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Querverweis
zu verwandten Anmeldungen
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Diese
Anmeldung ist in ihrem Gegenstand verwandt mit der US-Anmeldung
für das
Patent mit der Seriennr.___(Anwaltsaktenzeichen Nr. 10040151), mit
dem Titel "A Device
for Reflecting Electromagnetic Radiation," der US-Anmeldung für das Patent mit der Seriennr.___(Anwaltsaktenzeichen
Nr. 10040580), mit dem Titel "Broadband
Binary Phased Antenna",
und der US-Anmeldung für
das Patent mit der Seriennr.___(Anwaltsaktenzeichen Nr. 10040142),
mit dem Titel "System
and Method for Security Inspection Using Microwave Imaging' die alle am 24.November
2004 eingereicht wurden.
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Diese
Anmeldung ist ferner in ihrem Gegenstand verwandt mit der US-Anmeldung
für das
Patent mit der Seriennr.___ (Anwaltsaktenzeichen Nr. 10050095),
mit dem Titel "System
and Method for Efficient, High-Resolution Microwave Imaging Using Complementary
Transmit and Receive Beam Patterns," der US-Anmeldung für das Patent mit der Seriennr.___
(Anwaltsaktenzeichen Nr. 10050215), mit dem Titel "System and Method
for Inspecting Transportable Items Using Microwave Imaging," der US-Anmeldung
für das
Patent mit der Seriennr.___(Anwaltsaktenzeichen Nr. 10050533), mit dem
Titel "System and
Method for Pattern Design in Microwave Programmable Arrays," der US-Anmeldung
für das
Patent mit der Seriennr.___(Anwaltsaktenzeichen Nr. 10050534), mit
dem Titel "System
and Method for Microwave Imaging Using an Interleaved Pattern in
a Programmable Reflector Array",
und der US-Anmeldung für
das Patent mit der Seriennr.___(Anwaltsaktenzeichen Nr. 10050535),
mit dem Titel "System
and Method for Minimizing Background Noise in a Microwave Imaging
Using a Programmable Reflector Array" die alle am 24. März 2005 eingereicht wurden.
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Beschreibung
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Die
jüngsten
Fortschritte bei der Mikrowellenbilderfassung haben die kommerzielle
Entwicklung von Mikrowellenbilderfassungssystemen ermöglicht,
die in der Lage sind, zweidimensionale und sogar dreidimensionale
Mikrowellenbilder von Objekten und anderen Elementen von Interesse
(z. B. menschlichen Personen) zu erzeugen. Derzeit sind mehrere
Mikrowellenbilderfassungstechniken verfügbar. Eine Technik verwendet
beispielsweise ein Array von Mikrowellendetektoren (hierin nachfolgend als „Antennenelemente" bezeichnet), um
entweder passive Mikrowellenenergie, die durch das Ziel emittiert
wird, oder reflektierte Mikrowellenenergie zu erfassen, die von
dem Ziel ansprechend auf aktive Mikrowellenbeleuchtung des Ziels
reflektiert wird. Ein zweidimensionales oder dreidimensionales Bild
einer Person oder eines anderen Elements wird aufgebaut durch Abtasten
des Arrays von Antennenelementen bezüglich der Position des Ziels
und/oder Einstellen der Frequenz (oder Wellenlänge) der Mikrowellenenergie,
die übertragen
oder erfasst wird.
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Sende-
und/oder Empfangsantennenarrays für die Verwendung beim Senden
und/oder Empfangen von Mikrowellenenergie können aufgebaut werden unter
Verwendung herkömmlicher
analoger Phasenarrays oder binärer
Reflektorarrays, wie z. B. diejenigen, die beschrieben sind in den
U.S.-Patenten mit der Serien-Nr..... (Anwaltsaktenzeichen Nr. 10040151)
mit dem Titel "A
Device for Reflecting Electromagnetic Radiation" und .... (Anwaltsaktenzeichen Nr. 10040580)
mit dem Titel „Broadband
Binary Phased Antenna".
Für jeden
Arraytyp wird das größte adressierbare
Volumen mit der höchsten
räumlichen Auflösung erhalten
durch Wählen
einer kleinen Wellenlänge, λ die das
Array dicht mit Antennenelementen füllt, so dass die Beabstandung
zwischen benachbar ten Antennenelementen in beiden Richtungen λ/2 ist, und
durch Maximieren des zweidimensionalen Bereichs des Arrays. Falls
das Array beispielsweise ein Quadrat mit der Seite L ist, kann ein
Objekt, das an einem Abstand L von dem Array angeordnet ist, mit
einer Auflösung
von etwa λ erfasst
werden.
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Die
Anzahl von Antennenelementen und daher die Kosten des Arrays sind
proportional zu (L/λ)2. Diese quadratische Kostenabhängigkeit
ist ein Hindernis sowohl beim Aufskalieren der Größe eines
Arrays, um das adressierbare Sichtfeld zu erhöhen, als auch beim Reduzieren
der Wellenlänge
zum Erhöhen
der Auflösung.
Wie er hierin verwendet wird, bezieht sich der Begriff „adressierbares
Sichtfeld" (AFOV)
auf das Volumen, das mit hoher Auflösung adressierbar ist (d. h.
das Volumen, das innerhalb eines spezifizierten Faktors der höchsten Auflösung aufgelöst werden
kann).
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Eine
Lösung,
die für
das Kosten-Auflösungs-AFOV-Problem
vorgeschlagen wurde, ist das Verwenden eines schwach besetzten Antennenarrays
im Gegensatz zu einem dicht besetzten Antennenarray. Da sich die
Auflösung
mit der numerischen Apertur erhöht,
die von dem Durchmesser und nicht von der Fläche des Arrays abhängt, kann
ein Array mit zwei oder vier Antennenelementen, die um L beabstandet
sind, die gewünschte
Auflösung
erreichen. Schwach besetzte Arrays erzeugen jedoch mehrfach gelappte
Antennenstrukturen. Falls das Array ein herkömmliches Sende-phasengesteuertes
Array ist und 1 ≥ s ≥ 0 der Schwach-Besetztheitsfaktor
ist, gibt Parsevals Theorem der Fourier-Analyse an, dass nur s der
Sendeleistung in eine Fläche
fällt,
die das ursprünglich
dichte (s = 1) Array des gleichen Ausmaßes auflöst. Falls das schwach besetzte
Array ein Reflektorarray ist und ein Sendehorn das volle Ausmaß des ursprünglich dicht
besetzten (s = 1) Arrays beleuchtet, verarbeitet das schwach besetzte
Array nur s der Leistung des Horns. Daher ist der Effizienzfaktor
(d. h. der übertragene
Bruchteil, der die ursprüngliche
Fläche
füllt)
s2. Falls das Reflektorarray verwendet wird,
um sowohl die Mikrowellenbeleuchtung zu dem Ziel zu richten als
auch reflektierte Mikrowellenbeleuchtung von dem Ziel zu empfangen, ist
der Gesamteffizienzfaktor η =
s4. Beispielsweise erzeugt ein 50 % schwach
besetztes Reflektorarray eine Sende-zu-Empfangseffizienz von 1/16
= 6,25 %. Somit, wenn sich die Schwach-Besetztheit des Arrays erhöht, erhöht sich
der Signalverlust mit der vierten Potenz.
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Das
Signal-/Rausch- (SNR-) Verhältnis
eines schwach besetzten Arrays leidet an der gleichen s2- oder
s4-Abhängigkeit.
Außerdem
erhöht
das Hintergrundrauschen (oft als „Clutter" bezeichnet), das sich aus Streustrahlung
ergibt, ferner das SNR für schwach
besetzte Arrays aus mehreren Gründen. Erstens
wird die unbesetzte Fläche
des ursprünglichen
dicht besetzten (s = 1) Arrays ein kollektiver ebener Spiegel, der
die Strahlung mit einer Füllfaktoreffizienz
von 1 – s
spiegelnd abprallt. Zweitens erzeugt die verbleibende (besetzte)
Flächengeometrie im
Allgemeinen Seitenlappen, die die Richtung in einer schlecht gesteuerten
Weise ändert,
während
sich die Antennenphaseneinstellung ändert. Das Seitenlappengewicht
erhöht
sich, während
sich die Schwach-Besetztheit des Arrays erhöht. In dem Ausmaß, in dem
diese beiden Faktoren Systemrauschen erhöhen, während das Array spärlicher
wird, variiert SNR empirisch als sa/(1 – s)b, wobei a ≈ 4
und b ≈ 1. Somit
führen
spärlich
besetzte Arrays zu einer Erhöhung
des Signalverlusts und eines Anstiegs des SNR.
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Was
daher benötigt
wird, ist ein Mikrowellenbilderfassungssystem für die Verwendung mit schwach
besetzten Antennenarrays, das in der Lage ist, ein Mikrowellenbild
mit unterdrückten
Seitenlappen zu erfassen.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Beleuchtungssystem
in einem Mikrowellenbilderfassungssystem, ein Mikrowellenbilderfassungssystem
sowie ein Verfahren zum Erfassen eines Mikrowellenbildes eines Objekts
mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch Systeme gemäß Anspruch
1 und 17 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch
26 gelöst.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung liefern ein Beleuchtungssystem in einem
Mikrowellenbilderfassungssystem zum Beleuchten eines schwach besetzten
Antennenarrays, um ein Mikrowellenbild eines Ziels mit unterdrückten Seitenlappen
zu erfassen. Das schwach besetzte Antennenarray umfasst Antennenelemente
zum Richten einer Mikrowellenbeleuchtung zu und von dem Ziel, indem
die Antennenelemente in Unterarrays in einer schwach besetzten Geometrie
angeordnet sind, um komplementäre
Unterarraystrukturen derselben zu bilden. Das Beleuchtungssystem
umfasst einen Sender, der wirksam ist, um Mikrowellenbeleuchtung
zu dem Antennenarray zu übertragen,
einen Empfänger,
der wirksam ist, um von dem Antennenarray reflektierte Mikrowellenbeleuchtung
zu empfangen, die von dem Ziel reflektiert wird, und ein Beleuchtungsnetzwerk,
das in zwei Modi wirksam ist, um Seitenlappenunterdrückung zu
ermöglichen.
