmetrische Feldverteilungen zu erzeugen, die mit A und B bezeichnet sind. Die Größe (z.B. Leistung) der Feldverteilung A ist im Wesentlichen identisch mit der Größe der Feldverteilung B, jedoch unterscheidet sich die Phase der Feldverteilung A um 180 Grad von der Phase der Feldverteilung B. Somit ähnelt die Feldverteilung A der Feldverteilung B bei ± 180 Grad in dem elektrischen Zyklus.
Die symmetrische Antenne 210 ist über Speiseleitungen 216 und 217 mit dem symmetrischen Schalter 215 verbunden. Der Speisepunkt 211 ist über die Speiseleitung 216 mit dem Anschluss 218 des symmetrischen Schalters 215 verbunden, und der Speisepunkt 213 ist über die Speiseleitung 217 mit dem Anschluss 219 des symmetrischen Schalters 215 verbunden. Gemäß seiner Verwendung in dem vorliegenden Dokument bezieht sich der Begriff symmetrischer Schalter entweder auf einen SPDT- oder einen DPDT-Schalter, wobei die zwei Betriebszustände des Schalters um die Anschlüsse 218 und 219 herum symmetrisch sind.
Wenn beispielsweise bei einem ersten Betriebszustand eines SPDT-Schalters die Impedanz eines Kanals (als Kanal α bezeichnet) 10 Ω beträgt und die Impedanz eines anderen Kanals (als Kanal β bezeichnet) 1 kΩ beträgt, dann beträgt die Impedanz des Kanals α bei dem zweiten Betriebszustand des SPDT-Schalters 1 kΩ, und die Impedanz des Kanals β beträgt 10 Ω. Man sollte verstehen, dass die Kanalimpedanzen keine perfekten Leerläufe oder Kurzschlüsse oder sogar reell sein müssen. Zusätzlich kann ein Übersprechen zwischen den Kanälen vorliegen, solange das Übersprechen zustandssymmetrisch ist. Allgemein ist ein Schalter symmetrisch, wenn die S-Parametermatrix des Schalters in den zwei Betriebszuständen des Schalters (z.B. zwischen den zwei Anschlüssen 218 und 219) identisch ist.
3 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines reflektierenden Antennenelements 300 (das dem Antennenelement 80 in 1 entspricht), das dahin gehend arbeitet, elektromagnetische Strahlung je nach dem Impedanzzustand des Antennenelements 300 mit variierender Phase zu reflektieren. Das reflektierende Antennenelement 300 umfasst eine Antenne (Patch-Antenne 320a) und eine nicht ideale Schaltvorrichtung (oberflächenmontierter Feldeffekttransistor „FET" 322).
Das reflektierende Antennenelement 300 ist auf und in einem Gedruckte-Schaltungsplatine-Substrat 314 gebildet und umfasst den oberflächenmontierten FET 322, die Patch-Antenne 320a, eine Drain-Durchkontaktierung 332, eine Masseebene 336 und eine Source-Durchkontaktierung 338. Der oberflächenmontierte FET 322 ist an der der planaren Patch-Antenne 320a gegenüberliegenden Seite des Gedruckte-Schaltungsplatine-Substrats 314 angebracht, und die Masseebene 336 ist zwischen der planaren Patch-Antenne 320a und dem oberflächenmontierten FET 322 positioniert. Die Drain-Durchkontaktierung 332 verbindet das Drain 328 des oberflächenmontierten FET 322 mit der planaren Patch-Antenne 320a, und die Source-Durchkontaktierung 338 verbindet die Quelle 326 des oberflächenmontierten FET 322 mit der Masseebene 336.
Bei einem funktionierendem Produkt ist das Reflektorantennenarray mit einer Steuerungsplatine 340 verbunden, die eine Treiberelektronik umfasst. Eine beispielhafte Steuerungsplatine 340 ist ebenfalls in 3 gezeigt und umfasst eine Masseebene 344, eine Treibersignal-Durchkontaktierung 346 und eine Treiberelektronik 342. Die Steuerungsplatine 340 umfasst ferner Verbinder 348, die mit Verbindern 350 des Reflektorantennenarrays kompatibel sind. Die Verbinder 348 der zwei Platinen können beispielsweise unter Verwendung von Schwalllöten miteinander verbunden sein. Man sollte verstehen, dass der FET 322 bei anderen Ausführungsbeispielen an derselben Seite des Gedruckte-Schaltungsplatine-Substrats 314 oberflächenmontiert sein kann wie die planare Patch-Antenne 320a. Außerdem kann die Treiberelektronik 342 direkt an dieselbe gedruckte Schaltungsplatine gelötet sein, in der das reflektierende Antennenelement 300 gebaut ist.
Das Patch-Antennenelement 320a fungiert dahin gehend, mit mehr oder weniger Phasenverschiebung zu reflektieren, je nach dem Impedanzpegel des reflektierenden Antennenelements 300. Das reflektierende Antennenelement 300 weist eine Impedanzkurve auf, die eine Funktion der Antennenentwurfsparameter ist. Entwurfsparameter von Antennen umfassen physische Attribute wie z.B. das dielektrische Konstruktionsmaterial, die Dicke des dielektrischen Materials, die Gestalt der Antenne, die Länge und Breite der Antenne, die Speiseposition und die Dicke der Antennenmetallschicht, sind aber nicht auf diese beschränkt.
Der FET 330 (die nicht ideale Schaltvorrichtung) verändert den Impedanzzustand des reflektierenden Antennenelements 300, indem sie dessen ohmschen Zustand verändert. Ein niedriger ohmscher Zustand (z.B. ein geschlossener Stromkreis oder ein „Kurzschluss") drückt sich in einer niedrigen Impedanz aus. Umgekehrt drückt sich ein hoher ohmscher Zustand (z.B. ein Leerlauf) in einer hohen Impedanz aus. Eine Schaltvorrichtung mit idealen Leistungsfähigkeitscharakteristika (die hierin als „ideale" Schaltvorrichtung bezeichnet wird) erzeugt effektiv eine Nullimpedanz (Z = 0), wenn ihr Widerstand seinen niedrigsten Zustand aufweist, und effektiv eine unendliche Impedanz (Z = ∞), wenn ihr Widerstand seinen höchsten Zustand aufweist. Wie hierin beschrieben ist, ist eine Schaltvorrichtung „eingeschaltet" bzw. „ein", wenn ihre Impedanz ihren niedrigsten Zustand aufweist (z.B. Z_ein = 0) und „ausgeschaltet" bzw. „aus", wenn ihre Impedanz ihren höchsten Zustand aufweist (z.B. Z_aus = ∞). Da der Ein- und der Aus-Impedanzzustand einer idealen Schaltvorrichtung effektiv Z_ein = 0 und Z_aus = ∞ sind, ist eine ideale Schaltvorrichtung in der Lage, die maximale Phasenverschiebung ohne Absorption elektromagnetischer Strahlung zwischen dem Ein- und dem Aus-Zustand zu liefern. Das heißt, dass die ideale Schaltvorrichtung in der Lage ist, ein Umschalten zwischen Phasenzuständen von 0 und 180 Grad zu liefern. In dem Fall einer idealen Schaltvorrichtung kann eine maximale Phasenamplituden-Leistungsfähigkeit mit einer Antenne erzielt werden, die eine beliebige finite nicht Null betragende Impedanz aufweist.
