JP2022552289A - マイクロアンテナアレイ - Google Patents

Abstract

地形に基づいて車両をナビゲートするためのシステムは、表面探知レーダー（ＳＰＲ）システムであって、ＳＰＲシステムは、車両に関連付けられたリアルタイムＳＰＲ情報を取得するための全周波数範囲を有する１つ以上のマイクロアンテナアレイを有する、ＳＰＲシステムと、１つ以上の制御装置であって、制御装置は、取得されたリアルタイムＳＰＲ情報に少なくとも部分的に基づいて、地形および／または車両に関連付けられた情報を決定する、制御装置とを含む。様々な実施形態において、マイクロアンテナアレイ（単数または複数）は、各々がある周波数範囲において動作するように構成された複数のマイクロアンテナ素子を含み、マイクロアンテナ素子の周波数範囲は、集合的にマイクロアンテナ素子の個々の周波数範囲より大きい全周波数範囲に及ぶ。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１９年１０月９日に出願された米国仮特許出願第６２／９１２，７９１号に対する優先権およびその利益を主張し、その全体を参照によって本明細書に援用する。

（発明の分野）
本発明は、概して、マイクロアンテナアレイに関連し、より具体的には、表面探知レーダー（ＳＰＲ）システムにおいて実装されるマイクロアンテナアレイに関連する。

（背景）
現代のワイヤレス通信システムは、一般に、単純な構造を伴う小プロファイルで、軽量で、かつ高利得のアンテナを特徴とし、信頼性と、移動性と、高効率性とを確保する。従来、小型アンテナは、電磁（ＥＭ）波共鳴に依拠し、結果として、従来のアンテナのサイズは、ＥＭ波長と同程度である（典型的に、ＥＭ波長の１０分の１より大きい）。車両の位置決めなどの用途は、アンテナのサイズに大きく依存し得る。しかしながら、最終的には、アンテナの小型化は、アンテナの性能と、材料コストと、可能な波長との考慮によって制限される。

近年開発された技術は、音波共鳴に合うようにアンテナを仕立てる。例えば、懸架（ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ）強磁性／圧電薄膜ヘテロ構造を伴う音響作動式ナノメカニカル電磁（ＭＥ）アンテナが、ＭＥ効果を介してそれらの音響共鳴周波数においてＥＭ波を受信し、伝送するために提案されている。この技術が電磁気的に作動させられるアンテナと比較して１桁または２桁の大きさだけアンテナサイズを著しく低減させるが、ＭＥアンテナは、リンギングと、周波数における小さな変化に対する入力インピーダンスの高感度性とをもたらす高品質係数（「高Ｑ」）を示す。結果として生じる性能劣化は、広帯域幅および雑音の多い環境を伴う用途におけるそれらのアンテナの実用性を制限する。

従って、音響作動式ＭＥアンテナの高Ｑ問題を緩和しつつ音響作動式ＭＥアンテナのサイズと同程度のサイズを有するアンテナへのニーズが、存在する。

（概要）
本発明の実施形態は、音響作動式ＭＥアンテナの特質である高Ｑ問題を示すことなく超小型サイズ（例えば、従来のマイクロチップの寸法と同程度の寸法）を有し得るマイクロアンテナアレイを提供する。様々な実施形態において、マイクロアンテナアレイは、複数のマイクロアンテナ素子を含み、各素子は、懸架強磁性／圧電薄膜ヘテロ構造を有する音響作動式ナノ電気メカニカルシステム（ＮＥＭＳ）ＭＥアンテナであり、３０Ｈｚと３ＧＨｚとの間のピーク周波数において動作することが可能である。高Ｑの影響を緩和するために、各マイクロアンテナ素子が比較的狭い帯域幅（例えば、２ｋＨｚ）内で動作するように（材料および／または構成（例えば、サイズもしくは形状）の観点から）設計されるが、マイクロアンテナアレイの周波数帯（または周波数範囲）は、広いスペクトル領域（例えば、１０ｋＨｚ～１０ＧＨｚ）に集合的に及ぶ。加えて、隣接するマイクロアンテナ素子に関連付けられたピーク動作周波数は、階段状の周波数差を有し得る。マイクロアンテナ素子の動作周波数帯は、互いに重複し得るか、または互いに境を接し得る。

一実施形態では、アレイ内のマイクロアンテナ素子は、アレイ全体が単一の広域帯伝送機および／または受信機としての機能を効果的に果たすようにグループとして動作させられる。代替として、アレイ内のマイクロアンテナ素子は、複数の列にグループ化され、各列は、列内のマイクロアンテナ素子によって集合的に決定された周波数範囲内の信号を伝送および／または受信するために、独立に制御される。いくつかの実施形態では、アレイ内の各マイクロアンテナ素子は、それに関連付けられた周波数範囲内の信号を伝送および／または受信するように独立に制御される。マイクロアンテナ素子がグループ化された態様で動作させられるか、または個別的な態様で動作させられるかに関係なく、それらによって伝送および／または受信された信号は、広帯域スペクトル周波数範囲に及ぶように算出的に組み合わせられ得る。