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Das
Beleuchtungsnetzwerk ist in einem ersten Modus wirksam, um Mikrowellenbeleuchtung
von dem Sender zu sowohl den komplementären Strukturen des Antennenarrays
zu übertragen
als auch reflektierte Mikrowellenbeleuchtung von beiden komplementären Unterarraystrukturen
des Antennenarrays zu dem Empfänger
zu liefern. Das Beleuchtungsnetzwerk ist ferner in einem zweiten
Modus wirksam, um Mikrowellenbeleuchtung von dem Sender zu einer
ersten der komplementären
Unterarraystrukturen des Antennenarrays zu liefern, und reflektierte
Mikrowellenbeleuchtung von einer zweiten der komplementären Unterarraystrukturen
des Antennenarrays zu dem Empfänger
zu liefern.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung liefern ferner ein Mikrowellenbilderfassungssystem,
das ein Anten nenarray, ein Beleuchtungssystem und einen Prozessor
umfasst. Das Antennenarray umfasst eine Mehrzahl von Antennenelementen,
die jeweils mit einem jeweiligen Richtungskoeffizienten programmiert
werden können,
um Mikrowellenbeleuchtung zu und von einem Ziel zu richten, das einem
Objekt zugeordnet ist. Das Antennenarray umfasst ferner Unterarrays
von Antennenelementen, die in einer schwach besetzten Geometrie
angeordnet sind, um komplementäre
Unterarraystrukturen derselben zu bilden. Das Beleuchtungssystem
ist wirksam, um Mikrowellenbeleuchtung zu liefern, um beide komplementäre Strukturen
des Antennenarrays zu beleuchten und reflektierte Mikrowellenbeleuchtung
zu empfangen, die durch das Ziel von beiden komplementären Unterarraystrukturen
des Antennenarrays reflektiert wird, um ein erstes Empfangssignal
in einem ersten Modus zu erzeugen. Das Beleuchtungssystem ist ferner
wirksam, um Mikrowellenbeleuchtung zu liefern, um eine erste der
komplementären
Unterarraystrukturen des Antennenarrays zu beleuchten, und um reflektierte
Mikrowellenbeleuchtung von einer zweiten der komplementären Unterarraystrukturen
des Antennenarrays zu empfangen, um ein zweites Empfangssignal in
einem zweiten Modus zu erzeugen. Der Prozessor ist wirksam, um einen
Wert, der dem Ziel in einem Mikrowellenbild eines Objekts zugeordnet
ist, als eine lineare Kombination des ersten Empfangssignals und
des zweiten Empfangssignals zu messen.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
sind das erste Empfangssignal und das zweite Empfangssignal komplexe
Signale, die einen Hauptabtastlappen und einen oder mehrere Seitenlappen
beschreiben. Der Prozessor unterdrückt Seitenlappen in dem Mikrowellenbild
des Ziels durch Addieren des Produkts des ersten Empfangssignals
und eines ersten komplexen Multiplizierers mit dem Produkt des zweiten
Empfangssignals und eines zweiten komplexen Multiplizierers zum
wirksamen Verbessern des Hauptabtastlappens und destruktiven Auslöschen der
Seitenlappen. Der erste komplexe Multiplizierer und der zweite komplexe
Multiplizierer werden als eine Funktion der schwach besetzten Geometrie
des Antennenarrays ausgewählt.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
beiliegende Zeichnungen näher
erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
schematisches Diagramm eines vereinfachten beispielhaften Mikrowellenbilderfassungssystems
zum Erfassen eines Mikrowellenbildes eines Objekts mit unterdrückten Seitenlappen unter
Verwendung eines spärlich
besetzten Antennenarrays gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung;
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2A eine
bildliche Darstellung eines beispielhaften schwach besetzten Antennenarrayentwurfs
gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung;
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2B eine
bildliche Darstellung eines weiteren beispielhaften schwach besetzten
Antennenarrays gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung;
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3A ein
schematisches Diagramm eines beispielhaften Beleuchtungssystems,
das in der Lage ist, in mehreren Beleuchtungsmodi zu arbeiten, für die Verwendung
bei dem Mikrowellenbilderfassungssystem der vorliegenden Erfindung;
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3B ein
schematisches Diagramm eines weiteren beispielhaften Beleuchtungssystems,
das in der Lage ist, in mehreren Beleuchtungsmodi zu arbeiten, für die Verwendung
bei dem Mikrowellenbilderfassungssystem der vorliegenden Erfindung;
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4A bis 4C bildliche
Darstellungen der beispielhaften Pha senplatten für die Verwendung
bei den in 3A und 3B gezeigten
beispielhaften Beleuchtungssystemen;
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5 ein
schematisches Diagramm eines weiteren beispielhaften Beleuchtungssystems,
das in der Lage ist, in mehreren Beleuchtungsmodi zu arbeiten, für die Verwendung
bei dem Mikrowellenbilderfassungssystem der vorliegenden Erfindung;
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6 ein
schematisches Diagramm eines weiteren beispielhaften Beleuchtungssystems,
das in der Lage ist, in mehreren Beleuchtungsmodi zu arbeiten, für die Verwendung
bei dem Mikrowellenbilderfassungssystem der vorliegenden Erfindung;
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7 ein
schematisches Diagramm eines weiteren beispielhaften Beleuchtungssystems,
das in der Lage ist, in mehreren Beleuchtungsmodi zu arbeiten, für die Verwendung
bei dem Mikrowellenbilderfassungssystem der vorliegenden Erfindung;
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8 ein
schematisches Diagramm eines weiteren beispielhaften Beleuchtungssystems,
das in der Lage ist, in mehreren Beleuchtungsmodi zu arbeiten, für die Verwendung
bei dem Mikrowellenbilderfassungssystem der vorliegenden Erfindung;
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9 ein
schematisches Diagramm eines weiteren beispielhaften Beleuchtungssystems,
das in der Lage ist, in mehreren Beleuchtungsmodi zu arbeiten, für die Verwendung
bei dem Mikrowellenbilderfassungssystem der vorliegenden Erfindung;
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10 ein
schematisches Diagramm eines weiteren vereinfachten beispielhaften
Mikrowellenbilderfassungssystems zum Erfassen eines Mikrowellenbildes
eines Objekts mit unterdrückten
Seitenlappen unter Verwendung eines schwach besetzten Antennenarrays,
gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung;
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11 ein
schematisches Diagramm eines beispielhaften Beleuchtungssystems,
das in der Lage ist, in mehreren Beleuchtungsmodi zu arbeiten, für die Verwendung
bei dem Mikrowellenbilderfassungssystem von 10;
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12 ein
schematisches Diagramm eines weiteren beispielhaften Beleuchtungssystems,
das in der Lage ist, in mehreren Beleuchtungsmodi zu arbeiten, für die Verwendung
bei dem Mikrowellenbilderfassungssystem von 10;
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13 ein
schematisches Diagramm eines weiteren beispielhaften Beleuchtungssystems,
das in der Lage ist, in mehreren Beleuchtungsmodi zu arbeiten, für die Verwendung
bei dem Mikrowellenbilderfassungssystem von 10;
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14 eine graphische Darstellung von beispielhaften
Amplitudenproduktverteilungen für
verschiedene Beleuchtungsmodi;
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15 ein
Flussdiagramm, das einen beispielhaften Prozess zum Erfassen eines
Mikrowellenbildes eines Ziels eines Objekts darstellt, gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung;
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16 ein
Flussdiagramm, das einen beispielhaften Prozess zum Erfassen eines
Mikrowellenbildes eines Objekts darstellt, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung; und
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17 ein
Flussdiagramm, das einen weiteren beispielhaften Prozess zum Erfassen
eines Mikrowellenbil des eines Objekts darstellt, gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung.
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Wie
sie hierin verwendet werden, beziehen sich die Begriffe Mikrowellenstrahlung
und Mikrowellenbeleuchtung jeweils auf das Band von elektromagnetischer
Strahlung mit Wellenlängen
zwischen 0,3 mm und 30 cm, was Frequenzen von etwa 1 GHz bis etwa
1.000 GHz entspricht. Somit umfassen die Begriffe Mikrowellenstrahlung
und Mikrowellenbeleuchtung jeweils herkömmliche Mikrowellenstrahlung,
sowie das, was herkömmlicherweise
als Millimeterwellenstrahlung bekannt ist.
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1 ist
ein schematisches Diagramm eines vereinfachten beispielhaften Mikrowellenbilderfassungssystems 10 gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung. Das Mikrowellenbilderfassungssystem 10 umfasst
ein oder mehrere schwach besetzte Antennenarrays 50 (der
Zweckmäßigkeit halber
ist nur eine gezeigt), ein Mikrowellenbeleuchtungssystem 100,
einen Prozessor 110, einen Speicher 160 und eine
Anzeige 120. Das schwach besetzte Antennenarray 50 ist
in der Lage, Mikrowellenbeleuchtung zu senden und/oder Mikrowellenbeleuchtung über Antennenelemente 80 zu
empfangen, um ein Mikrowellenbild eines Objekts 150 zu
erfassen (z. B. eines Koffers, einer menschlichen Person oder jedes
anderen Elements von Interesse). Jedes Antennenelement 80 ist
mit einem bestimmten Richtungskoeffizienten (z. B. Reflektionskoeffizient
oder Übertragungskoeffizient)
programmiert, um die Mikrowellenstrahlung zu und/oder von einem
Ziel 155 auf das Objekt 150 zu richten. Die Antennenelemente 80 können jeweils
jeder Typ von Mikrowellenantenne sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Patch-,
Dipol-, Monopol-, Schleifen- und Dielektrischer-Resonator-Typ-Antennen.
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Das
schwach besetzte Array 50 ist ein passives programmierbares
Array, das entweder aus Reflektorantennenelementen 80 oder
Sendeantennenelementen 80 besteht. In einem Reflektionsmodus
ist jedes der Reflektorantennenelemente 80 in der Lage, mit
einem jeweiligen Reflektionskoeffizienten programmiert zu werden,
um Mikrowellenstrahlung zu dem Ziel 155 auf dem Objekt 150 zu
reflektieren, das erfasst wird. Der Reflektionskoeffizient kann
eine binäre
oder kontinuierliche Phasenverzögerung
oder eine Amplitudenvariation darstellen. Beispielsweise wird die
Mikrowellenbeleuchtung, die durch das schwach besetzte Antennenarray 50 von
dem Mikrowellenbeleuchtungssystem 100 empfangen wird, zu dem
Ziel 155 auf dem Objekt 150 reflektiert, und die reflektierte
Mikrowellenbeleuchtung, die von dem Ziel 155 reflektiert
wird und durch das schwach besetzte Antennenarray 50 empfangen
wird, wird zu dem Mikrowellenbeleuchtungssystem 100 reflektiert
durch Programmieren jedes der einzelnen Reflektorantennenelemente 80 mit
einem jeweiligen Reflektionskoeffizienten.
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In
einem Übertragungsmodus
ist jedes der Sendeantennenelemente 80 in der Lage, mit
einem jeweiligen Übertragungskoeffizienten
programmiert zu werden, um Mikrowellenbeleuchtung zu dem Ziel 155 auf
dem Objekt 150 zu richten, das erfasst wird. Beispielsweise
wird Mikrowellenbeleuchtung, die durch das schwach besetzte Antennenarray 50 von dem
Mikrowellenbeleuchtungssystem 100 empfangen wird, durch
das Array 50 und zu dem Ziel 155 auf dem Objekt 150 gerichtet,
und reflektierte Mikrowellenbeleuchtung, die von dem Ziel 155 reflektiert
wird und durch das schwach besetzte Antennenarray 50 empfangen
wird, wird durch das Array 50 und zu dem Mikrowellenbeleuchtungssystem 100 gerichtet, durch
Programmieren jedes der einzelnen Sendeantennenelemente 80 mit
einem jeweiligen Übertragungskoeffizienten.
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Die
Antennenelemente 80 in dem schwach besetzten Antennenarray 50 sind
in Unterarrays 60 unterteilt gezeigt, die jeweils eines
oder mehrere der Antennenelemente 80 umfassen. Die Unterarrays 60 sind
ferner auf dem Array 50 in einer schwach besetzten Geometrie
angeordnet, um komplementäre Unterarraystrukturen 90a und 90b desselben
zu bilden. Die komplementären
Strukturen 90a bzw. 90b erzeugen komple mentäre Mikrowellenstrahlstrukturen
an dem Ziel 155. Das Mikrowellenbild des Ziels 155 ist
an der Schnittstelle der komplementären Mikrowellenstrahlstrukturen
gebildet.