Im Gegensatz zu einer idealen Schaltvorrichtung ist eine „nicht ideale" Schaltvorrichtung eine Schaltvorrichtung, die keine Ein- und Aus-Impedanzzustände Z_ein = 0 bzw. Z_aus = ∞ aufweist. Vielmehr liegen die Ein- und Aus-Impedanzzustände einer nicht idealen Schaltvorrichtung typischerweise beispielsweise irgendwo zwischen 0 < |Zein| < |Zaus| < ∞. Bei manchen Anwendungen können die Ein- und Aus-Impedanzzustände sogar |Zaus| <= |Zein| sein. Eine nicht ideale Schaltvorrichtung kann in bestimmten Frequenzbereichen (z.B. < 10 GHz) ideale Impedanzkurven aufweisen und in anderen Frequenzbereichen (z.B. > 20 GHz) äußerst unideale Impedanzkurven aufweisen.
Da der Ein- und der Aus-Impedanzzustand einer nicht idealen Schaltvorrichtung irgendwo zwischen Z_ein = 0 und Z_aus = ∞ liegt, liefert die nicht ideale Schaltvorrichtung nicht notwendigerweise die maximale Phasenzustandsleistungsfähigkeit ungeachtet der Impedanz der entsprechenden Antenne, wobei die maximale Phasenzustandsleistungsfähigkeit ein Umschalten zwischen Phasenzuständen von 0 und 180 Grad beinhaltet. Gemäß der Erfindung ist das reflektierende Antennenelement 300 der 3 spezifisch dazu entworfen, eine optimale Phasenleistungsfähigkeit zu liefern, wobei die optimale Phasenzustandsleistungsfähigkeit eines reflektierenden Antennenelements der Punkt ist, an dem das reflektierende Element am nächsten daran ist, zwischen Phasenamplitudenzuständen von 0 und 180 Grad umzuschalten. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Antennenelement 300, um eine optimale Phasenzustandsleistungsfähigkeit zu erzielen, als Funktion der Impedanz der nicht idealen Schaltvorrichtung (FET 330) konfiguriert. Beispielsweise ist das Antennenelement 300 derart entworfen, dass die Impedanz des Antennenelements 300 eine Funktion von Impedanzkurven des FET 330 ist.
Ferner ist das Antennenelement 300 als Funktion der Impedanz der nicht idealen Schaltvorrichtung (FET 330) in dem eingeschalteten Zustand Z_ein und die Impedanz der nicht idealen Schaltvorrichtung 330 in dem ausgeschalteten Zustand Z_aus konfiguriert. Bei einem bestimmten Ausführungsbeispiel ist die Phasenzustandsleistungsfähigkeit des reflektierenden Antennenelements 300 optimiert, wenn das Antennenelement 300 derart konfiguriert sind, dass die Impedanz des Antennenelements 300 der Quadratwurzel der Impedanz der nicht idealen Schaltvorrichtung 330 zugeordnet ist, wenn sie sich in dem eingeschalteten und ausgeschalteten Impedanzzustand, Z_ein und Z_aus, befinden. Im Einzelnen ist die Impedanz des Antennenelements 300 die konjugiert Komplexe des geometrischen Mittelwerts des eingeschalteten und des ausgeschalteten Impedanzzustands, Z_ein und Z_aus, der entsprechenden nicht idealen Schaltvorrichtung 330. Diese Beziehung wird wie folgt dargestellt: ZAntenne* – √ZeinZaus (1)wobei 0* eine konjugiert Komplexe bezeichnet. Die oben beschriebene Beziehung wird unter Verwendung der hinreichend bekannten Formel für den komplexen Reflexionskoeffizienten zwischen einer Quellenimpedanz und einer Lastimpedanz abgeleitet. Wenn man als Quelle das Antennenelement 300 und als Last die nicht ideale Schaltvorrichtung 330 wählt, wird der Ein-Zustand-Reflexionskoeffizient gleich dem Gegenteil des Aus-Zustand-Reflexionskoeffizienten gesetzt, um zu der Gleichung (1) zu gelangen.
Das Antennenelement 300 so zu entwerfen, dass es eine optimale Phasen-Amplituden-Leistungsfähigkeit aufweist, beinhaltet, die Ein- und Aus-Impedanzen, Z_ein und Z_aus, der jeweiligen nicht idealen Schaltvorrichtung, die bei dem reflektierenden Antennenelement 300 (in diesem Fall dem FET 330) verwendet wird, zu ermitteln. Entwurfsparameter des Antennenelements 300 werden anschließend manipuliert, um ein Antennenelement 300 mit einer Impedanz zu erzeugen, die die in der obigen Gleichung (1) ausgedrückte Beziehung erfüllt. Ein Antennenelement 300, das die Gleichung (1) erfüllt, kann entworfen werden, so lange bestimmt wird, dass Z_ein und Z_aus gesonderte Werte sind.
Eine andere Art Schaltvorrichtung als der in 3 gezeigte oberflächenmontierte FET 330, die über das interessierende Frequenzband hinweg nicht ideale Impedanzkurven aufweist, ist eine Oberflächenmontagediode. Obwohl oberflächenmontierte Dioden im Vergleich zu oberflächenmontierten FETs über das interessierende Frequenzband hinweg verbesserte Impedanzkurven aufweisen, sind oberflächenmontierte FETs jedoch relativ kostengünstig und können zur Verwendung bei Reflektorantennenarray-Anwendungen einzeln gepackt werden.
Bei einem Reflektorantennenarray, das als nicht ideale Schaltvorrichtungen FETs verwendet, hängt die Strahlabtastgeschwindigkeit, die erzielt werden kann, von einer Reihe von Faktoren ab, einschließlich des Signal/Rausch-Verhältnisses, Übersprechens sowie der Schaltzeit. Im Fall eines FET hängt die Schaltzeit von der Gatekapazität, der Drain-Source-Kapazität und dem Kanalwiderstand (d.h. dem Drain-Source-Widerstand) ab. Der Kanalwiderstand ist in der Tat vom Raum sowie von der Zeit abhängig. Um die Schaltzeit zwischen Impedanzzuständen zu minimieren, ist das Drain des FET vorzugsweise zu jeder Zeit Gleichstrom-kurzgeschlossen. Das Drain ist vorzugsweise zu jeder Zeit Gleichstromkurzgeschlossen, da ein Schwebenlassen bzw. Floaten des Drain auf Grund der riesigen Parallelplattenfläche der Patch-Antenne einen hohen Aus-Zustand-Kanalwiderstand sowie eine hohe Drain-Source-Kapazität darstellt. Dies impliziert, dass die Antenne vorzugsweise Gleichstromkurzgeschlossen ist, man möchte jedoch, dass der einzige „Hochfrequenzkurzschluss", den die Antenne erfährt, an der Source erfolgt. Somit muss der zusätzliche Antenne/Drain-Kurzschluss optimal positioniert sein, um die Antenne minimal zu stören.