様々な実施形態において、１つ以上のマイクロアンテナアレイが、車両に装着されたＳＰＲシステムにおいて実装され、地形条件の道路表面および／もしくは表面下情報、ならびに／または車両の位置情報を取得するために動作させられる。複数のマイクロアンテナアレイが採用されたとき、下層地形における異常が、アレイによって受信された信号を比較することによって検出され得る。グループ化は、複数の入力および／または出力測定を可能にする二次元（２Ｄ）および／三次元（３Ｄ）構成であり得る。これは、例えば、マイクロアンテナをフェーズドアレイとして動作させることによって、異なる方向／位置に焦点を合わせ得る１つのマイクロアンテナアレイからの操舵ビームを作成することによっても達成され得る。いくつかの実施形態では、マイクロアンテナアレイの別個の組が、車両の周りに分配される（例えば、車両の前部に１つのアレイがあり、車両の後部に別のアレイがある）。前部アレイは、下層地形および表面地形をマッピングし得、マップに基づいて、後部アレイは、データを記録し得、前部アレイデータに対して位置合わせを行い得、それによって、車両の状態情報（例えば、操舵、向き、速度、姿勢、加速度、および／または減速度）を明らかにし得る。

従って、一局面では、本発明は、地形に基づいて車両をナビゲートするためのシステムに関する。様々な実施形態において、システムは、車両に関連付けられたリアルタイムＳＰＲ情報を取得するための１つ以上のマイクロアンテナアレイを有するＳＰＲシステムと、１つ以上の制御装置であって、制御装置は、取得されたリアルタイムＳＰＲ情報に少なくとも部分的に基づいて、地形および／または車両に関連付けられた情報を決定する、制御装置とを含む。マイクロアンテナアレイ（単数または複数）は、各々がある周波数範囲において動作するように構成された複数のマイクロアンテナ素子を含み得、マイクロアンテナ素子の周波数範囲は、マイクロアンテナ素子の個々の周波数範囲より大きい全周波数範囲に集合的に及ぶ。

様々な実施形態において、マイクロアンテナ素子の各々は、音響作動式超小型ナノ電気メカニカルシステム（ＮＥＭＳ）ＭＥアンテナを含み、懸架強磁性／圧電薄膜ヘテロ構造を有する。加えて、マイクロアンテナ素子の各々は、従来のマイクロチップの寸法と同程度の寸法を有し得る。一実施形態では、全周波数範囲は、１０ｋＨｚと１０ＧＨｚとの間の周波数に対応する。いくつかの実施形態では、各マイクロアンテナ素子は、ピーク動作周波数を有し、隣接するマイクロアンテナ素子に関連付けられたピーク動作周波数は、階段状の周波数差を有する。隣接するマイクロアンテナ素子の周波数範囲は、互いに重複し得る。代替として、隣接するマイクロアンテナ素子の周波数範囲は、互いに境を接し得る。一実施形態では、マイクロアンテナ素子は、概ね２ｋＨｚを超えて動作可能である。

いくつかの実施形態では、ＳＰＲシステムは、各々が異なる領域に焦点を合わせるように構成された複数のマイクロアンテナアレイを含む。加えて、制御装置は、マイクロアンテナアレイによって受信されたＳＰＲ情報を比較することと、領域のうちの１つ以上に関連付けられた地形条件における異常を決定することとを行うようにさらに構成され得る。加えて、制御装置は、複数の領域に焦点を合わせた操舵ビームをマイクロアンテナアレイ（単数または複数）に生成させることと、マイクロアンテナアレイ（単数または複数）によって複数の領域から受信されたＳＰＲ情報を比較することと、領域のうちの１つ以上に関連付けられた地形条件における異常を決定することとを行うようにさらに構成され得る。

様々な実施形態において、ＳＰＲシステムは、各々が異なる領域に焦点を合わせるように構成された複数のマイクロアンテナアレイを含む。加えて、制御装置は、マイクロアンテナアレイのうちの第一のマイクロアンテナアレイによって取得されたＳＰＲ情報に基づいて地形条件をマッピングすることと、マップに基づいて、マイクロアンテナアレイのうちの第二のマイクロアンテナアレイによって取得されたＳＰＲ情報を記録し、マイクロアンテナアレイのうちの第一のマイクロアンテナアレイによって取得されたＳＰＲ情報に対して位置合わせを行うことと、車両に関連付けられた状態情報（例えば、操舵方向、向き、速度、姿勢、加速度、および／または減速度）を決定することとを行うようにさらに構成され得る。

さらに、マイクロアンテナアレイは、複数の入力信号を受信すること、または複数の出力信号を生成することを一度に行うように構成され得、それによって、マイクロアンテナアレイから生成されたビームを形成するか、または取得されたリアルタイムＳＰＲ情報の品質を向上させる。マイクロアンテナアレイは、二次元または三次元において構成され得る。いくつかの実施形態では、制御装置は、取得されたリアルタイムＳＰＲ情報をある期間にわたって組み合わせること、または比較することを行うようにさらに構成され、それによって、決定された地形条件および／または車両に関連付けられた位置情報の正確度を向上させる。

様々な実施形態において、マイクロアンテナ素子は、マイクロアンテナ素子の平均動作波長の１０分の１未満の距離を伴って空気中または基板上で互いに間隔を置かれ、それによって、横方向および縦方向の分解能を向上させる。加えて、マイクロアンテナ素子のうちの少なくとも２つ間の間隔は、標的位置分解能と、マイクロアンテナアレイ内の２つのマイクロアンテナ素子の位置とに少なくとも部分的に基づいて決定され得る。一実施形態では、マイクロアンテナ素子は、同じ周波数範囲を有する。代替として、マイクロアンテナ素子の全て（または少なくともいくつか）は、異なる周波数範囲を有する。加えて、マイクロアンテナ素子の周波数範囲と異なる周波数範囲において車両に関連付けられたリアルタイムＳＰＲ情報を取得するための単一のアンテナ素子をさらに含み得る。