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Das
Beleuchtungssystem 100 umfasst einen Sender 130,
einen Empfänger 135 und
ein Beleuchtungsnetzwerk 140, das in der Lage ist, in zwei
unterschiedlichen Beleuchtungsmodi (die hierin nachfolgend als verbundener
und getrennter Modus bezeichnet werden) zu arbeiten, um die Unterdrückung von
Seitenlappen in dem Mikrowellenbild des Objekts 150 zu
ermöglichen.
Das Beleuchtungsnetzwerk 140 umfasst Phasenplatten oder
verallgemeinerte Linsen kombiniert mit Mikrowellenhörnern, um die
verbundene und getrennte Beleuchtung des Arrays 50 zu erzeugen.
Verschiedene Beleuchtungsnetzwerke 140 sind nachfolgend
in Verbindung mit 5 – 13 näher gezeigt
und beschrieben.
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In
dem verbundenen Modus werden die Unterarrays 60 in beiden
komplementären
Unterarraystrukturen 90a und 90b beleuchtet, durch
sowohl die Sendezuführung
des Senders 130 als auch die Empfangszuführung des
Empfängers 135.
Somit wird in dem verbundenen Modus die Mikrowellenbeleuchtung 20 von
dem Sender 130 über
das Beleuchtungsnetzwerk 140 zu beiden der komplementären Unterarraystrukturen 90a und 90b von
Antennenelementen 80 übertragen,
und reflektierte Mikrowellenbeleuchtung 40 von beiden komplementären Unterarraystrukturen 90a und 90b der
Antennenelemente 80 wird über das Beleuchtungsnetzwerk 140 an
dem Empfänger 135 empfangen.
In dem getrennten Modus werden die Unterarrays 60 in einer
ersten komplementären
Unterarraystruktur 90a durch die Sendezuführung beleuchtet,
und die Unterarrays 60 in einer zweiten komplementären Unterarraystruktur 90b werden
durch die Empfangszuführung
beleuchtet. Somit wird die Mikrowellenbeleuchtung 30 in
dem getrennten Modus von dem Sender 130 über das
Beleuchtungsnetzwerk 140 zu einer der komplementären Unterarraystrukturen
(z. B. Struktur 90a) übertragen,
und reflektierte Mikrowellenbeleuchtung 70 von der anderen
komplementären
Unterarraystruktur (z. B. Struktur 90b) wird über das
Beleuchtungsnetzwerk 140 an dem Empfänger 135 empfangen.
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Genauer
gesagt, in dem verbundenen Modus richtet das Beleuchtungsnetzwerk 140 die
Mikrowellenbeleuchtung 20 von dem Sender 130 zu
den Antennenelementen 80 in beiden Unterarraystrukturen 90a und 90b.
Basierend auf den Richtungskoeffizienten, der in jedes der Antennenelemente 80 programmiert
sind, wird die Mikrowellenbeleuchtung 25 von beiden Unterarraystrukturen 90a und 90b zu dem
Ziel 155 gerichtet. Die Richtungskoeffizienten sind ausgewählt, um
eine positive Störung
der Mikrowellenbeleuchtung 25 von jedem der Antennenelemente 80 an
dem Ziel 155 zu erzeugen. Beispielsweise kann bei Ausführungsbeispielen,
bei denen die Antennenelemente Reflektorantennenelemente sind, die
Phasenverschiebung von jedem der Antennenelemente 80 eingestellt
werden, um die gleiche Phasenverzögerung für jeden Weg der Mikrowellenbeleuchtung 25 von
der Quelle (Antennenelement 80) zu dem Ziel 155 zu
liefern. Die komplementären Strukturen 90a und 90b erzeugen
komplementäre Sendemikrowellenstrahlstrukturen
an dem Ziel 155.
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Gleichartig
dazu wird reflektierte Mikrowellenstrahlung 45, die von
dem Ziel 155 reflektiert wird, und an dem schwach besetzten
Antennenarray 50 empfangen wird, von den Antennenelementen 80 in beiden
Unterarraystrukturen 90a und 90b zurück zu dem
Beleuchtungsnetzwerk 140 gerichtet, basierend auf dem Richtungskoeffizienten,
der in jedes der Antennenelemente 80 programmiert ist.
Die komplementären
Strukturen 90a und 90b erzeugen komplementäre Empfangsmikrowellenstrahlstrukturen
an dem Beleuchtungsnetzwerk 140. Das Beleuchtungsnetzwerk 140 empfängt die
reflektierte Mikrowellenbeleuchtung 40 und liefert die
reflektierte Mikrowellenbeleuchtung 40, die von beiden
Unterarraystrukturen 90a und 90b empfangen wird,
an den Empfänger 135.
Der Empfänger 135 kombiniert
die reflektierte Mikrowellenbeleuchtung 40, die von jedem
Antennenelement 80 in beiden Unterarraystrukturen 90a und 90b reflektiert
wird, um ein erstes Empfangs signal (verbundenes Signal) 170 zu
erzeugen, das den Wert der effektiven Intensität der reflektierten Mikrowellenbeleuchtung
an dem Ziel 155 anzeigt. Bei einem Ausführungsbeispiel erzeugt der
Empfänger 135 das
verbundene Signal 170 unter Verwendung der Mikrowellenbeleuchtung,
die von dem Schnittpunkt der komplementären Empfangsmikrowellenstrahlstrukturen
empfangen wird. Genauer gesagt, das erzeugte verbundene Signal 170 ist
das volumen-integrierte Kreuzprodukt der komplementären Empfangsmikrowellenstrahlen.
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In
dem getrennten Modus richtet das Beleuchtungsnetzwerk 140 die
Mikrowellenbeleuchtung 30 von dem Sender 130 zu
den Antennenelementen 80 in nur einer der Unterarraystrukturen
(z. B. Struktur 90a). Basierend auf dem Richtungskoeffizienten, der
in jedes der Antennenelemente 80 in dieser Unterarraystruktur 90a programmiert
ist, wird die Mikrowellenbeleuchtung 35 von den Antennenelementen 80 in
diesen Unterarraystrukturen 90a zu dem Ziel 155 gerichtet.
Reflektierte Mikrowellenbeleuchtung 75, die von dem Ziel 155 reflektiert
wird und an dem schwach besetzten Antennenarray 50 empfangen wird,
wird jedoch von den Antennenelementen 80 in den anderen
Unterarraystrukturen 90b zurück zu dem Beleuchtungsnetzwerk 140 gerichtet,
basierend auf dem Richtungskoeffizienten, der in jedes der Antennenelemente 80 in
dieser Unterarraystruktur 90b programmiert ist. Somit erzeugen
die komplementären
Strukturen 90a und 90b Sende- bzw. Empfangsmikrowellenstrahlenstrukturen
bei dem Ziel 155.
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Das
Beleuchtungsnetzwerk 140 empfängt die reflektierte Mikrowellenbeleuchtung 70 und
liefert die reflektierte Mikrowellenbeleuchtung 70, die
von den Antennenelementen 80 in den Unterarraystrukturen 90b empfangen
wird, an den Empfänger 135. Der
Empfänger 135 kombiniert
die reflektierte Mikrowellenbeleuchtung 70, die von jedem
Antennenelement 80 in der Unterarraystruktur 90b reflektiert
wird, um ein zweites Empfangssignal (getrenntes Signal) 175 zu
erzeugen, das den Wert der effektiven Intensität der reflektierten Mikrowellenbeleuchtung
an dem Ziel 155 anzeigt. Bei einem Ausführungsbeispiel bildet der Empfänger 135 das
getrennte Signal 175 an dem Schnittpunkt der komplementären Sende- und Empfangsmikrowellenstrahlstrukturen.
Genauer gesagt, das erzeugte verbundene Signal 170 ist
das volumen-integrierte
Kreuzprodukt der komplementären
Sende- und Empfangsmikrowellenstrahlen.
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Sowohl
das verbundene Signal 170 als auch das getrennte Signal 175 werden
von dem Empfänger 135 zu
dem Prozessor 110 geleitet, der die Signale 170 und 175 verwendet,
um den Wert eines Pixels oder Voxels zu bestimmen, das dem Ziel 155 auf dem
Objekt 150 entspricht. Die Signale 170 und 175 sind
beide komplexe Signale, die Real- und Imaginär-Teile (oder äquivalent
Amplitude und Phase) enthalten, die ein Hauptabtastlappen und ein
oder mehrere unerwünschte
Seitenlappen beschreiben. Aufgrund der unterschiedlichen Sende-/Empfangswege der
beiden Beleuchtungsmodi haben die Seitenlappen in jedem der Signale 170 und 175 entgegengesetzte
Vorzeichen. Somit ist der Prozessor 110 in der Lage, den
Hauptabtastlappen konstruktiv zu verbessern, während er die unerwünschten
Seitenlappen destruktiv auslöscht
durch Berechnen einer optimalen linearen Kombination des verbundenen
Signals 170 und des getrennten Signals 175.
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Beispielsweise
wird mit Bezugnahme auf 14 eine beispielhafte
Amplitudenproduktverteilung eines getrennten Signals in dem Graph
dargestellt, der mit 1410 bezeichnet ist, und eine beispielhafte
Amplitudenproduktverteilung eines verbundenen Signals ist in dem
Graph dargestellt, der mit 1420 bezeichnet ist. Die in 14 gezeigten Graphen wurden aufgebaut
unter Verwendung eines Arrays mit einer schwach besetzten Geometrie ähnlich zu
der in 2A gezeigten Geometrie. Wie
es ersichtlich ist, sind sowohl in dem verbundenen als auch dem
getrennten Modus zusätzlich
zu dem gewünschten
zentralen Hauptlappen vier symmetrische Sätze von Seitenlappen. In dem
getrennten Modus (Graph 1410) ist jedoch die Amplitude
der Seitenlappen negativ (d. h. beim Vorzeichen entgegengesetzt
zu dem Hauptlappen), während
in dem verbundenen Modus (Graph 1420) die Amplitude der
Seitenlappen nicht negativ ist (d.h. das gleiche Vorzeichen wie
der zentrale Lappen). Somit führt
das Bilden einer Überlagerung
der beiden Verteilungen 1410 und 1420 mit der ordnungsgemäßen Gewichtung
zwischen den beiden Verteilungen 1410 und 1420 zu
einer Verteilung mit einem starken Hauptlappen und schwachen Seitenlappen,
wie es im Graph 1430 gezeigt ist.
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Mit
erneuter Bezugnahme auf 1 bestimmt der Prozessor 110 die
optimale lineare Kombination (Gewichtung) des verbundenen Signals 170 und
des getrennten Signals 175 basierend auf der Schwach-Besetztheit
der Arraygeometrie (d. h. der komplementären Unterarraystrukturen 90a und 90b). Falls
beispielsweise das verbundene Signal mit J bezeichnet ist und das
getrennte Signal mit D bezeichnet ist, wählt der Prozessor 110 komplexe
Multiplizierer (Gewichtsanteile) mJ und
mD aus, basierend auf der Geometrie des
Arrays 50, so dass mJ + mD = Eins, und berechnet das resultierende
Signal als mJ·J + mD·D.