Man sollte verstehen, dass bei dem reflektierenden Antennenelement 300 statt der Patch-Antenne 320a auch andere Arten von Antennen verwendet werden können. Beispielsweise, jedoch ohne Einschränkung, umfassen andere Antennentypen Antennen vom Dipol-, Monopol-, Rahmen- und Dielektrischer-Resonator-Typ. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann das reflektierende Antennenelement 300 ein kontinuierlichphasenverschobenes Antennenelement 300 sein, indem die FETs 330 durch variable Kondensatoren (z.B. Bariumstrontiumtitanat-Kondensatoren (BST-Kondensatoren)) ersetzt werden. Bei den mit variablen Kondensatoren beladenen Patches kann für jedes Antennenelement 300 statt des Binärphasenverschiebens, das durch die mit FETs beladenen Patches erzeugt wird, ein Kontinuierlich-Phasenverschieben erzielt werden. kontinuierlich-phasengesteuerte Arrays können dazu angepasst werden, jegliche gewünschte Phasenverschiebung zu liefern, um einen Mikrowellenstrahl in einem Strahlabtastmuster in jede beliebige Richtung zu lenken.
4 ist ein schematisches Diagramm einer Draufsicht auf ein exemplarisches Array 50 zum Reflektieren von Mikrowellenstrahlung, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Bei 4 wird ein Strahl 400 einer Mikrowellenstrahlung, der von einer Mikrowellenquelle 60 gesendet wird, durch verschiedene Antennenelemente 80 in dem Array 50 empfangen. Die Mikrowellenquelle kann eine beliebige Quelle sein, die ausreichend zum Beleuchten des Arrays 50 ist, einschließlich, aber ohne Einschränkung, einer Punktquelle, einer Hornantenne oder einer anderen Art von Anten ne. Die Antennenelemente 80 in dem Array 50 sind jeweils mit einer jeweiligen Phasenverschiebung programmiert, um einen Strahl einer reflektierten Mikrowellenstrahlung 410 auf ein Ziel 155 zu richten. Die Phasenverschiebungen sind dahin gehend ausgewählt, eine positive (konstruktive) Störung zwischen allen Mikrowellenstrahlenzügen, die mit r₁, r₂, r_n und r_m bezeichnet sind, in dem Strahl reflektierter Mikrowellenstrahlung 410 an dem Ziel 155 zu erzeugen. Im Idealfall ist die Phasenverschiebung jedes der Antennenelemente 80 eingestellt, um für jeden Mikrowellenstrahlenzug r₁, r₂, r_n und r_m der reflektierten Mikrowellenstrahlung 410 dieselbe Phasenverzögerung von der Quelle (Antennenelemente 80) zum Ziel 155 zu liefern.
Jedoch können gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung die Phasenverschiebungen, die an eines oder mehr der Antennenelemente angelegt sind, verändert werden, um einen oder mehr Parameter des Mikrowellenabbildungssystems zu optimieren, wie nachstehend in Verbindung mit 5 bis 11 ausführlicher beschrieben wird. Beispiele von Parametern, die optimiert werden können, umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, ein Erhöhen der destruktiven Störung an dem Mikrowellenempfänger, ohne die konstruktive Störung an dem Ziel entsprechend zu verringern, ein Minimieren der Anzahl von Phasenverschiebungsänderungen in dem Array zwischen aufeinander folgenden Mikrowellenbildern, ein Reduzieren des Bereichs von Nebenkeulen bezüglich des Hauptkeulenbereichs und ein Verstärken der Komprimierung des Phasenverschiebungsmusters, das alle Phasenverschiebungen für jedes Antennenelement 80 in dem Array 50 für ein bestimmtes Mikrowellenbild eines bestimmten Ziels 155 enthält.
Obwohl dies nicht gezeigt ist, sollte man verstehen, dass auf ähnliche Weise eine von dem Ziel 155 reflektierte und an dem Array 50 empfangene Mikrowellenstrahlung zu einem (nicht gezeigten) Mikrowellenempfänger reflektiert werden kann. Die Mikrowellenquelle 60 kann entweder als separate Antenne oder als Teil des Mikrowellenempfängers in dersel ben räumlichen Position wie der Mikrowellenempfänger positioniert sein und das Ziel 155 durch das Array 50 beleuchten, oder sie kann an einer anderen räumlichen Position als der Mikrowellenempfänger positioniert sein und das Ziel 155 entweder direkt oder durch eines der Arrays 50 (z.B. dasselbe Array 50 wie der Mikrowellenempfänger oder ein anderes Array 50) beleuchten.
Unter Bezugnahme auf 5A kann jeder in 4 gezeigte Mikrowellenstrahlenzug (r₁, r₂, r_n und r_m) als Phasor dargestellt und mit einer bestimmten Größe und Phase beschrieben werden. Beispielsweise kann der Mikrowellenstrahlenzug r₁ als r₁*e^(j*phase1) beschrieben werden und als Phasor in einer zweidimensionalen komplexen Ebene dargestellt werden, die Real-(Re-) und Imaginär-(Im-) Komponenten umfasst. Bei 5A sind die Mikrowellenstrahlenzüge r₁, r₂, r_n und r_m als Phasoren dargestellt {r₁, phase₁}, {r₂, phase₂}, {r_n, phase_n} und {r_m, phase_m}. Die Summe aller Phasoren {r₁, Phase₁}, {r₂, phase₂}, {r_n, phase_n} und {r_m, phase_m} bestimmt die Amplitude des Strahls einer Mikrowellenstrahlung an dem Ziel. Um die Amplitude an dem Ziel zu maximieren, sollten die Mikrowellenstrahlenzüge r₁, r₂, r_n und r_m von jedem der Antennenelemente dieselbe Phase aufweisen. Für ein kontinuierlich phasengesteuertes Array kann jedes Antennenelement mit einer kontinuierlich variablen Phasenverschiebung programmiert werden, um alle Mikrowellenstrahlenzüge mit derselben Phase auszurichten.