別の局面では、本発明は、地形に基づいて車両をナビゲートする方法に関連する。様々な実施形態において、方法は、１つ以上のマイクロアンテナアレイを有するＳＰＲシステムを提供することであって、マイクロアンテナアレイは、各々がある周波数範囲において動作するように構成された複数のマイクロアンテナ素子を含み、マイクロアンテナ素子の周波数範囲は、全周波数範囲に集合的に及ぶ、ことと、ＳＰＲシステムを作動させ、車両に関連付けられたリアルタイムＳＰＲ情報を取得することと、取得されたリアルタイムＳＰＲ情報に少なくとも部分的に基づいて、地形および／または車両に関連付けられた情報を決定することとを含む。一実装形態では、広い周波数範囲は、１０ｋＨｚと１０ＧＨｚとの間の周波数に対応する。加えて、各マイクロアンテナ素子は、ピーク動作周波数を有し得、隣接するマイクロアンテナ素子に関連付けられたピーク動作周波数は、階段状の周波数差を有する。

本明細書中で使用される場合、「概ね」および「実質的に」という用語は、±１０％を意味し、いくつかの実施形態では、±５％を意味する。加えて、「周波数帯」および「周波数範囲」という用語は、本明細書中で互換的に使用される。本明細書全体を通した「一例」、「ある例」、「一実施形態」、または「ある実施形態」への言及は、例に関連して記載された具体的な特徴、構造または特質が本技術の少なくとも一例に含まれることを意味する。従って、本明細書全体を通した様々な箇所における「一例では」、「ある例では」、「一実施形態」、または「ある実施形態」というフレーズの出現は、それらのすべてが同じ例に言及しているとは限らない。さらに、具体的な特徴、構造、ルーチン、ステップ、または特質が、本技術の１つ以上の例において、任意の好適な態様で組み合わせられ得る。本明細書中で提供される見出しは、便宜のためのみであり、主張される技術の範囲または意味を限定または解釈することを意図されていない。

（図面の簡単な説明）
図面において、同様の参照記号が、概して、異なる図面全体を通して同じ部分を参照している。図面は、縮尺通りであるとも限らず、代わりに、概して、本発明の原理を図示することに重点が置かれている。続く説明において、本発明の様々な実施形態が、以下の図面を参照しながら記載される。

図１Ａは、本発明の様々な実施形態に従った例示的マイクロアンテナアレイを概略的に描写している。

図１Ｂおよび図１Ｃは、本発明の様々な実施形態に従ったマイクロアンテナ素子の例示的動作周波数を図示している。 図１Ｂおよび図１Ｃは、本発明の様々な実施形態に従ったマイクロアンテナ素子の例示的動作周波数を図示している。

図２Ａは、本発明の様々な実施形態に従ったＳＰＲシステムを含む例示的な走行している車両を概略的に図示している。

図２Ｂは、本発明の様々な実施形態に従ったＳＰＲシステムのマイクロアンテナアレイが道路の表面により近いか、または道路の表面に接触している代替構成を概略的に図示している。

図２Ｃは、本発明の様々な実施形態に従ったＳＰＲシステムのマイクロアンテナアレイが異なる領域に向けられている例示的構成を概略的に描写している。

図２Ｄは、本発明の様々な実施形態に従ったＳＰＲシステムのマイクロアンテナアレイが同じ領域に異なる角度で向けられている例示的構成を概略的に描写している。

図２Ｅは、本発明の様々な実施形態に従ったＳＰＲシステムのマイクロアンテナアレイによって作成された操舵ビームを描写している。

図２Ｆおよび図２Ｇは、本発明の様々な実施形態に従った車両の周りに分配されたマイクロアンテナアレイの別個の組の側面図および底面図をそれぞれ概略的に描写している。 図２Ｆおよび図２Ｇは、本発明の様々な実施形態に従った車両の周りに分配されたマイクロアンテナアレイの別個の組の側面図および底面図をそれぞれ概略的に描写している。

図２Ｈおよび図２Ｉは、本発明の様々な実施形態に従ったＳＰＲシステムを装備された屋内を走行している車両を概略的に図示している。 図２Ｈおよび図２Ｉは、本発明の様々な実施形態に従ったＳＰＲシステムを装備された屋内を走行している車両を概略的に図示している。