-
Im
Allgemeinen sind die Gewichtsprozente, die den komplexen Multiplizierern
mJ und mD zugewiesen
sind, linear proportional zu der Schwach-Besetztheit des Arrays 50.
Für ein
vollständig
dicht besetztes Array ist das Gewicht, das dem verbundenen Signal
gegeben ist, 100 %, und somit ist der Wert des komplexen Multiplizierers
mJ Eins und der Wert des komplexen Multiplizierers
mD ist Null. Gleichartig dazu, für ein vollständig schwach
besetztes Array (z. B. eine Bildrahmengeometrie, wie sie in 2A gezeigt ist,
mit nur einem einzigen Antennenelement pro Unterarray), ist das
Gewicht, das dem getrennten Signal zugewiesen ist, 100 %, und somit
ist der Wert des komplexen Multiplizierers mJ Null
und der Wert des komplexen Multiplizierers mD ist
Eins. Die Werte der komplexen Multiplizierer mJ und
mD sind typischerweise gleich für alle Pixel
oder Voxel bei einer Abtastung des Objekts 150, und daher
kann der Prozessor 110 die Werte der komplexen Multiplizierer
einmal optimieren und die optimierten Werte in dem Speicher 160 oder
in dem Prozessor 110 speichern, für die Verwendung während der
Abtastung.
-
Außerdem arbeitet
der Prozessor 110, um das Beleuchtungssystem 100 für den verbundenen und
getrennten Beleuchtungsmodus zu steuern. Bei einem Ausführungsbeispiel
schaltet der Prozessor 110 zwischen dem verbundenen und
dem getrennten Beleuchtungsmodus. Der Prozessor 110 stellt
das Beleuchtungsnetzwerk 140 beispielsweise auf den verbundenen
Modus ein, um das verbundene Signal 170 zu empfangen, und
stellt dann das Beleuchtungsnetzwerk 140 auf den getrennten
Modus ein, um das getrennte Signal 175 zu empfangen. Bei
einem anderen Ausführungsbeispiel
steuert der Prozessor 110 den Sender 130 und den
Empfänger 135, um
im Wesentlichen gleichzeitig sowohl in dem verbundenen als auch
dem getrennten Beleuchtungsmodus zu arbeiten.
-
Der
Prozessor 110 arbeitet ferner, um die Richtungskoeffizienten
von jedem der einzelnen Antennenelemente 80 in dem schwach
besetzten Antennenarray 50 zu programmieren, um mehrere
Ziele 155 auf dem Objekt 150 mit Mikrowellenstrahlen
zu beleuchten, und/oder reflektierte Mikrowellenbeleuchtung von
mehreren Zielen 155 auf dem Objekt 150 zu empfangen.
Somit arbeitet der Prozessor 110 in Verbindung mit dem
schwach besetzten Antennenarray 50, um das Objekt 150 abzutasten.
Beim Betrieb arbeitet das Mikrowellenbilderfassungssystem 10 bei
Frequenzen, die es ermöglichen,
dass Millionen von Zielen 155 pro Sekunde abgetastet werden.
-
Der
Prozessor 110 umfasst jede Hardware, Software, Firmware
oder Kombination derselben zum Steuern des schwach besetzten Antennenarrays 50 und
Verarbeiten der empfangenen Mikrowellenbeleuchtung, die von dem
Ziel 155 reflektiert wird, um ein Mikrowellenbild des Ziels 155 und/oder
des Objekts 150 aufzubauen. Bei einem Ausführungsbeispiel
speichert der Speicher 160 Software, die durch den Prozessor 110 ausführbar ist,
um das Antennenarray 50 zu steuern und/oder das Mikrowellenbild
des Objekts 150 aufzubauen. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel
ist die Software in dem Prozessor 110 gespeichert, und
der Speicher 160 speichert optional Daten, die durch den
Prozessor 110 während
der Ausführung
der Software verwendet werden.
-
Der
Prozessor 110 kann beispielsweise einen oder mehrere Mikroprozessoren,
Mikrocontroller, programmierbare Logikvorrichtungen, Digitalsignalprozessoren
oder andere Typen von Verarbeitungsvorrichtungen umfassen, die konfiguriert
sind, um Befehle eines Computerprogramms auszuführen, und einen oder mehrere
Speicher (z. B. Cache-Speicher), die die Befehle und andere Daten
speichern, die durch den Prozessor 110 verwendet werden.
Es sollte jedoch klar sein, dass andere Ausführungsbeispiele des Prozessors 110 verwendet
werden können.
Der Speicher 160 ist jeder Typ von Datenspeichervorrichtung,
einschließlich,
aber nicht beschränkt
auf, einer Festplatte, eines Direktzugriffspeichers (RAM), Nur-Lese-Speichers
(ROM), Kompaktdisk, Diskette, ZIP®-Laufwerks, Bandlaufwerks,
Datenbank oder anderen Typs von Speichervorrichtung oder Speichermedium.
-
Das
resultierende Mikrowellenbild des Ziels 155 und/oder Objekts 150 kann
von dem Prozessor 110 zu der Anzeige 120 geleitet
werden, um das Mikrowellenbild anzuzeigen. Bei einem Ausführungsbeispiel
ist die Anzeige 120 eine zweidimensionale Anzeige zum Anzeigen
eines dreidimensionalen Mikrowellenbilds 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.
-
Es
sollte klar sein, dass mehrere schwach besetzte Antennenarrays 50 verwendet
werden können,
um unterschiedliche Abschnitte des Objekts 150 abzutasten.
Beispielsweise kann das Mikrowellenbilderfassungssystem 10 mit
zwei schwach besetzten Antennenarrays implementiert werden, die
jeweils ein 1 m × 1
m schwach besetztes Array von Antennenelementen 80 aufweisen,
um die Hälfte
des Objekts 150 abzutasten. Als weiteres Beispiel kann
das Mikrowellenbilderfassungssystem 10 mit vier schwach
besetzten Antennenarrays 50 implementiert sein, die jeweils
ein 0,5 m × 0,5
m schwach besetztes Array von Antennenelementen 80 umfassen,
das in der Lage ist, einen Quadranten des Objekts 150 abzutasten.
-
Beispiele
von komplementären
Unterarraystrukturen 90a und 90b, die ein schwach
besetztes Antennenarray 50 bilden, sind in 2A und 2B gezeigt. 2A stellt
eine beispielhafte „Bildrahmen"-Struktur dar, bei
der eine der komplementären Unterarraystrukturen 90a schraffierte
Unterarrays 60 umfasst, und die andere komplementäre Unterarraystruktur 90b leere
Unterarrays 60 umfasst. In dem verbundenen Beleuchtungsmodus
sind alle Unterarrays 60 beleuchtet, durch sowohl die Sende-
als auch die Empfangszuführung
in dem Mikrowellenbeleuchtungssystem, während in dem getrennten Beleuchtungsmodus
die Unterarrays 60 in der ersten komplementären Unterarraystruktur 90a durch
die Sendezuführung
beleuchtet sind und die Unterarrays 60 in der zweiten komplementären Unterarraystruktur 90b durch
die Empfangszuführung
beleuchtet sind. Die Eck-Unterarrays 60 sind entweder geteilt
beleuchtet (durch beide Beleuchtungsmodi) entlang den Diagonalen
oder überhaupt
nicht beleuchtet.
-
2B stellt
eine beispielhafte „Kreuz"-Struktur dar, bei
der eine der komplementären
Unterarraystrukturen 90a die schraffierten Unterarrays 60 umfasst,
und die andere komplementäre Unterarraystruktur 90b die
leeren Unterarrays 60 umfasst. In dem verbundenen Beleuchtungsmodus
sind alle Unterarrays 60 durch sowohl die Sende- als auch die
Empfangszuführung
in dem Mikrowellenbeleuchtungssystem be leuchtet, während in
dem getrennten Beleuchtungsmodus die Unterarrays 60 in
der ersten komplementären
Unterarraystruktur 90a durch die Sendezuführung beleuchtet
sind, und die Unterarrays 60 in der zweiten komplementären Unterarraystruktur 90b durch
die Empfangszuführung
beleuchtet sind. Die mittlere Unteranordnung 60 (d. h.
die Unteranordnung 60, die beide Strukturen 90a und 90b schneidet)
kann in beiden Beleuchtungsmodi beleuchtet werden, durch zufälliges Zuweisen
im Wesentlichen gleicher Anzahlen von Antennenelementen 80 zu
entweder dem verbundenen Modus oder dem getrennten Modus.
-
Bei
einem Ausführungsbeispiel
sind eines oder mehrere der Unterarrays 60 ein dicht besetztes Unterarray
von Antennenelementen 80. Bei anderen Ausführungsbeispielen
sind eines oder mehrere der Unterarrays 90 ein schwach
besetztes Unterarray von Antennenelementen 80. Beispielsweise
können ein
oder mehrere der Unterarrays eine einzige Zeile oder Spalte von
dicht besetzten oder schwach besetzten Antennenelementen 80 enthalten.
In jedem Fall sind die komplementären Unterarraystrukturen 90a und 90b zusammen
aus einer stark reduzierten Anzahl von Antennenelementen zusammengesetzt, so
dass die Gesamtzahl von Antennenelementen 80 in dem schwach
besetzten Antennenarray 50 stark reduziert ist im Vergleich
zu einem dicht besetzten Array. Diese Reduzierung beim Elementzählwert ergibt
direkt reduzierte Kosten. Somit sind die Kosten des komplementären Arrays
mit reduziertem Elementzählwert,
wie z. B. derjenigen in 2A und 2B,
proportional zu nur der Quadratwurzel von A, was wesentliche Kosteneinsparungen
erreicht, im Gegensatz zu dicht besetzten Arrays, wo die Kosten des
Arrays proportional zu der Standfläche A der dicht besetzten Arrays
sind. Außerdem
ist AFOV ungeändert
zwischen dem dicht besetzten Array und dem komplementären Array
mit reduziertem Elementzählwert,
weil das Gesamtausmaß der
komplementären
Arrays und der minimale Abstand gleich ist wie für das ursprünglich dicht besetzte Array.
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3A ist
eine schematische Darstellung eines beispielhaften Beleuchtungssystems 100,
das in der Lage ist, in mehreren Beleuchtungsmodi zu arbeiten, für die Verwendung
bei dem Mikrowellenbilderfassungssystem der vorliegenden Erfindung.
Das Beleuchtungssystem 100 umfasst das Beleuchtungsnetzwerk 140,
den Sender 130 und den Empfänger 135. In 3A umfasst
das Beleuchtungsnetzwerk 140 Mikrowellenhörner 310, 320 und 330,
Phasenplatten 340, 342 und 344, einen
Zirkulator 350 und Schalter 360 und 370 zum
Durchführen
von HF-Schalten zwischen den beiden Beleuchtungsmodi. Der Schalter 360 ist
mit dem Empfänger 135 verbunden
und schaltet selektiv zwischen dem Horn 310 und dem Zirkulator 350.
Der Schalter 370 ist mit dem Sender 130 verbunden
und schaltet selektiv zwischen dem Horn 330 und dem Zirkulator 350.