Bei einem quantisierten (diskreten) Array, bei dem jedes Antennenelement mit lediglich einer einer bestimmten Anzahl von diskreten Phasenverschiebungen programmiert werden kann, können die Phasen der Mikrowellenstrahlenzüge jedoch eventuell nur teilweise ausgerichtet werden. Beispielsweise kann bei einem binären Array jedes Antennenelement lediglich mit einem von zwei verschiedenen Binärzuständen (z.B. Phasenverschiebung von 0 Grad oder Phasenverschiebung von 180 Grad) programmiert werden. Somit werden die Phasenverschiebungen jedes Antennenelements lediglich dahin gehend programmiert, die konstruktive Störung an dem Ziel zu maximieren und die destruktive Störung an dem Ziel zu minimieren (oder zu verhindern). Um eine destruktive Störung an dem Ziel zu verhindern, wird eine ideale Phase (in 5A entlang der Linie 500 gezeigt) ausgewählt, und alle Antennenelemente werden mit einer bestimmten quantisierten Phasenverschiebung programmiert, um jeweilige Mikrowellenstrahlenzüge zu erzeugen, die kollektiv einen Strahl einer Mikrowellenstrahlung an der idealen Phase 500 bilden (z.B. ist die Summe aller Mikrowellenstrahlenzüge an dem Ziel ein Phasor an der idealen Phase 500).
Wie in 5B zu sehen ist, kann, nachdem die ideale Phase 500 ausgewählt wurde, eine zu der idealen Phase 500 orthogonale Quantisierungslinie 510 dazu verwendet werden, die an jeden einzelnen Mikrowellenstrahlenzug angelegte Phasenverschiebung zu ermitteln, um alle Mikrowellenstrahlenzüge zu befähigen, zu der idealen Phase 500 summiert zu werden. Bei 5B befinden sich die Mikrowellenstrahlenzüge r₁ und r_m auf derselben Seite der Quantisierungslinie 500 wie die ideale Phase 500. Somit wird an die Mikrowellenstrahlenzüge r₁ und r_m eine Binärphasenverschiebung von 0 Grad angelegt, um die aktuelle Phase jedes dieser Strahlenzüge aufrechtzuerhalten. Jedoch befinden sich die Mikrowellenstrahlenzüge r₂ und r_n auf der der idealen Phase 500 gegenüberliegenden Seite der Quantisierungslinie 510. Folglich wird eine Binärphasenverschiebung von 180 Grad an die Mikrowellenstrahlenzüge r₂ und r_n angelegt, um die Phase dieser Mikrowellenstrahlenzüge auf dieselbe Seite der Quantisierungslinie wie die ideale Phase 500 wechseln zu lassen. Die Summer der Mikrowellenstrahlenzüge r₁, r₂, r_n und r_m ist ein Strahl einer Mikrowellenstrahlung bei der idealen Phase 500. Da jedoch die Phasen jedes der Mikrowellenstrahlenzüge nicht perfekt ausgerichtet sind, kann die Amplitude des Strahls einer Mikrowellenstrahlung an dem Ziel geringer sein als diejenige, die mit einem kontinuierlich variablen phasengesteuerten Array erzielbar ist.
Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, in 5C zu sehen, muss die ideale Phase 500 nicht einem Nullwinkel gleichen (wie in 5B gezeigt ist), sondern die ideale Phase 500 kann vielmehr bei einem beliebigen Winkel ausgewählt sein, um einen oder mehr Parameter des Mikrowellenabbildungssystems zu optimieren. Wenn beispielsweise bei einem Ausführungsbeispiel einer der Parameter die Anzahl von Phasenverschiebungen von 0 Grad oder 180 Grad in dem Array ist, kann der Winkel der idealen Phase 500 variiert werden, um das gewünschte Ergebnis zu erzeugen. Bei 5C ist die ideale Phase 500 in einem Winkel zu der Real-(Re-)Achse gezeichnet gezeigt, und die Quantisierungslinie 510 ist orthogonal zu der Richtung der idealen Phase 500 gezeichnet. Wenn der Winkel wie in 5C gezeigt gewählt ist, befinden sich die Mikrowellenstrahlenzüge r₁, r₂ und r_m auf derselben Seite der Quantisierungslinie 510 wie die ideale Phase 500, und lediglich der Mikrowellenstrahlenzug r_n befindet sich auf der der idealen Phase 500 gegenüberliegenden Seite der Quantisierungslinie 510, was die Anzahl von Phasenverschiebungen von 180 Grad minimiert und die Anzahl von Phasenverschiebungen um 0 Grad in dem Array maximiert.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Winkel der idealen Phase 500, wenn der zu optimierende Parameter eine minimale Anzahl von Phasenverschiebungsänderungen in dem Array zwischen aufeinander folgenden Mikrowellenbildern ist, für jedes Mikrowellenbild variiert werden, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Wenn beispielsweise das Antennenelement, das den Mikrowellenstrahlenzug r₂ produziert, bei dem vorherigen Mikrowellenbild mit einer Phasenverschiebung von 0 Grad programmiert wurde, kann der Winkel der idealen Phase 500, um ein Verändern der Phasenverschiebung für das aktuelle Mikrowellenbild zu vermeiden, vom Nullwinkel versetzt sein, wie in 5C gezeigt ist, um die Phasenverschiebung von 0 Grad für das aktuelle Mikrowellenbild aufrechtzuerhalten. Wenn die ideale Phase 500 bei einem Nullwinkel gehalten wird, wie in 5B gezeigt ist, verändert sich die Phasenverschiebung des den Mikrowellenstrahlenzug r₂ erzeugenden Antennenelements von 0 Grad auf 180 Grad.
Wie oben definiert wurde, bildet die Kombination aller Phasenverschiebungen, die den Antennenelementen in dem Array für ein bestimmtes Ziel zugewiesen sind, ein Muster. Im Fall eines Binärarrays, bei dem jedes Antennenelement lediglich eine von zwei Phasenverschiebungen einbringen kann, kann das Muster als Array von Einsen und Nullen dargestellt werden. Beispielhafte Binärphasenverschiebungsmuster 115a–115c für einen Abschnitt des Arrays, der die Antennenelemente enthält, die die in 4–5 gezeigten Mikrowellenstrahlenzüge r₁, r₂, r_n und r_m erzeugen, sind in 6A–6C gezeigt. Das Binärphasenverschiebungsmuster 115a in 6A stellt einen Abschnitt des Musters für ein erstes Mikrowellenbild eines ersten Ziels dar, das Binärphasenverschiebungsmuster 115b in 6B stellt einen Abschnitt des Musters für ein zweites Mikrowellenbild eines zweiten Ziels dar, und das Binärphasenverschiebungsmuster 115c in 6C stellt einen Abschnitt des Musters für ein drittes Mikrowellenbild eines dritten Ziels dar.