図３は、本発明の様々な実施形態に従った例示的ＳＰＲシステムを概略的に描写している。

（詳細な説明）
まず図１Ａを参照すると、図１Ａは、様々な実施形態に従った例示的マイクロアンテナアレイ１００を描写している。マイクロアンテナアレイ１００は、下でさらに記載されるような１つ以上の列１０４、１０６において配置された複数のマイクロアンテナ素子１０２を含む。加えて、マイクロアンテナアレイ１００は、典型的に、従来のチップ（例えば、数平方ミリメートル（ｍｍ^２）から概ね６００ｍｍ^２までの範囲）と同程度の寸法を有し、それによって、アレイ１００は、その上に製造されることができる（本明細書中で使用される場合、「同程度」という用語は、±１０％を意味し、いくつかの実施形態では、±５％を意味する）。例えば、アレイ１００の長さＬは、概ね１インチであり得、幅Ｗは、概ね１／２インチであり得る。一実施形態では、各マイクロアンテナ素子１０２は、懸架強磁性／圧電薄膜ヘテロ構造を有する音響作動式超小型ＮＥＭＳ ＭＥアンテナである。共鳴ＭＥヘテロ構造（強磁性／圧電）におけるＥＭとバルク音波との間の強ＭＥ結合に起因して、マイクロアンテナ素子１０２は、従来の小型アンテナに対する１～２桁の大きさの小型化を有しつつ、３０Ｈｚと３ＧＨｚとの間のピーク周波数において動作し得る。ＮＥＭＳアンテナは、例えば、Ｎａｎらによる“Ａｃｏｕｓｔｉｃａｌｌｙ Ａｃｔｕａｔｅｄ Ｕｌｔｒａ－Ｃｏｍｐａｃｔ ＮＥＭＳ ｍａｇｎｅｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｎｔｅｎｎａｓ”ネイチャーコミュニケーションズ８：２９６（２０１７年８月）に詳細に記載され、その内容の全体は、参照によって本明細書に援用される。

ＮＥＭＳ ＭＥアンテナの性能を劣化させる高Ｑ問題を緩和するために、本明細書中の各マイクロアンテナ素子１０２に関連付けられた材料および／または構成（例えば、サイズまたは形状）が、その帯域幅を比較的狭い範囲（例えば、２ｋＨｚ）に制限するために選択され得る。加えて、隣接するマイクロアンテナ素子１０２は、それらに関連付けられたピーク動作周波数間に階段状の周波数差（例えば、１００ｋＨｚ）を有し得、マイクロアンテナアレイ１００内のマイクロアンテナ素子１０２の周波数帯（または周波数範囲）は、広いスペクトル領域（例えば、１０ｋＨｚ～１０ＧＨｚ）に集合的に及び得る。例えば、図１Ｂおよび図１Ｃを参照すると、各マイクロアンテナ素子は、ある周波数範囲を有する周波数応答曲線１０８に対応し、一実施形態では、周波数範囲は、比較的狭い帯域幅とピーク動作周波数ｆとによって定義される。例えば、周波数範囲の下界および上界は、それぞれ、ｆ－１／２帯域幅およびｆ＋１／２帯域幅と定義され得る。描写されているように、ピーク動作周波数ｆ_１、ｆ_２、・・・、ｆ_ｎは、それぞれ、マイクロアンテナアレイ１００内のマイクロアンテナ素子１０２_１、１０２_２、・・・、１０２_ｎに対応し得、マイクロアンテナ素子１０２_１、１０２_２、・・・、１０２_ｎの周波数帯は、広い周波数範囲Δｆに集合的に及ぶ。加えて、ピーク動作周波数ｆ_１、ｆ_２、・・・、ｆ_ｎに対応する周波数帯は、互いに重複し得（図１Ｂ）、または互いに境を接し得る（図１Ｃ）。いくつかの実施形態では、マイクロアンテナ素子の全て（または少なくともいくつか）は、同じ動作周波数範囲（すなわち、同じピーク動作周波数および同じ帯域幅）を有する。

いくつかの実施形態では、アレイ１００内の各マイクロアンテナ素子１０２は、その関連付けられた周波数範囲内の信号を伝送および／または受信するために独立に制御される。代替として、マイクロアンテナ素子１０２は、アレイ１００全体が単一の広帯域伝送機および／または受信機としての機能を効果的に果たすようにグループ化された態様で動作させられ得る。一実施形態では、アレイ１００内のマイクロアンテナ素子１０２は、複数の列１０４、１０６にグループ化され、各列は、列内のマイクロアンテナ素子１０２に関連付けられた集合的周波数範囲内で信号を伝送および／または受信するために独立に制御される。異なる列の周波数範囲Δｆは、実質的に同じであることも、異なることもある。一実施形態では、各列は、線形アレイであり、２つの列間の間隔ｄは、空気中または基板上の素子１０２に関連付けられた平均波長の概ね１０分の１であり（またはそれ未満であり）、基板は、横方向および／または前後縦方向の分解能を向上させるために、例えば、誘電材料、磁性材料、または吸収性材料で作られている。

加えて、マイクロアンテナ素子１０２の二列１０４、１０６（または２つのマイクロアンテナ素子１０２）間の間隔は、標的位置分解能と、マイクロアンテナアレイ１００内のマイクロアンテナ素子の二列（または２つのマイクロアンテナ素子１０２）の位置とに基づいて構成され得る。いくつかの実施形態では、マイクロアンテナ素子１０２の列１０４、１０６は、フェーズドアレイを形成し、複数の入力信号を受信し得、複数の出力信号を生成し得る。マイクロアンテナアレイ１００内のマイクロアンテナ素子１０２がグループ化された態様で動作させられるか、または個別的な態様で動作させられるかに関係なく、マイクロアンテナ素子１０２によって伝送および／または受信された信号は、広帯域スペクトル周波数範囲Δｆを効果的にカバーするように算出的に組み合わせられ得る。