In 3A sind die Schalter 360 und 370 einpolige
Umschalt- (SPDT-) Mikrowellenschalter. Bei anderen Ausführungsbeispielen
könnten
jedoch andere Typen von Schaltern verwendet werden.
-
Die
zentrale Phasenplatte 342 ist entworfen, um die gesamte
schwach besetzte Geometrie beider komplementärer Unterarraystrukturen in
dem verbundenen Beleuchtungsmodus zu beleuchten. Die linke Phasenplatte 340 ist
entworfen, um eine der komplementären Unterarraystrukturen in
dem getrennten Modus zu beleuchten, während die rechte Phasenplatte 344 entworfen
ist, um die andere komplementäre
Unterarraystruktur in dem getrennten Modus zu beleuchten. Die Phasenplatten 340, 342 und 344 können entweder
durch Reflektion oder Übertragung
von Mikrowellenbeleuchtung zu und von den Hörnern 310, 320 bzw. 330 arbeiten.
Bei anderen Ausführungsbeispielen
sind die Hörner 310, 320 und 330 kundenspezifisch
entworfene Fernfeldmuster-Hörner,
die dadurch den Bedarf an Phasenplatten 340, 342 und 344 aufheben.
Beispielsweise können
undichte Wellenleiter, zylindrische Linsen, zylindrische Spiegel
und andere Typen von kundenspezifischen Hörnern mit Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
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In
dem verbundenen Beleuchtungsmodus verbinden beide Schalter 360 und 370 mit
dem Zirkulator 350, um Mikrowellenstrahlung durch das mittlere
Horn 320 zu senden und zu empfangen, um das verbundene
Signal zu erzeugen. In dem getrennten Beleuchtungsmodus verbindet
der Schalter 360 mit dem Horn 310, und der Schalter 370 verbindet
mit dem Horn 330, um Mikrowellenstrahlung vollständig durch das rechte Horn 330 zu übertragen
und Mikrowellenstrahlung vollständig
durch das linke Horn 310 zu empfangen, um das getrennte
Signal zu erzeugen. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Mikrowellenbilderfassungssystem
ein kohärentes
System, und somit schmalbandig. Daher können die Schalter 360 und 370 als
Schmalbandschalter entworfen sein, um eine Leistung mit geringerem
Einfügungsverlust zu
erhalten als diejenige, die mit universellen Breitbandmikrowellenschaltern
erreichbar ist. Als Folge kann jede der hierin gezeigten Konfigurationen
des Beleuchtungssystems 100 mit relativ geringer Übertragungsleistung
verwendet werden.
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3B ist
ein schematisches Diagramm eines weiteren beispielhaften Beleuchtungssystems 100,
das in der Lage ist, in mehreren Beleuchtungsmodi zu arbeiten, für die Verwendung
bei dem Mikrowellenbeleuchtungssystem der vorliegenden Erfindung.
Das Beleuchtungssystem 100 umfasst das Beleuchtungsnetzwerk 140,
den Sender 130 und den Empfänger 135. In 3B umfasst
das Beleuchtungsnetzwerk 140 nur ein einziges Mikrowellenhorn 320,
eine entsprechende Phasenplatte 342 und einen Zirkulator 350.
Die Phasenplatte 342 ist entworfen, um die gesamte schwach
besetzte Geometrie beider komplementärer Unterarraystrukturen in
sowohl dem verbundenen Beleuchtungsmodus als auch dem getrennten
Beleuchtungsmodus zu beleuchten. Die beiden Beleuchtungsmodi (verbunden und
getrennt) sind digital implementiert an dem Antennenarray durch
Invertieren der Phasenverschiebungen der einzelnen Antennenelemente
in einer der komplementären
Unterarraystrukturen, während
die Phasenverschiebungen der einzelnen Antennenelemente in der anderen
komplementären
Unterarraystruktur beibehalten werden.
-
In
einem binären
Array kann beispielsweise jedes Antennenelement nur mit einem von
zwei unterschiedlichen binären
Zuständen
programmiert sein (z. B. 0 Grad Phasenverschiebung oder 180 Grad
Phasenverschiebung). In dem getrennten Beleuchtungsmodus werden
die Antennenelemente in beiden komplementären Unterarraystrukturen erst mit
einer jeweiligen Phasenverschiebung (0 oder 180 Grad) programmiert,
die entworfen ist, um eine konstruktive Interferenz der reflektierten
Mikrowellenbeleuchtung an dem Empfänger 135 zu erzeugen.
In dem getrennten Beleuchtungsmodus ist die Phasenverschiebung von
jedem der Antennenelemente in nur einer der komplementären Unterarraystrukturen umgedreht
(invertiert), so dass, falls ein bestimmtes Antennenelement während der
verbundenen Beleuchtung mit einer 0-Grad-Phasenverschiebung programmiert ist,
die Phasenverschiebung dieses bestimmten Antennenelements für eine getrennte Beleuchtung
auf 180 Grad geändert
wird. Als ein Beispiel, mit Bezugnahme auf 2A, können die
Phasenverschiebungen der Antennenelemente in der Unterarraystruktur 90a in
dem getrennten Beleuchtungsmodus invertiert werden, während die
gleichen Phasenverschiebungen der Antennenelemente in der Unterarraystruktur 90b beibehalten
werden.
-
Als
Folge umfasst die empfangene Mikrowellenstrahlung, die von dem Objekt
reflektiert wird und durch das Antennenarray zu dem Beleuchtungssystem 100 gerichtet
wird, zwei unabhängige
Kanäle,
die hierin als ein „Plus"-Kanal und ein „Minus"-Kanal bezeichnet
werden. Der Plus-Kanal ist äquivalent
zu dem verbundenen Beleuchtungskanal, der von der reflektierten
Mikrowellenstrahlung gemessen wird, die während dem verbundenen Beleuchtungsmodus empfangen
wird. Der Minus-Kanal
wird erhalten durch Invertieren der Phasenverschiebungen von einer
der Unterarraystrukturen während
des getrennten Beleuchtungsmodus. Der Minus-Kanal ist jedoch nicht äquivalent
zu dem getrennten Beleuchtungskanal. Statt dessen ist der getrennte
Beleuchtungskanal äquivalent
zu der Differenz zwischen dem Plus-Kanal und dem Minus-Kanal.
-
Der
getrennte Kanal kann auch als ein „gemischtes" Signal bezeichnet
werden, während
die Hinzufügung
des Plus-Kanals und des Minus-Kanals als ein „reines" Signal bezeichnet werden kann. Jede geeignete
lineare Kombination des Plus-Kanalsignals
und des Minus-Kanalsignals oder des reinen Kanalsignals und des
gemischten Kanalsignals erzeugt die optimale Seitenlappenauslöschung.
-
4A – 4C sind
bildliche Darstellungen von beispielhaften Phasenplatten 340, 342 und 344 für die Verwendung
bei beispielhaften Beleuchtungssystemen, die in 3A und 3B gezeigt sind.
In 4A – 4C sind
die Phasenplatten 340, 342 und 344 binäre Phasenzonenplatten,
während
weiße
Bereiche 0-Grad-Phasenverschiebungszonen darstellen und schwarze
Bereiche 180-Grad-Phasenverschiebungszonen darstellen. Bei anderen
Ausführungsbeispielen
sind die Phasenplatten 340, 342 und 344 quaternäre Phasenplatten (0°, 90°, 180° und 270°) oder durchgehende
Phasenplatten, wie z. B. eine herkömmliche Fresnel-Linse oder
eine gewöhnliche
Linse. Die bestimmte Phasenverschiebungszonenstruktur auf den Phasenplatten 340, 342 und 344 hängt von
den komplementären Unterarraystrukturen
des Arrays ab. Beispielsweise würde
die „Bildrahmen"-Struktur, die in 2A gezeigt
ist, andere Phasenplatten erfordern als die „Kreuz"-Struktur, die in 2B gezeigt
ist.
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Allgemein
sind die Phasenplatten 340 und 344 zum Beleuchten
der einzelnen komplementären Unterarraystrukturen
beinahe komplementär
(orthogonal) zueinander, um die ordnungsgemäße Phasenverschiebung zwischen
den Sende- und Empfangsstrahlenstrukturen in dem getrennten Modus
zu liefern. Die Phasenplatte 342 für eine verbundene Beleuchtung
ist selbst-doppelnd, d. h. eine geometrische Operation (z. B. 90°-Drehung),
die linke Platte 340 zu der rechten Platte 344 umwandelt,
lässt die Mittelplatte 342 ungeändert.
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5 ist
ein schematisches Diagramm eines weiteren beispielhaften Beleuchtungssystems 100, das
in der Lage ist, in mehreren Beleuchtungsmodi zu arbeiten, für die Verwendung
bei dem Mikrowellenbilderfassungssystem der vorliegenden Erfindung.
Bei 5 umfasst das Beleuchtungsnetzwerk 140 zwei
Mikrowellenhörner 510 und 520,
eine Veränderliche-Phase-Platte 530,
eine Feste-Phase-Platte 540, einen Zirkulator 550 und
einen Schalter 560 zum Durchführen von HF-Schalten zwischen den beiden Beleuchtungsmodi.
Der Schalter 560 ist mit dem Sender 130 verbunden
und schaltet selektiv zwischen dem Horn 520 und dem Zirkulator 550.
Der Empfänger 135 ist
mit dem Zirkulator 550 verbunden, der mit dem Horn 510 verbunden
ist und selektiv mit dem Schalter 560 verbunden ist.
-
Die
Veränderliche-Phase-Platte 530 ist
entworfen, um die gesamte schwach besetzte Geometrie beider komplementärer Unterarraystrukturen
in dem verbundenen Beleuchtungsmodus und eine der komplementären Unterarraystrukturen
in dem getrennten Modus zu beleuchten, während die Feste-Phase-Platte 540 entworfen
ist, um die andere komplementäre
Unterarraystruktur in dem getrennten Modus zu beleuchten. In dem
verbundenen Beleuchtungsmodus ist die Veränderliche-Phase-Platte 530 programmiert,
um die gesamte schwach besetzte Geometrie beider komplementärer Unterarraystrukturen
des Antennenarrays zu beleuchten, und der Schalter 560 ist
mit dem Zirkulator 350 verbunden, um Mikrowellenstrahlung
durch das linke Horn 510 und die Veränderliche-Phase-Platte 530 zu
senden und zu empfangen, um das verbundene Signal zu erzeugen.
-
In
dem getrennten Beleuchtungsmodus ist der Schalter 560 mit
dem Horn 520 und der Feste-Phase-Platte 540 verbunden,
um Mikrowellenstrahlung durch das Horn 520 und die Feste-Phase-Platte 540 zu übertragen,
um eine der komplementären
Unterarraystrukturen zu beleuchten, und die Veränderliche-Phase-Platte 530 ist programmiert, um
die anderen komplementären
Unterarraystrukturen zu beleuchten, um Mikrowellenstrahlung durch die
Veränderliche-Phase-Platte 530 und
das Horn 510 zu empfangen, um das getrennte Signal zu erzeugen.