Wie in 6A–6C zu sehen ist, enthält jedes Muster 115a–115c Phasenverschiebungen 600, die an die Antennenelemente, die die Mikrowellenstrahlenzüge r₁, r₂, r_n und r_m erzeugen, angelegt sind. Bei 6A beträgt die Phasenverschiebung 600, die an das Antennenelement angelegt ist, das den Mikrowellenstrahlenzug r₁ erzeugt, bei dem ersten Muster 115a 0 Grad, während die Phasenverschiebung, die an dasselbe Antennenelement angelegt wird, bei dem zweiten Muster 115b 180 Grad beträgt. Somit liegt eine Änderung der Phasenverschiebung für das den Mikrowellenstrahlenzug r₁ erzeugende Antennenelement zwischen aufeinander folgenden Mikrowellenbildern vor, die unter Verwendung der Muster 115a und 115b aufgenommen werden. Desgleichen liegt eine Änderung der Phasenverschiebung für die Antennenelemente, die die Mikrowellenstrahlenzüge r_n und r_m erzeugen, zwischen den Mustern 115a und 115b vor. Um die Phasenverschiebungsänderungen zwischen aufeinander folgenden Mikrowellenbildern zu minimieren, kann der Idealphasenwinkel (500, in 5A–5C gezeigt) so geändert werden, dass die Phasenverschiebung für die maximale Anzahl von Antennenelementen zwischen den Mustern 115a und 115b dieselbe bleibt.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann ein Minimieren der Phasenverschiebungsänderungen zwischen aufeinander folgenden Mikrowellenbildern auch dadurch erzielt werden, dass eine Reihenfolge für die aufeinander folgenden Mikrowellenbilder ausgewählt wird, die zu den geringsten Änderungen zwischen den Mustern 115a–115c führt. Unter Verwendung der Muster 115a–115c in den 6A–6C kann das zweite Mikrowellenbild, wenn das Muster 115a zuerst dazu verwendet wird, ein erstes Mikrowellenbild aufzunehmen, unter Verwendung des Musters 115c aufgenommen werden, und das dritte Mikrowellenbild kann unter Verwendung des Musters 115b aufgenommen werden, um zu den geringsten Phasenverschiebungsänderungen zwischen Mustern zu führen. Wenn auf das Muster 115a das Muster 115b folgt, verändern sich die Phasenverschiebungen, die für drei der Antennenelemente (die den Mikrowellenstrahlenzügen r₁, r_n und r_m entsprechen) programmiert sind. Wenn jedoch das Muster 115c auf das Muster 115a folgt, ändert sich die Phasenverschiebung, die für lediglich eines der Antennenelemente (das dem Mikrowellenstrahlenzug r_m entspricht). Wenn das Muster 115b auf das Muster 115c folgt, ändert sich die Phasenverschiebung, die für lediglich zwei der Antennenelemente (die den Mikrowellenstrahlenzügen r₁ und r_n entsprechen) programmiert wurde.
Somit beträgt die Gesamtanzahl von Phasenverschiebungsänderungen unter Verwendung einer Musterreihenfolge der Muster 115a, 115c und 115b lediglich drei, wohingegen die Gesamtanzahl von Phasenverschiebungsänderungen unter Verwendung einer Musterreihenfolge der Muster 115a, 115b und 115c fünf beträgt. Ein Verringern der Anzahl von Phasenänderungen zwischen einem Paar von Mustern, die beim Abtasten bzw. Scannen einer Person oder eines anderen Objekts verwendet werden, verringert das Risiko, dass eines der Elemente die Phasenverschiebung nicht schnell genug ändert. Ferner verringert ein Reduzieren der Anzahl von Phasenänderungen zwischen aufeinander folgenden Mikrowellenbildern die Leistung, die zum Abtasten bzw. Scannen der Person oder des anderen Objekts nötig ist.
Obwohl die hierin beschriebenen Muster einfache Muster des Typs sind, der am einfachsten mit einer einzigen Punktquelle verwendet werden kann, sollte man verstehen, dass Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung gleichermaßen auf kompliziertere Muster zur Verwendung bei Hornantennen und anderen Antennentypen anwendbar sind. Beispielsweise kann eine Hornantenne als mehrere Punktquellen, die entsprechend gewichtet sind, angenähert werden, und das Muster kann dahin gehend entworfen sein, die mehreren Punktquellen zu berücksichtigen. Ferner sollte man verstehen, dass Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung gleichermaßen auf andere Arten von quantisierten Arrays anwendbar sind, bei denen sich die Phasenverschiebung zwischen den zwei Zuständen um 180 Grad unterscheidet.
Ferner sollte man verstehen, dass es eine Anzahl unterschiedlicher Mikrowellenabbildungssystemparameter gibt, die unter Verwendung von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung optimiert werden können, und dass die vorliegende Erfindung nicht auf die hierin erörterten bestimmten Parameter beschränkt ist. Beispielsweise kann der zu optimierende Parameter bei einem anderen Ausführungsbeispiel ein Verhältnis der konstruktiven Störung der Mikrowellenstrahlung an dem Ziel und der destruktiven Störung der Mikrowellenstrahlung an einem Mikrowellenempfänger sein. Wie oben erörtert wurde, verringert ein Hintergrundrauschen, das sich aus einer Streustrahlung aus der Mikrowellenquelle zu dem Mikrowellenempfänger ergibt, das Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) des Mikrowellenabbildungssystems. Ein Erhöhen der destruktiven Störung der Streustrahlung an dem Empfänger erhöht das SNR. Somit können die für jedes Antennenelement programmierten Phasenverschiebungen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung dazu entworfen sein, die destruktive Störung an dem Empfänger zu maximieren und gleichzeitig eine ausreichende konstruktive Störung an dem Ziel aufrechtzuerhalten.
Unter Bezugnahme auf 7 ist eine Leckmikrowellenstrahlung (Streumikrowellenstrahlung) zwischen einer Mikrowellenquelle 60 und einem Mikrowellenempfänger 700 veranschaulicht. Wie in 4 wird in 7 ein Strahl einer Mikrowellenstrahlung 400, der von der Mikrowellenquelle (Antenne) 60 gesendet wird, durch verschiedene Antennenelemente 80 in dem Array 50 empfangen. Die Antennenelemente 80 sind jeweils mit einer entsprechenden Phasenverschiebung programmiert, um einen Strahl einer reflektierten Mikrowellenstrahlung 410 auf ein Ziel 155 zu richten. Die Phasenverschiebungen sind dahin gehend ausgewählt, eine positive (konstruktive) Störung zwischen allen Mikrowellenstrahlenzügen, die mit r₁, r₂, r_n und r_m bezeichnet sind, in dem Strahl der reflektierten Mikrowellenstrahlung 410 an dem Ziel 155 zu erzeugen. Zur selben Zeit wird ein Teil der Mikrowellenstrahlung von der Quelle 60 von dem Array 50 in einem Strahl einer Streumikrowellenstrahlung 710 zu dem Mikrowellenempfänger 700 abreflektiert. Um den Effekt der Streumikrowellenstrahlung 710 an dem Empfänger 700 zu minimieren (d.h. das SNR zu erhöhen), kann die destruktive Störung an dem Mikrowellenempfänger ohne eine proportionale Verringerung der konstruktiven Störung an dem Ziel erhöht werden.