図２Ａを参照すると、マイクロアンテナアレイ１００が、車両２０４に装着されたＳＰＲシステム２０２において実装され、様々な実施形態において、地形条件の道路表面および／もしくは表面下情報、ならびに／または車両の位置情報を取得するためのＳＰＲアンテナアレイ２０６としての役割を果たす。加えて、車両２０４は、マイクロアンテナアレイ（単数または複数）に関連付けられた周波数範囲（単数または複数）のいずれからも異なる周波数範囲において動作するように構成された単一のアンテナ素子２０７を装備され得、単一のアンテナ素子２０７およびマイクロアンテナアレイは、車両に関連付けられたリアルタイムＳＰＲ情報を実質的に同時に取得し得る。ＳＰＲアンテナアレイ２０６は、車両２０２の真下および／または前部（または任意の好適な部分）に固定され得る。加えて、ＳＰＲアンテナアレイ２０６は、一般に、地表面に対して平行に向けられ、走行の方向に対して垂直に延び得る。ある代替構成では、ＳＰＲアンテナアレイ２０６は、道路の表面により近いか、または道路の表面に接触している（図２Ｂ）。一実施形態では、ＳＰＲアンテナアレイ２０６は、ＳＰＲ信号を道路に伝送し、ＳＰＲ信号は、道路表面を通して表面下領域の中に伝搬し、上方向に反射される。反射されたＳＰＲ信号は、ＳＰＲアンテナアレイ２０６内の受信マイクロアンテナ素子によって検出され得る。様々な実施形態において、その後、検出されたＳＰＲ信号は、車両２０４の軌跡に沿った表面下領域の１つ以上のＳＰＲ画像を生成するために処理され、分析される。一実施形態では、ＳＰＲ画像は、車両２０４のマッピングおよび位置決めを行うために使用される特徴を抽出するために処理される。ＳＰＲアンテナアレイ２０６が表面に接触していない場合、受信される最も強いリターン信号は、道路表面によって引き起こされる反射であり得る。従って、ＳＰＲ画像は、表面データ（すなわち、表面下領域と大気または局所環境との界面に関するデータ）を含み得る（または表面データによって占められ得る）。

いくつかの実施形態では、ＳＰＲ画像は、定義されたルートに関する表面下領域と少なくとも部分的に重複している表面下領域に関して以前に取得され、記憶されたＳＰＲ参照画像と比較される。画像比較は、例えば相関に基づいた位置合わせ（ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ）プロセスであり得、例えば、米国特許第８，７８６，４８５号および米国特許公報第２０１３／００５０００８号を参照されたい（それらの開示全体は、参照によって本明細書に援用される）。車両２０４のルートおよび／もしくは位置、ならびに／またはルートの地形条件は、比較に基づいて決定され得る。一実施形態では、ルートデータは、車両をナビゲートするためのＳＰＲ情報を含むリアルタイムマップを作成するために使用される。例えば、リアルタイムＳＰＲマップ情報に基づいて、車両２０４の速度、加速度、向き、角速度、および／または角加速度が、既定のルートに沿った車両２０４の走行を維持するために制御装置（下でさらに記載される）を介して継続的に制御され得る。

いくつかの実施形態では、検出されたＳＰＲ信号は、ルートの地形条件を推定するために他のリアルタイム情報と組み合わせられる（天候条件、電気光学（ＥＯ）画像、車両２０４に採用された１つ以上のセンサを使用した車両の健康状態のモニタリング、および任意の他の好適な入力など）。推定された地形条件は、実世界の地形モデリングのみならず、地形／車両相互作用をリアルタイムでモデリングするための低減されたコンピュータ費用および／または複雑性も有利に提供し得る。

図２Ｃを参照すると、様々な実施形態において、ＳＰＲシステム２０２は、複数のマイクロアンテナアレイ２０６_１～ｎを含み、各アレイ２０６は、異なる地面領域２０８_１～ｎに対応する。異なる地面領域が異なる地形特徴を含み得、異なる地形特徴は、次に、マイクロアンテナアレイ２０６_１～ｎによって受信される異なるＳＰＲ信号（例えば、異なる振幅を有する）をもたらすので、複数のマイクロアンテナアレイ２０６_１～ｎの実装は、マイクロアンテナアレイ２０６_１～ｎのうちの少なくとも１つが地形条件および／または車両の位置を正確に識別するために強いＳＰＲ信号を受信できることを確実にし得る。図２Ｄを参照すると、いくつかの実施形態では、マイクロアンテナアレイ２０６_１～ｎの各々が、同じ地面領域２０８に異なる角度で向けられている。結果として、各アレイ２０６内のマイクロアンテナ素子は、同じ地面領域２０８から異なる角度に沿って信号を受信し得る。異なるアレイによって受信された信号を組み合わせること、および／または比較することを行うことによって、領域２０８の下層地形に関連付けられた特徴、および／または車両の位置が、より正確に検出され得る。

加えて、または代替として、マイクロアンテナアレイ２０６_１～ｎのうちの１つ以上の中のマイクロアンテナ素子の位相は、異なる方向／位置に焦点を合わせるように動的に変動させられ得る。例えば、図２Ｅを参照すると、領域２１０_１と２１０_２との間の領域に焦点を合わせるために、操舵ビームが、アレイ２０６_１内のマイクロアンテナ素子の相対位相を変動させることによって作成され得る。そして再び、操舵ビームによって操舵された異なる方向／位置からのＳＰＲ信号を比較することによって、操舵された方向／位置における下層地形に関連付けられた特徴、および／または車両の位置が、検出され得る。一実施形態では、各マイクロアンテナ素子は、操舵ビームを生成することと、操舵された領域／方向からの信号を受信することとを行うことが可能な送受信機として採用される。