Es sollte klar sein, dass der Sender 130 und der Empfänger 135 ausgetauscht
werden können, falls
der Zirkulator 550 links-rechts-gespiegelt ist. Obwohl
es so erscheint, als würde
das Verwenden eines einzelnen Schalters 560 im Gegensatz
zu den in 3 und 6 – 9 gezeigten
mehreren Schaltern eine schlechte Isolationsleistung des Schalters 560 erzeugen,
liefert der Zirkulator 550 Isolation zum Ausgleichen der
schlechten Isolationsleistung des Schalters 560 und daher
kann jeder Typ von Mikrowellenschalter verwendet werden. Umgekehrt
ist die Einfügungsverlustleistung
des Schalters 560 im Vergleich zu 3 und 6 – 9 entspannt.
-
Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
ist die Veränderliche-Phase-Platte 530 ersetzt
durch eine Feste-Phase-Platte, die die gesamte schwach besetzte
Geometrie der komplementären
Unterarraystrukturen beleuchtet. Wenn der Schalter 560 mit dem
Zirkulator 550 verbindet, arbeitet der verbundene Beleuchtungsmodus
auf gleiche Weise, wie es oben beschrieben ist. Wenn der Schalter 560 mit dem
Horn 520 verbindet, ist jedoch der getrennte Beleuchtungsmodus
mit einem Effizienzstraffaktor von Zwei implementiert.
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6 ist
ein schematisches Diagramm eines weiteren beispielhaften Beleuchtungssystems 100, das
in der Lage ist, in mehreren Beleuchtungsmodi zu arbeiten, für die Verwendung
bei dem Mikrowellenbilderfassungssystem der vorliegenden Erfindung.
In 6 umfasst das Beleuchtungsnetzwerk 140 zwei
Mikrowellenhörner 610 und 620,
Phasenplatten 630 und 640, einen 50/50-Leistungsteiler/-kombinierer 650,
einen Zirkulator 660, einen optionalen Phasenschieber 670 und
Schalter 680, 685, 690 und 695 zum
Durchführen
von HF-Schalten
zwischen den beiden Beleuchtungsmodi. Der Schalter 680 ist
mit dem Empfänger 135 verbunden
und schaltet selektiv zwischen dem Zirkulator 660 und einer äußeren Übertragungsleitung
zu dem Horn 610. Der Schalter 685 ist mit dem
Sender 130 verbunden und schaltet selektiv zwischen einer äußeren Übertragungsleitung
zu dem Horn 620 und dem Zirku lator 660. Der Schalter 690 ist
mit dem Horn 610 verbunden und schaltet selektiv zwischen
der äußeren Übertragungsleitung
zu dem Empfänger 135 und dem
Leistungsteiler 650. Der Schalter 695 ist mit
dem Horn 620 verbunden und schaltet selektiv zwischen der äußeren Übertragungsleitung
zu dem Sender 130 und dem Leistungsteiler 650 (über den
optionalen Phasenschieber 670).
-
Eine
Phasenplatte 630 ist entworfen, um das eine der komplementären Unterarraystrukturen
zu beleuchten, während
die andere Phasenplatte 640 entworfen ist, um die andere
komplementäre
Unterarraystruktur zu beleuchten. In dem verbundenen Beleuchtungsmodus
sind die Schalter 680 und 685 mit dem Zirkulator 660 verbunden,
und die Schalter 690 und 695 sind mit dem Leistungsteiler 650 verbunden,
so dass die Mikrowellenstrahlung sowohl gesendet 50/50 und empfangen
50/50 wird, zwischen den beiden Hörnern 610 und 620 und
entsprechenden Phasenplatten 630 und 640, um das
verbundene Signal zu erzeugen. Falls die Unterarraystruktur-Teilbeleuchtungen
von den Hörnern 610 und 620 exakt
komplementär
sind, gibt es keine Störung auf
dem Array und der Phasenschieber 670 ist unnötig. Falls
es jedoch eine restliche Überlappung
der Teilbeleuchtungen gibt, kann der Phasenschieber 570 eingestellt
werden, um die Beleuchtung in den Überlappungsregionen zu optimieren.
-
In
dem getrennten Beleuchtungsmodus sind die Schalter 680, 685, 690 und 695 mit
den äußeren Übertragungsleitungen
verbunden, um das Horn 610 mit dem Empfänger 135 zu verbinden
und das Horn 620 mit dem Sender 130 zu verbinden,
um die Mikrowellenstrahlung vollständig durch das Horn 620 und die
Phasenplatte 640 zu übertragen
und die Mikrowellenstrahlung vollständig durch das Horn 610 und die
Phasenplatte 630 zu empfangen, um das getrennte Signal
zu erzeugen. Es sollte klar sein, dass der Sender 130 und
der Empfänger 135 ausgetauscht
werden können,
falls der Zirkulator 660 links-rechts-gespiegelt ist.
-
7 ist
ein schematisches Diagramm eines weiteren beispielhaften Beleuchtungssystems 100, das
in der Lage ist, in mehreren Beleuchtungsmodi zu arbeiten, für die Verwendung
bei dem Mikrowellenbilderfassungssystem der vorliegenden Erfindung.
In 7 umfasst das Beleuchtungsnetzwerk 140 zwei
Mikrowellenhörner 710 und 720,
Phasenplatten 730 und 740, einen 90°-Hybridkoppler 750 und
Schalter 760, 765, 770 und 775 zum
Durchführen
von HF-Schalten zwischen den beiden Beleuchtungsmodi. Der Schalter 760 ist
mit dem Empfänger 135 verbunden
und schaltet selektiv zwischen einer äußeren Übertragungsleitung zu dem Horn 710 und dem
unteren linken Arm 752 des 90°-Hybridkopplers 750.
Der Schalter 765 ist mit dem Sender 130 verbunden
und schaltet selektiv zwischen einer äußeren Übertragungsleitung zu dem Horn 720 und
dem unteren rechten Arm 754 des 90°-Hybridkopplers 750. Der Schalter 770 ist
mit dem Horn 710 verbunden und schaltet selektiv zwischen
der äußeren Übertragungsleitung
zu dem Empfänger 135 und
dem oberen linken Arm 756 des 90°-Hybridkopplers 750.
Der Schalter 775 ist mit dem Horn 720 verbunden
und schaltet selektiv zwischen der äußeren Übertragungsleitung zu dem Sender 130 und
dem oberen rechten Arm 758 des 90°-Hybridkopplers 750.
-
Eine
Phasenplatte 730 ist entworfen, um die eine der komplementären Unterarraystrukturen
zu beleuchten, während
die andere Phasenplatte 740 entworfen ist, um die andere
komplementäre
Unterarraystruktur zu beleuchten. In dem getrennten Beleuchtungsmodus
sind die Schalter 760, 765, 770 und 775 mit
den äußeren Übertragungsleitungen
verbunden, um das Horn 710 mit dem Empfänger 135 zu verbinden,
und um das Horn 720 mit dem Sender 130 zu verbinden,
um die Mikrowellenstrahlung vollständig durch das Horn 720 und
die Phasenplatte 740 zu übertragen, und die Mikrowellenstrahlung
vollständig durch
das Horn 710 und die Phasenplatte 730 zu übertragen,
um das getrennte Signal zu erzeugen.
-
In
dem verbundenen Beleuchtungsmodus sind die Schalter 760 und 765 mit
den jeweiligen unteren Armen 752 und 745 des 90°-Hybridkopplers 750 verbunden,
und die Schalter 770 und 775 sind mit den jeweiligen
oberen Armen 756 und 758 des 90°-Hybridkopplers 750 verbunden.
Mikrowellenstrahlung von dem Sender 130 tritt in den unteren rechten
Arm 754 des 90°-Hybridkopplers 750 ein
und wird 50/50 aus den beiden oberen Armen 756 und 758 zu
den Hörnern 710 und 720 übertragen.
Die Mikrowellenstrahlung, die von dem oberen linken Arm 756 ausgegeben
wird, wird 90 Grad bezüglich
der Mikrowellenstrahlung gedreht, die von dem oberen rechten Arm 758 ausgegeben
wird.
-
Die
empfangene Mikrowellenstrahlung, die von dem Objekt reflektiert
wird und durch das Antennenarray zu dem Beleuchtungssystem 100 gerichtet wird,
umfasst vier unterschiedliche Kanäle: L-O-L, R-O-R, L-O-R und
R-O-L, wobei L das linke Horn 710 ist, R das rechte Horn 720 und 0 das
Objekt, das abgebildet wird. Die L-O-L- und R-O-R-Kanäle sind „reine" Kanäle, und
die L-O-R- und R-O-L-Kanäle
sind „gemischte" Kanäle. Alle
vier Kanäle
werden an dem Beleuchtungsnetzwerk 140 in Phase miteinander empfangen,
vorausgesetzt, ein optionaler Phasenschieber (nicht gezeigt) ist
korrekt eingestellt. Der 90°-Hybridkoppler 750 liefert
jedoch nur die „reinen" Kanäle zu dem
Empfänger 135,
aufgrund der 90°-Phasenverschiebung
zwischen den Armen. Die „gemischten" Kanäle werden
zurück
zu dem Sender 130 geleitet und nicht empfangen. Da die „gemischten" Kanäle im Wesentlichen äquivalent
sind zu dem getrennten Modussignal, kann das verbundene Signal („rein" + „gemischt") jedoch von einer
einfachen linearen Kombination des „reinen" Kanalsignals und des getrennten Signals
berechnet werden, die während
des getrennten Beleuchtungsmodus erhalten werden.
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8 ist
ein schematisches Diagramm eines weiteren beispielhaften Beleuchtungssystems 100, das
in der Lage ist, in mehreren Beleuchtungsmodi zu arbeiten, für die Verwendung
bei dem Mikrowellenbilderfassungssystem der vorliegenden Erfindung.
Bei 8 umfasst das Beleuchtungsnetzwerk 140 zwei
Mikrowellenhörner 810 und 820,
Phasenplatten 830 und 840, einen 50/50-Leistungsteiler/-kombinierer 850,
Zirkulatoren 860, 865 und 870, und Schalter 880 und 980 zum
Durchführen
von HF-Schalten zwischen den beiden Beleuchtungsmodi. Der Schalter 880 ist
mit dem Empfänger 135 verbunden
und schaltet selektiv zwischen dem Zirkulator 860 und dem
Zirkulator 865. Der Schalter 890 ist mit dem Sender 130 verbunden
und schaltet selektiv zwischen dem Zirkulator 870 und dem
Zirkulator 865. Der Zirkulator 860 ist mit dem
Horn 810 verbunden und der Zirkulator 870 ist
mit dem Horn 820 verbunden. Der Leistungsteiler 850 ist
mit den Zirkulatoren 860, 865 und 870 verbunden.
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Eine
Phasenplatte 830 ist entworfen, um die eine der komplementären Unterarraystrukturen
zu beleuchten, während
die andere Phasenplatte 840 entworfen ist, um die andere
komplementäre
Unterarraystruktur zu beleuchten. In dem verbundenen Beleuchtungsmodi
sind die Schalter 880 und 890 mit dem Zirkulator 865 verbunden,
so dass Mikrowellenstrahlung 50/50 zwischen den beiden Hörnern 810 und 820 über den
Zirkulator 865 und den Leistungsteiler 850 übertragen
wird, direkt durch den Zirkulator 860, und durch Abprallen
des reflektierenden offenen Schaltanschlusses an den Zirkulator 870.