Unter erneuter Bezugnahme auf 5B weisen die Mikrowellenstrahlenzüge r₂ und r_n einen höheren Phasenversatz von der idealen Phase 500 auf als die Mikrowellenstrahlenzüge r₁ und r_m. Somit tragen die Mikrowellenstrahlenzüge r₁ und r_m am meisten zur Amplitude der Mikrowellenstrahlung an dem Ziel bei (da diese Mikrowellenstrahlenzüge am nächsten bei der idealen Phase 500 und am weitesten von der Quantisie rungslinie 510 entfernt liegen), und die Mikrowellenstrahlenzüge r₂ und r_n tragen am wenigsten zur Amplitude der Mikrowellenstrahlung an dem Ziel bei (da diese Mikrowellenstrahlenzüge am nächsten an der Quantisierungslinie 510 liegen). Somit kann ein Verändern der Phasenverschiebung der Antennenelemente, deren Mikrowellenstrahlenzüge den höchsten Phasenversatz von der idealen Phase aufweisen (d.h. Mikrowellenstrahlenzüge r₂ und r_n), die destruktive Störung an dem Empfänger verstärken, ohne eine bedeutende Veränderung der konstruktiven Störung an dem Ziel hervorzurufen. Statt beispielsweise die Antennenelemente, die die Mikrowellenstrahlenzüge r₂ und r_n erzeugen, mit einer Phasenverschiebung von 180 Grad zu programmieren, wie oben vorgeschlagen wurde, um die Strahlenzüge besser mit der idealen Phase 500 auszurichten, können die die Mikrowellenstrahlenzüge r₂ und r_n erzeugenden Antennenelemente mit einer Phasenverschiebung von 0 Grad programmiert werden, um die destruktive Störung an dem Mikrowellenempfänger zu erhöhen, ohne die konstruktive Störung an dem Ziel proportional zu verringern. Man sollte verstehen, dass dieselben Prinzipien bei anderen Ausführungsbeispielen angewendet werden können, um den Bereich der Nebenkeulen zu minimieren, indem die destruktive Störung in den Nebenkeulen an dem Ziel erhöht wird, während gleichzeitig eine ausreichende konstruktive Störung in der Hauptkeule an dem Ziel aufrechterhalten wird.
8A und 8B sind Graphen, die exemplarische Signal/Rausch-Verhältnisse an dem Mikrowellenempfänger veranschaulichen. Das Signal von dem Ziel ist mit 800 markiert und mit T bezeichnet, und das Rauschen an dem Empfänger ist mit 810 markiert und mit R bezeichnet. 8A stellt das Signal 800 und das Rauschen 810 unter Verwendung der in 5B gezeigten Phasenverschiebungen dar, bei denen die Antennenelemente mit Phasenverschiebungen programmiert sind, die dazu entworfen sind, die Strahlenzüge besser mit der idealen Phase 500 auszurichten. Die Abszisse bezeichnet die verschiedenen möglichen Auswahlen für die ideale Phase 500, die von 0 bis 360 Grad betragen können. 8B stellt das Signal 800 und das Rauschen 810 unter Verwendung von Phasenverschiebungen dar, die dazu entworfen sind, die destruktive Störung an dem Empfänger zu erhöhen. Bei 8A beträgt der minimale Rauschpegel 820 etwa –70 db, wohingegen der minimale Rauschpegel 820 in 8B etwa –75 db beträgt. Somit ist das SNR in der 8B höher als das SNR in der 8A. Ferner besteht zwischen dem Signalpegel 800 von dem Ziel zwischen den 8A und 8B kein bedeutender Unterschied.
Ein weiterer Parameter, der gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung optimiert werden kann, ist eine Metrik, die einer Komprimierung des Musters zugeordnet ist. Ein Abschnitt eines exemplarischen Binärphasenverschiebungsmusters 115 ist in 9 gezeigt. Die Größe des Musters 115 ist dieselbe wie die des Arrays, und jedes Element 600 in dem Muster 115 stellt die Phasenverschiebung eines entsprechenden Antennenelements 80 in dem Array dar. Auf einer hohen Ebene, wie in 12 gezeigt ist, weist das Muster 115 eine globale Struktur auf. Wenn man die individuellen Phasenverschiebungen 600 jedoch auf einer Mikroebene betrachtet (wie sie in 9 gezeigt ist), erscheint das Muster 115 etwas zufällig.
Wenn das Muster 115 in Nachbarschaften von Elementen unterteilt werden kann, wobei jede eine Entropie aufweist, die geringer ist als die der Gesamtanzahl von Elementen in der Nachbarschaft, kann das Muster 115 dahin gehend komprimiert werden, die zum Speichern des Musters 115 benötigte Quantität an Speicherraum zu verringern und die Handhabungsgeschwindigkeit der Musterdaten zu erhöhen.
Wie in 10A gezeigt ist, sind beispielsweise verschiedene Nachbarschaften 1000 von quadratischen 2×2-Elementen 600 gezeigt. Jede Nachbarschaft 1000 weist eine Entropie 3 auf, was bedeutet, dass drei Bits benötigt werden, um die vier Elemente 600 zu beschreiben. Als weiteres Beispiel, das in 10B gezeigt ist, sind verschiedene Nachbarschaften 1010 von quadratischen 4×4-Elementen 600 gezeigt. Jede Nachbarschaft 1010 weist eine Entropie 10 auf, was bedeutet, dass zehn Bits benötigt werden, um die sechzehn Elemente 600 zu beschreiben. Um die Entropie einer Nachbarschaft 1000 oder 1010 zu verringern und somit die Komprimierung zu erhöhen, muss die Anzahl möglicher Nachbarschaften 1000 oder 1010 oder ein bestimmter Größenblock von Elementen 600 verringert werden. Sowohl bei 10A als auch bei 10B sind die Nachbarschaften von den am häufigsten verwendeten oben links bis zu den am seltensten verwendeten unten rechts gezeigt. Wenn die am seltensten verwendeten Nachbarschaften als Möglichkeiten beseitigt werden können, verringert sich die Anzahl von Bits, die nötig sind, um die Elemente 600 in einer Nachbarschaft 1000 oder 1010 zu beschreiben (Entropie nimmt ab). Dies führt zu einer „verlustbehafteten Komprimierung" mit einem höheren Komprimierungsverhältnis, jedoch auch mit einer höheren Verzerrung, als eine „verlustfreie Komprimierung".