加えて、または代替として、マイクロアンテナアレイ２０６の別個の組が、ＳＰＲシステム２０２が実装された車両の周りに分配され得る。例えば、図２Ｆ（側面図）および図２Ｇ（底面図）を参照すると、１つ以上のマイクロアンテナアレイ２０６が、車両２０４の前側面／底部に装着され得、別のマイクロアンテナアレイ（単数または複数）２０６が、車両２０４の後側面／底部に装着され得る。上に記載されたように、前部および／または後部アレイによって入手されたＳＰＲ信号は、車両２０４の周りの地形の表面および／または表面下の情報を含む１つ以上の画像（またはスキャン）に変換され得る。加えて、入手されたＳＰＲ信号に基づいて、ＳＰＲ情報を含むリアルタイムマップが、作成され得る。ＳＰＲ信号を使用してリアルタイムマップを作成するアプローチは、例えば、（２０２０年７月１５日に出願された）米国特許出願第１６／９２９，４３７号において提供され、米国特許出願第１６／９２９，４３７号の内容の全体は、参照によって本明細書に援用される。

一実施形態では、リアルタイムＳＰＲマップ情報は、前部アレイ２０６_１に関連付けられた制御装置２１２_１から通信モジュール２１４_１、２１４_２を介して、後部アレイ２０６_２に関連付けられた制御装置２１２_２に伝送される。制御装置２１０_１、２１０_２は、ハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの両方の組み合わせにおいて実装され得、異なる（例えば、同一の）デバイスであることも、単一のデバイスとして統合されていることもある。受信されたＳＰＲマップ情報に基づいて、後部制御装置２１２_２は、ＳＰＲマップ情報の伝送中、後部アレイ２０６２によって入手されたＳＰＲ信号を記録し、前部アレイ２０６_１によって受信された信号に対して位置合わせを行い得る。一実施形態では、制御装置２１２_２は、ＳＰＲマップ情報の伝送中、前部アレイ２０６_１と後部アレイ２０６_２とによって入手された信号から抽出したデータを比較し、操舵、向き、速度（速さおよび方位）、姿勢、加速度、および／または減速度などの状態情報を決定するように構成されている。それらに基づいて、車両制御モジュール（下でさらに記載される）が、行動（例えば、速さまたは方位の変更）が必要かどうかを決定し得る。すなわち、前部制御装置２１２_１は、状態情報を後部制御装置２１２_２に定期的に伝送し、後部制御装置２１２_２は、その後、現在の状態を以前の状態に対して評価し、独立した制御判定を行う。前部アレイデータに対する後部アレイデータの位置合わせを行うことについてのさらなる詳細は、例えば、（２０２０年７月２０日に出願された）米国特許出願第１６／９３３，３９５号において提供され、米国特許出願第１６／９３３，３９５号の内容の全体は、参照によって本明細書に援用される。

上に記載の様々な実施形態は、屋外表面環境における道路の地形条件をモニタリングすることに関連する。代替として、車両は、屋内環境（建築物内部、または建築物の複合体の中など）において制御され得る。車両は、廊下、倉庫、製造エリアなどをナビゲートし得る。いくつかの実施形態では、人間には危険であり得る領域において（例えば、危険が存在し得る原子力施設、病院、または研究施設など）、車両が、構造物内部で制御され得る。代替として、車両は、工場もしくは倉庫などの施設全体の移動が可能な移動型ロボットまたは他の自律型もしくは制御型機械であり得る。

車両が屋内を走行する場合、ＳＰＲシステム２０２が、例えば、ＳＰＲシステム２０２を車両の側面または頂部に取り付け、ＳＰＲシステムを好ましい方向（用途、車両の位置などに応じた変数であり得る）に向けることによって、床、天井または壁の中および／またはそれらの裏の表面下領域を含むＳＰＲ画像を入手するために採用され得る。例えば、図２Ｈは、ページに出入りする方向に走行している車両２０４を描写している。車両２０４は、ＳＰＲ画像に関する表面下領域が建築物の天井２２０の中およびその裏の領域を含むために、鉛直方向ｚにおいて信号を伝送および受信するように構成された１つ以上のマイクロアンテナアレイ１００を装備されている。同様に、図２Ｉは、ページに出入りする方向に走行している車両２０４を描写しており、車両２０４は、ＳＰＲ画像に関する表面下領域が鉛直壁２２２の中およびその裏の領域を含むために、水平方向ｙにおいて信号を伝送および受信するために実装された１つ以上のマイクロアンテナアレイ１００を有する。

図３は、本明細書に従った車両２０４において実装された１つ以上のマイクロアンテナアレイ１００を有する例示的地形モニタリングシステム（例えば、ＳＰＲシステム２０２）を描写している。ＳＰＲシステム２０２は、ユーザインターフェース３０２を含み得、ユーザは、ユーザインターフェース３０２を通してルートを定義するためのデータを入力すること、または既定のルートを選択することができる。ＳＰＲ画像は、ルートに従ってＳＰＲ参照画像ソース３０４から読み出される。例えば、ＳＰＲ参照画像ソース３０４は、フラッシュドライブまたはハードディスクなどのローカル大容量記憶デバイスであり得、代替として、または加えて、ＳＰＲ参照画像ソース３０４は、クラウドベースであり得（すなわち、ウェブサーバ上でサポートおよび維持されている）、ＧＰＳによって決定された現在地に基づいてリモートアクセスされ得る。例えば、ローカルデータ記憶装置は、車両の現在地の近辺に対応するＳＰＲ参照画像を含み得、車両が走行しているとき、定期更新が、データを新しくするために読み出される。