Mikrowellenstrahlung wird ebenfalls 50/50 zwischen beiden Hörnern 810 und 820 empfangen,
direkt durch den Zirkulator 870 und durch Abprallen des
reflektierenden offenen Schalteranschlusses an dem Zirkulator 860,
um das verbundene Signal zu erzeugen.
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In
dem getrennten Beleuchtungsmodus sind die Schalter 880 und 890 mit
den Zirkulatoren 860 bzw. 870 verbunden, um das
Horn 810 mit dem Empfänger 135 zu
verbinden und das Horn 820 mit dem Sender 130 zu
verbinden, und die Mikrowellenstrahlung vollständig durch das Horn 820 und
die Phasenplatte 840 zu übertragen, und um Mikrowellenstrahlung
vollständig
durch das Horn 810 und die Phasenplatte 830 zu
empfangen, um das getrennte Signal zu erzeugen. Ein optionaler Phasenschieber
kann auch enthalten sein, um die Beleuchtung in den Überlappungsregionen
zu optimieren.
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9 ist
ein schematisches Diagramm eines weiteren beispielhaften Beleuchtungssystems,
das in der Lage ist, in mehreren Beleuchtungsmodi zu arbeiten, für die Verwendung
bei dem Mikrowellenbilderfassungssystem der vorliegenden Erfindung.
Bei 9 umfasst das Beleuchtungsnetzwerk 140 zwei Mikrowellenhörner 910 und 920,
Phasenplatten 930 und 940, einen 90°-Hybridkoppler 950,
Zirkulatoren 960 und 970 und Schalter 980 und 990 zum
Durchführen
von HF-Schalten zwischen den beiden Beleuchtungsmodi. Der Schalter 980 ist
mit dem Empfänger 135 verbunden
und schaltet selektiv zwischen dem Zirkulator 960 und dem
unteren linken Arm 952 des 90°-Hybridkopplers 950.
Der Schalter 990 ist mit dem Sender 130 verbunden
und schaltet selektiv zwischen dem Zirkulator 970 und dem
unteren rechten Arm 954 des 90°-Hybridkopplers 950. Der Zirkulator 960 ist
mit dem Horn 910 und dem oberen linken Arm 956 des
90°-Hybridkopplers 950 verbunden.
Der Zirkulator 970 ist mit dem Horn 920 und dem
oberen rechten Arm 958 des 90°-Hybridkopplers 950 verbunden.
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Eine
Phasenplatte 930 ist entworfen, um die eine der komplementären Unterarraystrukturen
zu beleuchten, während
die andere Phasenplatte 940 entworfen ist, um die andere
komplementäre
Unterarraystruktur zu beleuchten. In dem getrennten Beleuchtungsmodus
sind die Schalter 980 und 990 mit den Zirkulatoren 960 bzw. 970 verbunden,
um das Horn 910 mit dem Empfänger 135 zu verbinden und
das Horn 920 mit dem Sender 130 zu verbinden, um
die Mikrowellenstrahlung vollständig
durch das Horn 920 und die Phasenplatte 940 zu übertragen und
die Mikrowellenstrahlung vollständig
durch das Horn 910 und die Phasenplatte 930 zu
empfangen, um das getrennte Signal zu erzeugen. In dem verbundenen
Beleuchtungsmodus sind die Schalter 980 und 990 mit
den jeweiligen unteren Armen 952 und 945 des 90°-Hybridkopplers 950 verbunden,
um die Mikrowellenstrahlung 50/50 zwischen beiden Hörnern 910 und 920 zu übertragen,
wie es oben in Verbin dung mit 7 beschrieben
ist, um das verbundene Signal zu erzeugen.
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10 ist
ein schematisches Diagramm eines weiteren vereinfachten beispielhaften
Mikrowellenbilderfassungssystems 10 zum Erfassen eines
Mikrowellenbildes eines Objekts 150 mit unterdrückten Seitenlappen,
das ein schwach besetztes Antennenarray 50 gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung verwendet. Das in 10 gezeigte
Mikrowellenbilderfassungssystem 10 ist ähnlich zu dem in 1 gezeigten
Mikrowellenbilderfassungssystem 1, außer dass das Beleuchtungssystem 100 zwei
Sende-/Empfangsgeräte 1010 und 1020 umfasst,
die jeweils einen Sender und Empfänger umfassen, und das Beleuchtungsnetzwerk 140 verbundene
Beleuchtungsoptik 1030 und getrennte Beleuchtungsoptik 1040 umfasst.
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Ein
Sende-/Empfangsgerät
(z. B. Sende-/Empfangsgerät 1010)
beleuchtet das schwach besetzte Array 50 durch die verbundene
Beleuchtungsoptik 1030 (z. B. Hörner und Phasenplatten), während das
andere Sende-/Empfangsgerät 1020 das
schwach besetzte Array 50 durch die getrennte Beleuchtungsoptik 1040 beleuchtet.
Somit sind in dem verbundenen Modus die Unterarrays 60 in
beiden komplementären
Unterarraystrukturen 90a und 90b beleuchtet, sowohl
durch die Sendezuführung als
auch die Empfangszuführung
des Sende-/Empfangsgeräts 1030.
In dem getrennten Modus sind die Unterarrays 60 in einer
ersten komplementären
Unterarraystruktur 90a durch die Sendezuführung des Sende-/Empfangsgeräts 1020 beleuchtet,
und die Unterarrays 60 in einer zweiten komplementären Unterarraystruktur 90b sind
durch die Empfangszuführung
des Sende-/Empfangsgeräts 1020 beleuchtet. Der
Prozessor 110 wirkt als eine Steuerung und schaltet zwischen
den Sende-/Empfangsgeräten 1010 und 1020.
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Bei
einem anderen Ausführungsbeispiel
können
die verbundene Beleuchtungsoptik 1030 und die getrennte
Beleuchtungsoptik 1040 kombiniert werden, wie in 6 oder 7,
um es beiden Empfängern
in den Sende-/Empfangsgeräten 1010 und 1020 zu
ermöglichen,
zu allen Zeiten zu empfangen. Der Prozessor 110 schaltet
zwischen den Sende- (verbunden gegenüber getrennt) Modi, entweder
mit einem Sender (z. B. einem einzelnen Sender, wie er in 6 oder 7 gezeigt
ist), oder zwischen den beiden Sendern der Sende-/Empfangsgeräte 1010 und 1020,
die in 10 gezeigt sind. Über die
beiden Modi empfangen die beiden Empfänger vier unterschiedliche
komplexe Werte (2 Empfänger × 2 Modi), die
in dem Prozessor 110 linear kombiniert werden können, um
das endgültige
Signal zu bilden.
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11 ist
ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Beleuchtungssystems 100,
das in der Lage ist, in mehreren Beleuchtungsmodi zu arbeiten, für die Verwendung
bei dem Mikrowellenbilderfassungssystem 10 von 10.
Bei 11 umfasst das Beleuchtungssystem 100 zwei
Empfänger 135a und 135b,
einen Sender 130, Mikrowellenhörner 1110 und 1120,
Phasenplatten 1130 und 1140, Zirkulatoren 1150 und 1160,
einen 50/50-Leistungsteiler/-kombinierer 1170, einen optionalen
Phasenschieber 1180 und Schalter 1190 und 1195 zum Durchführen von
HF-Schalten zwischen den beiden Beleuchtungsmodi. Der Zirkulator 1150 ist
mit dem Horn 1110, dem Empfänger 135a und dem
Leistungsteiler 1170 verbunden. Der Zirkulator 1160 ist mit
dem Horn 1120 und dem Empfänger 135b verbunden.
Der Schalter 1190 ist mit dem Sender 130 verbunden
und schaltet selektiv zwischen dem Leistungsteiler 1170 und
einer äußeren Übertragungsleitung
zu dem Horn 1120. Der Schalter 1195 ist mit dem
Zirkulator 1160 verbunden und schaltet selektiv zwischen
der äußeren Übertragungsleitung
zwischen dem Horn 1120 und dem Sender 130 und
dem Leistungsteiler 1170.
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Eine
Phasenplatte 1130 ist entworfen, um die eine der komplementären Unterarraystrukturen
zu beleuchten, während
die andere Phasenplatte 1140 entworfen ist, um die andere
komplementäre
Unterarraystruktur zu beleuchten. In dem getrennten Beleuchtungsmodus
verbinden die Schalter 1190 und 1195 mit der Übertragungsleitung,
die den Sender 130 und das Horn 1120 verbindet,
und nur das Signal von dem Empfänger 135a wird
ausgewählt,
um das getrennte Signal zu erzeugen. Das Signal von dem Empfänger 135b wird
ignoriert. In dem verbundenen Beleuchtungsmodus sind die Schalter 1190 und 1195 mit
dem Leistungsteiler 1170 verbunden, so dass die Mikrowellenstrahlung
sowohl zwischen den beiden Hörnern 1110 und 1120 und
den entsprechenden Phasenplatten 1130 und 1140 gesendet
50/50 und empfangen 50/50 wird, und an beiden Empfängern 135a und 135b empfangen
wird, um zwei verbundene Signale zu erzeugen (verbunden R1 und verbunden
R2). Der Prozessor bestimmt den Wert eines Pixels oder Voxels, das
dem Ziel entspricht, durch Bilden einer entsprechenden komplexen
linearen Kombination der drei Signale (getrennt, verbunden R1 und
verbunden R2). Wenn die Schalter 1190 und 1195 nur
in dem Sendeweg (und nicht in dem Empfangsweg) sind, kann jeder
Schalteinfügungsverlust
durch Erhöhen
der Sendeleistung überwunden
werden, ohne Rundsendeeistung-Regelbegrenzungen
zu verletzen.
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12 ist
ein schematisches Diagramm eines weiteren beispielhaften Beleuchtungssystems 100,
das in der Lage ist, in mehreren Beleuchtungsmodi zu arbeiten, für die Verwendung
bei dem Mikrowellenbilderfassungssystem 10 von 10.
In 12 umfasst das Beleuchtungssystem 100 zwei Sende-/Empfangsgeräte 1010 und 1020,
die jeweils einen jeweiligen Empfänger 135a und 135b und
einen jeweiligen Sender 130a und 130b, eine Phasenverriegelung 1270 zu
den Phasenverriegelungssendern 130a und 130b,
verbundene Optik 1030 und getrennte Optik 1040 umfassen.
Die verbundene Optik 1030 umfasst ein Mikrowellenhorn 1210,
eine Phasenplatte 1230 und Zirkulator 1250. Die
getrennte Optik 1040 umfasst ein Mikrowellenhorn 1220,
eine Phasenplatte 1240 und einen Zirkulator 1260.
Der Zirkulator 1250 ist mit dem Horn 1210, dem
Empfänger 135a (R1)
und dem Sender 130a (T1) verbunden. Der Zirkulator 1260 ist
mit dem Horn 1220, dem Empfänger 135b (R2) und
dem Sender 130b (T2) verbunden.