Wenn beispielsweise alle Nachbarschaften 1000 in der unteren Reihe in 10A als Möglichkeiten beseitigt werden, muss die Phasenverschiebung eines oder mehrerer Elemente 600 in einem Muster, das eine oder mehr der beseitigten Nachbarschaften enthält, geändert werden. Unter erneuter Bezugnahme auf 9 ähnelt der links oben befindliche quadratische 2×2-Block von Elementen 600 einer der unteren Nachbarschaften 1000 in 10A, speziell der unteren linken Nachbarschaft 1000. Um also die Entropie zu verringern und die Komprimierung des Musters 115 zu erhöhen, muss die Phasenverschiebung zumindest eines der Elemente 600 bei dem linken oberen quadratischen 2×2-Block von Elementen 600 in 9 so geändert werden, dass der Block von Elementen 600 einer der verbleibenden möglichen Nachbarschaften 1000 in 10A ähnelt.
Man sollte verstehen, dass statt der oder zusätzlich zu den oben beschriebenen Metriken auch andere Komprimierungsmet riken verwendet werden können. Um beispielsweise zu bestimmen, welche einzelnen Antennenelemente oder Blöcke von Antennenelementen geändert werden sollten, kann der Beitrag, den jedes Antennenelement oder jeder Block von Antennenelementen zur Amplitude der Mikrowellenstrahlung an dem Ziel liefert, als Wichtungsmetrik für eine verlustbehaftete Komprimierung verwendet werden.
11 ist ein Flussdiagramm, das einen exemplarischen Prozess 1100 zum Optimieren eines Mikrowellenabbildungssystems zum Aufnehmen eines Mikrowellenbildes eines Ziels, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, veranschaulicht. Anfänglich ist bei Block 1110 ein Array von programmierbaren Mikrowellenantennenelementen vorgesehen. Bei Block 1120 wird ein Muster zum Programmieren jedes der Antennenelemente in dem Array mit einer jeweiligen Phasenverschiebung, um einen Strahl einer Mikrowellenstrahlung auf ein Ziel zu richten, entworfen. Bei Block 1130 wird die programmierte Phasenverschiebung eines oder mehrerer der Antennenelemente in dem Muster geändert, um einen oder mehr Parameter des Mikrowellenabbildungssystems zu optimieren.
Wie Fachleute erkennen werden, können die in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen innovativen Konzepte über eine große Bandbreite von Anwendungen hinweg modifiziert und variiert werden. Demgemäß sollte der Schutzumfang des Gegenstandes der Patentschrift nicht auf eine der erörterten spezifischen beispielhaften Lehren beschränkt sein, sondern wird stattdessen durch die folgenden Patentansprüche definiert.

Claims

Array (50) zur Verwendung in einem Mikrowellenabbildungssystem (10), um ein Mikrowellenbild eines Ziels (155) aufzunehmen, wobei das Array folgende Merkmale aufweist: eine Mehrzahl von Antennenelementen (80), von denen jedes in der Lage ist, mit einer jeweiligen Phasenverschiebung (600) dahin gehend programmierbar zu sein, einen Strahl (410) einer Mikrowellenstrahlung auf das Ziel (155) zu richten, derart, dass die Mikrowellenstrahlung von jedem der Mehrzahl von Antennenelementen (80) im Wesentlichen phasengleich an dem Ziel (155) ankommt; wobei die Phasenverschiebungen (600) von Selektiven der Mehrzahl von Antennenelementen (80) verändert werden, um einen Parameter des Mikrowellenabbildungssystems (10) zu optimieren.
Array (50) gemäß Anspruch 1, bei dem jedes der Mehrzahl von Antennenelementen (80) ein diskretes phasenverschobenes Antennenelement ist.
Array (50) gemäß Anspruch 1, bei dem jedes der Mehrzahl von Antennenelementen (80) ein reflektierendes Antennenelement ist und bei dem jedes der reflektierenden Antennenelemente (80) dahin gehend konfiguriert ist, eine Mikrowellenbeleuchtung (400) von einer Mikrowellenquelle (60) zu empfangen und die Mikrowellenbeleuchtung auf der Basis der jeweiligen programmierten Phasenverschiebung (600) zu reflektieren, um den Strahl (410) einer Mikrowellenstrahlung auf das Ziel (155) zu richten.
Array (50) gemäß Anspruch 3, bei dem jedes der reflektierenden Antennenelemente (80) dahin gehend konfigu riert ist, einen reflektierten Strahl (90) einer Mikrowellenstrahlung, der von dem Ziel (155) reflektiert wird, zu empfangen und den reflektierten Strahl auf der Basis der jedem der reflektierenden Antennenelemente (80) zugeordneten jeweiligen programmierten Phasenverschiebung (600) auf einen Mikrowellenempfänger (700) zu richten.
Array (50) gemäß Anspruch 4, bei dem der zu optimierende Parameter ein Verhältnis einer konstruktiven Störung der Mikrowellenstrahlung an dem Ziel (155) und einer destruktiven Störung der Mikrowellenstrahlung an dem Mikrowellenempfänger (700) ist.
Array (50) gemäß Anspruch 5, bei dem das Verhältnis dadurch optimiert wird, dass die destruktive Störung an dem Mikrowellenempfänger (700) ohne eine entsprechende Verringerung der konstruktiven Störung an dem Ziel (155) erhöht wird.
Array (50) gemäß Anspruch 5 oder 6, bei dem die Phasenverschiebungen (600) jedes der Mehrzahl von Antennenelementen (80) auf der Basis einer idealen Phase (500) ausgewählt sind und bei dem jedes der selektiven Antennenelemente (80) einen jeweiligen Strahl einer Mikrowellenstrahlung erzeugt, der einen Phasenversatz von der idealen Phase (500) aufweist, der größer ist als Andere der Mehrzahl von Antennenelementen (80).
Array (50) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der zu optimierende Parameter eine minimale Anzahl von Phasenverschiebungsänderungen in dem Array (50) zwischen aufeinander folgenden Mikrowellenbildern ist.
Array (50) gemäß Anspruch 8, wobei das Array (50) zur Verwendung beim Abtasten eines Objekts (150) durch Aufnehmen aufeinander folgender Mikrowellenbilder von dem Objekt (150) zugeordneten Zielen (155) entworfen ist, und wobei die minimale Anzahl von Phasenverschiebungsänderungen optimiert wird, indem eine Reihenfolge für die aufeinander folgenden Mikrowellenbilder ausgewählt wird.
Array (50) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der zu optimierende Parameter ein Verhältnis eines Hauptkeulenbereichs zu Nebenkeulenbereichen ist.