ＳＰＲシステム２０２は、上に記載の１つ以上のＳＰＲアンテナアレイ（例えば、マイクロアンテナアレイ１００）を有する移動式ＳＰＲシステム（「移動式システム」）３０６も含む。移動式ＳＰＲシステム３０６の伝送動作は、１つ以上の制御装置（例えば、プロセッサ）３０８によって制御され、制御装置３０８は、ＳＰＲアンテナアレイによって検出されたリターンＳＰＲ信号を受信することも行う。制御装置（単数または複数）３０８は、ＳＰＲアンテナアレイの真下の道路表面より下の表面下領域のＳＰＲ画像および／または道路表面のＳＰＲ画像を生成し得る。

ＳＰＲ画像は、表面下領域中および／または道路表面上の構造および物体（例えば、岩、根、巨礫、パイプ、空所および土壌層）を表す特徴と、表面下／表面領域における土壌または物質特性の変動を示す他の特徴とを含む。様々な実施形態において、位置合わせモジュール３１０が、制御装置（単数または複数）３０８によって提供されたＳＰＲ画像をＳＰＲ参照画像ソース３０４から読み出されたＳＰＲ画像と比較し、（例えば、ルート上の最も近い点に対する車両のオフセットを決定することによって）道路の地形条件を決定すること、および／または車両２０４の位置を特定することを行う。加えて、位置合わせモジュール３１０は、車両２０４に装着された異なるＳＰＲアンテナアレイによって取得されたＳＰＲ画像を比較し得、下層地形における異常、ならびに／または、車両２０４の姿勢、速度、および／または加速度の変化を識別し得る。様々な実施形態において、位置合わせプロセスにおいて決定された位置情報（例えば、オフセットデータまたは位置の誤差データ）は、車両２０４をナビゲートするためにナビゲーションマップを作成する変換モジュール３１２に提供される。例えば、変換モジュール３１２は、ルートからの車両の位置ずれに関して補正されたＧＰＳデータを生成し得る。

代替として、変換モジュール３１２は、マップソース３１４（例えば、ＧＰＳなどの他のナビゲーションシステム、またはマッピングサービス）から既存のマップを読み出し、その後、入手された位置情報を既存のマップにローカライズし得る。一実施形態では、既定のルートの位置マップは、制御装置２０８がアクセス可能なシステムメモリおよび／または記憶デバイス内のデータベース２１６に記憶される。加えて、または代替として、車両１０４に関する位置データは、既存のマップ（例えば、ＧＯＯＧＬＥ ＭＡＰＳによって提供されたマップ）、ならびに／または、車両２０４を誘導するための１つ以上の他のセンサもしくはナビゲーションシステム（慣性航法システム（ＩＮＳ）、ＧＰＳシステム、音響航法および測距（ＳＯＮＡＲ）システム、ＬＩＤＡＲシステム、カメラ、慣性計測ユニット（ＩＭＵ）および補助レーダーシステム、１つ以上の車両デッドレコニングセンサ（例えば、操舵角およびホイールオドメトリに基づく）、および／もしくはサスペンションセンサなど）によって提供されたデータとの組み合わせにおいて使用され得る。例えば、制御装置３０８は、ＧＰＳを使用して生成された既存のマップに入手されたＳＰＲ情報をローカライズし得る。車両ナビゲーションおよびローカライゼーションのためにＳＰＲシステムを利用するアプローチは、例えば、米国特許第８，９４９，０２４号に記載され、米国特許第８，９４９，０２４号の開示全体は、参照によって本明細書に援用される。

いくつかの実施形態では、ＳＰＲ参照画像は、それらに関連付けられた地形条件も含む。従って、入手されたＳＰＲ画像をＳＰＲ参照画像と比較することによって、ルートから取得されたＳＰＲ参照画像に関連付けられた地形条件が、決定され得る。ここでも、決定された地形条件は、その後、地形マップを作成するために変換モジュール３１２に提供され得る。地形マップは、次に、上に記載のナビゲーションマップと組み合わせられ得る。その後、地形／ナビゲーションマップは、それに基づいて車両を自律的に動作させるために制御装置（単数または複数）３０８に結合された車両制御モジュール３１６に提供され得る。例えば、車両制御モジュール３１６は、車両内の電気、機械および空気圧デバイスを含み得るか、または、それらと協働し得、車両の操舵、向き、速度、姿勢、および加速度／減速度を制御し得る。いくつかの実施形態では、ＳＰＲシステム２０２は、地形／ナビゲーションマップを更新および／または精緻化するために他のシステムによって検出された他のリアルタイム情報（ＳＰＲ信号／ＳＰＲ画像以外）を変換モジュール３１２に継続的に送給する入力データベース３１８を含む。

上に記載の車両に関連付けられた地形条件および／または位置情報は、ＳＰＲ信号から入手され得る例示的情報であることに留意されたい。当業者は、上に記載の取得されたＳＰＲ画像とアプローチとに基づいて、地形特徴（単数もしくは複数）、特徴（単数もしくは複数）を伴う位置情報、特徴（単数もしくは複数）の状態、特徴（単数もしくは複数）に関連付けられた材料特性もしくは性質、表面下もしくは表面上の特徴（単数もしくは複数）の変化、ならびに／または車両の速度、姿勢、向き、加速度、および／もしくは状態などの他の情報も入手され得、従って、本発明の範囲内にあることを理解するであろう。