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Eine
Phasenplatte 1230 ist entworfen, um die eine der komplementären Unterarraystrukturen zu
beleuchten, während
die andere Phasenplatte 1240 entworfen ist, um die andere
komplementäre Unterarraystruktur
zu beleuchten. Bei einem Ausführungsbeispiel
eines getrennten Beleuchtungsmodus sind T2 130b und R1 135a ausgewählt, um
das getrennte Signal zu erzeugen, T1 130a ist aus und das Signal
von R2 135b wird ignoriert. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel
des getrennten Beleuchtungsmodus sind T1 130a und R2 135b ausgewählt, um das
getrennte Signal zu erzeugen, T2 130b ist aus und das Signal
von R1 135a wird ignoriert. In dem verbundenen Beleuchtungsmodus
werden beide Sender 130a und 130b und beide Empfänger 135a und 135b verwendet,
um zwei verbundene Signale (verbunden R1 und verbunden R2) zu erzeugen.
Der Prozessor bestimmt erneut den Wert eines Pixels oder Voxels,
das dem Ziel entspricht, durch Bilden einer geeigneten komplexen
linearen Kombination der drei Signale (getrennt, verbunden R1 und
verbunden R2).
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13 ist
ein schematisches Diagramm eines weiteren beispielhaften Beleuchtungssystems 100,
das in der Lage ist, in mehreren Beleuchtungsmodi zu arbeiten, ohne
Schalter, für
die Verwendung bei dem Mikrowellenbilderfassungssystem 10 von 10.
Bei 13 umfasst das Beleuchtungssystem 100 einen
Summierempfänger
(als Empfänger 135 und
Summierknoten 1380 gezeigt), einen Sender 130,
Mikrowellenhörner 1310 und 1320,
Phasenplatten 1330 und 1340, einen 90°-Hybridkoppler 1350,
Zirkulator 1360 und variablen (Gewinn- und Phase-) Verstärker 1370.
Der Zirkulator 1360 ist mit dem Sender 130, dem
variablen Verstärker 1370 und dem
unteren rechten Arm 1354 des 90°-Hybridkopplers 1350 verbunden.
Der Summierempfänger 135 und 1380 ist
mit dem Verstärker
mit variabler Verstärkung 1370 und
dem unteren linken Arm 1392 des 90°-Hybridkopplers 1350 verbunden.
Das Horn 1310 ist mit dem oberen linken Arm 1356 des
90°-Hybridkopplers 1350 verbunden,
und das Horn 1320 ist mit dem oberen rechten Arm 1358 des
90°-Hybridkopplers 1350 verbunden.
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Eine
Phasenplatte 1330 ist entworfen, um eine der komplementären Unterarraystrukturen
zu beleuchten, während
die andere Phasenplatte 1340 entworfen ist, um die andere
komplementäre
Unterarraystruktur zu beleuchten. In 13 werden
der verbundene und der getrennte Beleuchtungsmodus im Wesentlichen
gleichzeitig durchgeführt,
unter Verwendung eines Summierknotens 1380. Der variable Verstärker 1370 liefert
eine geeignete lineare Kombination der „reinen" und „gemischten" Signale, die äquivalent
ist zu einer linearen Kombination des verbundenen und getrennten
Modus des Summierempfängers 135 und 1380.
Um beispielsweise eine 50/50-Verbunden-+Getrenntverteilung
zu erzeugen, wie es in 14 gezeigt
ist, sollte die Spannungsverstärkung
auf Drei gesetzt sein. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Summierempfänger 135 und 1380 mit
analoger Verstärkung
und Kombination implementiert (wie es in 13 gezeigt
ist). Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel
ist der Summierempfänger 135 und 1380 unter
Verwendung von zwei Empfängern
gefolgt von digitaler Multiplikation und Addition implementiert.
Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel
kann ein einzelner Empfänger verwendet
werden und ein einzelner Schalter kann entweder den unteren linken
Arm 1352 des 90°-Hybridkopplers 1350 oder
das untere linke Tor des Zirkulators 1360 auswählen, gefolgt
von digitaler Multiplikation und Addition.
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15 ist
ein Flussdiagramm, das einen beispielhaften Prozess 1500 zum
Erfassen eines Mikrowellenbildes eines Ziels auf einem Objekt darstellt, gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung. Anfangs wird bei Block 1510 ein
Antennenarray bereitgestellt, das eine Mehrzahl von Antennenelementen
umfasst, die in komplementären
Unterarraystrukturen in einer schwach besetzten Geometrie angeordnet
sind. Bei Block 1510 werden beide komplementären Unterarraystrukturen
des Antennenarrays beleuchtet, um einen ersten Sendestrahl von Mikrowellenbeleuchtung
zu dem Ziel zu richten. Danach wird bei Block 1530 ein
erster Reflekti onstrahl der reflektierten Mikrowellenbeleuchtung,
die durch das Ziel reflektiert wird, von beiden komplementären Unterarraystrukturen
des Antennenarrays empfangen, um ein erstes Empfangssignal in einem ersten
Modus zu erzeugen. Bei Block 1540 wird eine erste der komplementären Unterarraystrukturen
des Antennenarrays beleuchtet, um einen zweiten Sendestrahl der
Mikrowellenbeleuchtung zu dem Ziel zu richten. Danach wird bei Block 1550 ein
zweiter Reflektionstrahl der reflektierten Mikrowellenbeleuchtung
von einer zweiten der komplementären
Unterarraystrukturen des Antennenarrays empfangen, um ein zweites
Empfangssignal in einem zweiten Modus zu erzeugen. Schließlich wird
bei Block 1560 der Wert eines Pixels oder Voxels, das dem
Ziel zugeordnet ist, das eine Intensität der reflektierten Mikrowellenbeleuchtung
darstellt, die von dem Ziel reflektiert wird, bestimmt als eine
lineare Kombination des ersten Empfangssignals und des zweiten Empfangssignals.
Dieser Prozess kann für
jedes Pixel oder Voxel in dem Bild wiederholt werden, oder alternativ,
wie es in Verbindung mit 16 und 17 beschrieben ist,
um den Schaltaufwand zu reduzieren, können alle Pixel oder Voxel
in einem Bild in einem Beleuchtungsmodus abgetastet werden, bevor
zu dem anderen Beleuchtungsmodus geschaltet wird.
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16 ist
ein Flussdiagramm, das einen beispielhaften Prozess 1600 zum
Erfassen eines Mikrowellenbildes eines Objekts darstellt, der ein
schwach besetztes Antennenarray verwendet, das komplementäre Unterarraystrukturen
von Antennenelementen umfasst, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung. Anfangs wird bei Block 1610 das Mikrowellenbilderfassungssystem
auf einen Beleuchtungsmodus eingestellt (d. h. entweder verbunden
oder getrennt). Bei Ausführungsbeispielen,
wo Schalter verwendet werden, um zwischen den Beleuchtungsmodi zu
schalten, werden bei Block 1610 die Schalter eingestellt,
um den ersten Beleuchtungsmodus zu implementieren. Danach wird bei Block 1620 jedes
Pixel oder Voxel in dem Mikrowellenbild des Objekts in dem ersten
Beleuchtungsmodus abgetastet (d. h. jedes Ziel wird abgebildet),
um jeweilige Erster-Modus-Signale für jedes Pixel oder Voxel zu
erzeugen. Bei Block 1630 wird jedes Erster-Modus-Signal
durch einen ersten Multiplizierer multipliziert, der den Erster-Modus-Signalen
das entsprechende Gewicht liefert, und die resultierenden gewichteten
Erster-Modus-Signale werden in dem Speicher bei Block 1640 gespeichert.
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Bei
Block 1650 wird das Mikrowellenbilderfassungssystem auf
einen zweiten Beleuchtungsmodus (d. h. entweder verbunden oder getrennt)
eingestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel,
wo die Schalter verwendet werden, um zwischen den Beleuchtungsmodi
zu schalten, werden beispielsweise bei Block 1650 die Schalter
eingestellt, um den zweiten Beleuchtungsmodus zu implementieren.
Danach wird bei Block 1660 jedes Pixel oder Voxel in dem
Mikrowellenbild des Objekts in dem zweiten Beleuchtungsmodus abgetastet
(d. h. jedes Ziel wird abgebildet), um jeweilige Zweiter-Modus-Signale
für jedes Pixel
oder Voxel zu erzeugen. Bei Block 1670 wird jedes Zweiter-Modus-Signal
durch einen zweiten Multiplizierer multipliziert, der das entsprechende
Gewicht an die Zweiter-Modus-Signalen liefert, und die resultierenden
gewichteten Zweiter-Modus-Signale werden den jeweiligen gewichteten
Erster-Modus-Signalen für
jedes Pixel oder Voxel bei Block 1680 hinzugefügt, um einen
Wert für
jedes Pixel oder Voxel in dem Mikrowellenbild zu erzeugen. Bei Block 1690 kann
das Mikrowellenbild des Objekts unter Verwendung der Pixel-/Voxelwerte
angezeigt werden. Dieser Prozess wird bei 1695 für jedes
abgetastete Objekt wiederholt, um ein jeweiliges Mikrowellenbild
für jedes
Objekt zu erzeugen.
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17 ist
ein Flussdiagramm, das einen weiteren beispielhaften Prozess 1700 mit
reduzierten Schaltereignissen zwischen Mikrowellenbildern von Objekten
darstellt, die unter Verwendung eines schwach besetzten Antennenarrays
erfasst werden, das komplementäre
Unterarraystrukturen von Antennenelementen umfasst, gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung. Anfangs wird bei Block 1710 ein Anfangsbeleuchtungsmodus
(d. h. entweder verbunden oder getrennt) als ein aktueller Beleuchtungsmodus
ausgewählt,
und ein entsprechender Multiplizierer für den aktuellen Modus wird bestimmt.
Danach wird bei Block 1720 jedes Pixel oder Voxel in dem
Mikrowellenbild des Objekts in dem aktuellen Beleuchtungsmodus abgetastet
(d. h. jedes Ziel wird abgebildet), um jeweilige erste Signale für jedes
Pixel oder Voxel zu erzeugen. Bei Block 1730 wird jedes
erste Signal durch den Multiplizierer für den aktuellen Modus multipliziert,
und die resultierenden gewichteten ersten Signale werden bei Block 1740 in
dem Speicher gespeichert.
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Bei
Block 1750 wird der andere Beleuchtungsmodus (d. h. entweder
verbunden oder getrennt) als aktueller Beleuchtungsmodus ausgewählt, und
bei Block 1760 wird jedes Pixel oder Voxel in dem Mikrowellenbild
des Objekts in dem aktuellen Beleuchtungsmodus abgetastet (d. h.
jedes Ziel wird abgebildet), um jeweilige zweite Signale für jedes
Pixel oder Voxel zu erzeugen. Bei Block 1770 wird jedes
zweite Signal multipliziert durch den Multiplizierer für den aktuellen
Beleuchtungsmodus, und die resultierenden gewichteten zweiten Signale
werden den jeweiligen gewichteten ersten Signalen für jedes
Pixel oder Voxel bei Block 1780 hinzugefügt, um einen Wert
für jedes
Pixel oder Voxel in dem Mikrowellenbild zu erzeugen. Bei Block 1790 kann
das Mikrowellenbild des Objekts unter Verwendung der Pixel-/Voxelwerte angezeigt
werden. Dieser Prozess wiederholt sich bei 1795 bis Block 1720,
in dem der Beleuchtungsmodus, der die zweiten Signale bei Block 1760 erzeugt
hat, bei Block 1720 als aktueller Beleuchtungsmodus für das nächste abgetastete
Objekt verwendet wird.