Array (50) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Phasenverschiebungen, die für jedes der Mehrzahl von Antennenelementen (80) dahin gehend programmiert sind, den Strahl (410) einer Mikrowellenstrahlung auf das Ziel (155) zu richten, ein Muster (115) bilden, und bei dem der zu optimierende Parameter eine Metrik ist, die einer digitalen Komprimierung von das Muster beschreibenden Bits zugeordnet ist.
Mikrowellenabbildungssystem (10) zum Aufnehmen eines Mikrowellenbildes eines Ziels (155), das folgende Merkmale umfasst: eine Mikrowellenquelle (60) zum Liefern einer Mikrowellenstrahlung zum Beleuchten des Ziels (155); und ein Reflektorantennenarray, das eine Mehrzahl von Antennenelementen (80) umfasst, wobei jedes der Antennenelemente in der Lage ist, mit einer jeweiligen Phasenverschiebung (600) dahin gehend programmiert zu werden, die Mikrowellenstrahlung in einem Sendestrahl zu dem Ziel (155) zu reflektieren, derart, dass die Mikrowellenstrahlung von jedem der Mehrzahl von Antennenelementen (80) im Wesentlichen phasengleich an dem Ziel (155) ankommt; wobei die Phasenverschiebung (600) von Selektiven der Mehrzahl von Antennenelementen (80) verändert wird, um einen Parameter des Mikrowellenabbildungssystems (10) zu optimieren.
System (10) gemäß Anspruch 12, bei dem die Antennenelemente (80) ferner dazu in der Lage sind, reflektierte Mikrowellenbeleuchtung, die von dem Ziel reflektiert wird, in einem Empfangsstrahl zu empfangen und den Empfangsstrahl zu einem Mikrowellenempfänger zu reflektieren.
System (10) gemäß Anspruch 13, bei dem der zu optimierende Parameter ein Verhältnis einer konstruktiven Störung der Mikrowellenstrahlung an dem Ziel (155) und einer destruktiven Störung der Mikrowellenstrahlung an einem Mikrowellenempfänger (700) ist.
System (10) gemäß Anspruch 14, bei dem das Verhältnis dadurch optimiert wird, dass die destruktive Störung an dem Mikrowellenempfänger (700) ohne eine entsprechende Verringerung der konstruktiven Störung an dem Ziel (155) erhöht wird.
System (10) gemäß Anspruch 14 oder 15, bei dem die Phasenverschiebungen (600) jedes der Mehrzahl von Antennenelementen (80) auf der Basis einer idealen Phase (500) ausgewählt sind und bei dem jedes der selektiven Antennenelemente (80) einen jeweiligen Strahl einer Mikrowellenstrahlung erzeugt, der einen Phasenversatz von der idealen Phase (500) aufweist, der größer ist als Andere der Mehrzahl von Antennenelementen (80).
System (10) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 16, bei dem der zu optimierende Parameter eine minimale Anzahl von Phasenverschiebungsänderungen in dem Array (50) zwischen aufeinander folgenden Mikrowellenbildern ist.
System (10) gemäß Anspruch 17, bei dem das Array (50) zur Verwendung beim Abtasten eines Objekts (150) durch Aufnehmen aufeinander folgender Mikrowellenbilder von dem Objekt (150) zugeordneten Zielen (155) entworfen ist, und wobei die minimale Anzahl von Phasenverschiebungsänderungen optimiert wird, indem eine Reihenfolge für die aufeinander folgenden Mikrowellenbilder ausgewählt wird.
System (10) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 18, bei dem der zu optimierende Parameter ein Verhältnis eines Hauptkeulenbereichs zu Nebenkeulenbereichen ist.
System (10) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 19, bei dem die Phasenverschiebungen, die für jedes der Mehrzahl von Antennenelementen (80) dahin gehend programmiert sind, den Strahl (410) einer Mikrowellenstrahlung auf das Ziel (155) zu richten, ein Muster (115) bilden, und bei dem der zu optimierende Parameter eine Metrik ist, die einer digitalen Komprimierung von das Muster beschreibenden Bits zugeordnet ist.
Verfahren zum Optimieren einer Funktionsweise eines Mikrowellenabbildungssystems (10) zum Aufnehmen eines Mikrowellenbildes eines Ziels (155), das folgende Schritte umfasst: Bereitstellen (1110) eines Arrays (50), das eine Mehrzahl von programmierbaren Mikrowellenantennenelementen (80) umfasst; Entwerfen (1120) eines Musters (115) jeweiliger Phasenverschiebungen (600) für jedes der Mikrowellenantennenelemente (80), um einen Sendestrahl (410) einer Mikrowellenstrahlung auf das Ziel (155) zu richten; und Ändern (1130) der Phasenverschiebung von Selektiven der Mehrzahl von Antennenelementen (80) in dem Muster (115), um einen Parameter des Mikrowellenabbildungssystems (10) zu optimieren.
Verfahren gemäß Anspruch 21, bei dem der zu optimierende Parameter ein Verhältnis einer konstruktiven Störung der Mikrowellenstrahlung an dem Ziel (155) und einer destruktiven Störung der Mikrowellenstrahlung an einem Mikrowellenempfänger (700) ist.
Verfahren gemäß Anspruch 22, bei dem der Schritt des Änderns (1130) ferner ein Erhöhen der destruktiven Störung an dem Mikrowellenempfänger ohne eine entsprechende Verringerung der konstruktiven Störung an dem Ziel (155) umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 22, bei dem der Schritt des Entwerfens (1120) ferner ein Auswählen der Phasenverschiebungen jedes der Mehrzahl von Antennenelementen (80) auf der Basis einer idealen Phase (500) umfasst und bei dem der Schritt des Änderns (1130) ferner ein Ändern der Phasenverschiebung der selektiven Antennenelemente umfasst, die einen jeweiligen Strahl einer Mikrowellenstrahlung erzeugen, der einen Phasenversatz von der idealen Phase (500) aufweist, der größer ist als die anderen der Mehrzahl von Antennenelementen (80).
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 24, bei dem der zu optimierende Parameter eine minimale Anzahl von Phasenverschiebungsänderungen in dem Array zwischen aufeinander folgenden Mikrowellenbildern ist.
Verfahren gemäß Anspruch 25, bei dem der Schritt des Änderns (1130) ferner ein Auswählen einer Reihenfolge für die aufeinander folgenden Mikrowellenbilder ist, um die minimale Anzahl von Phasenverschiebungsänderungen zwischen denselben zu optimieren.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 26, bei dem der zu optimierende Parameter ein Verhältnis eines Hauptkeulenbereichs zu Nebenkeulenbereichen ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 27, bei dem der zu optimierende Parameter eine Metrik ist, die einer digitalen Komprimierung von das Muster beschreibenden Bits zugeordnet ist.