車両において実装される制御装置（単数または複数）２１２、３０８は、ハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの両方の組み合わせにおいて実装される１つ以上のモジュールを含み得る。機能が１つ以上のソフトウェアプログラムとして提供される実施形態に関して、プログラムは、ＰＹＴＨＯＮ、ＦＯＲＴＲＡＮ、ＰＡＳＣＡＬ、ＪＡＶＡ（登録商標）、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、ＢＡＳＩＣ、様々なスクリプト言語および／またはＨＴＭＬなどの多数の高水準言語のうちの任意のものにおいて記述され得る。加えて、ソフトウェアは、標的コンピュータ上に常駐するマイクロプロセッサを対象としたアセンブリ言語において実装されることができ、例えば、ソフトウェアがＩＢＭ ＰＣまたはＰＣクローン上で稼働するように構成されている場合、ソフトウェアは、Ｉｎｔｅｌ８０×８６アセンブリ言語において実装され得る。ソフトウェアは、フロッピー（登録商標）ディスク、ジャンプドライブ、ハードディスク、光ディスク、磁気テープ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フィールドプログラマブルゲートアレイまたはＣＤ－ＲＯＭを含む（がそれらに限定されない）製造物品上で具体化され得る。ハードウェア回路を使用した実施形態は、例えば１つ以上のＦＰＧＡ、ＣＰＬＤまたはＡＳＩＣプロセッサを使用して実装され得る。

加えて、通信モジュール２１４_１、２１４_２は、それらの間に有線および／またはワイヤレス通信を提供するように設計された従来のコンポーネント（例えば、ネットワークインターフェースまたは送受信機）を含み得る。一実施形態では、通信モジュール２１４_１、２１４_２は、互いに直接通信する。加えて、または代替として、通信モジュール２１４_１、２１４_２は、公共電気通信インフラストラクチャー、路側機、遠隔隊列協調システム、移動通信サーバなどのインフラストラクチャーを介して互いに間接的に通信し得る。ワイヤレス通信は、ＷｉＦｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、赤外（ＩＲ）通信、電話ネットワーク（汎用パケット無線サービス（ＧＰＲＳ）、３Ｇ、４Ｇ、５Ｇ、高速データＧＳＭ（登録商標）環境（ＥＤＧＥ）など）、または他の非ＲＦ通信システム（光学システムなど）によるワイヤレス通信システムの手段によって実施され得る。加えて、ワイヤレス通信は、ＡＭ、ＦＭ、ＦＳＫ、ＰＳＫ、ＡＳＫ、ＱＡＭなどの任意の好適な変調方式を使用して実施され得る。

本明細書中で採用された用語および表現は、記載の用語および表現として使用されており、限定の用語および表現として使用されておらず、そのような用語および表現の使用において、示された、または記載された特徴またはそれらの一部の任意の均等物を排除する意図は、存在しない。加えて、本発明のある実施形態が記載されているが、本明細書に開示される概念を援用した他の実施形態が本発明の精神および範囲から逸脱することなく使用され得ることは、当業者には明らかであろう。従って、記載の実施形態は、あらゆる点において、単なる例示であり制限的なものでないと考えられるべきである。

以下は、特許請求の範囲である。

Claims (23)

1. 地形に基づいて車両をナビゲートするためのシステムであって、該システムは、
   表面探知レーダー（ＳＰＲ）システムであって、該ＳＰＲシステムは、該車両に関連付けられたリアルタイムＳＰＲ情報を取得するための少なくとも１つのマイクロアンテナアレイを備え、該マイクロアンテナアレイは、各々がある周波数範囲において動作するように構成された複数のマイクロアンテナ素子を備え、該マイクロアンテナ素子の該周波数範囲は、該マイクロアンテナ素子の個々の該周波数範囲より大きい全周波数範囲に集合的に及ぶ、ＳＰＲシステムと、
   少なくとも１つの制御装置と
   を備え、
   該制御装置は、該取得されたリアルタイムＳＰＲ情報に少なくとも部分的に基づいて、該地形または該車両のうちの少なくとも１つに関連付けられた情報を決定する、システム。
2. 前記マイクロアンテナ素子の各々は、音響作動式超小型ナノ電気メカニカルシステム（ＮＥＭＳ）ＭＥアンテナを備え、懸架強磁性／圧電薄膜ヘテロ構造を有する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記マイクロアンテナ素子の各々は、従来のマイクロチップの寸法と同程度の寸法を有する、請求項１に記載のシステム。
4. 前記全周波数範囲は、１０ｋＨｚと１０ＧＨｚとの間の周波数に対応する、請求項１に記載のシステム。
5. 各マイクロアンテナ素子は、ピーク動作周波数を有し、隣接するマイクロアンテナ素子に関連付けられた該ピーク動作周波数は、階段状の周波数差を有する、請求項１に記載のシステム。
6. 隣接するマイクロアンテナ素子の前記周波数範囲は、互いに重複している、請求項１に記載のシステム。
7. 隣接するマイクロアンテナ素子の前記周波数範囲は、互いに境を接している、請求項１に記載のシステム。
8. 前記マイクロアンテナ素子は、概ね２ｋＨｚを超えて動作可能である、請求項１に記載のシステム。
9. 前記ＳＰＲシステムは、各々が異なる領域に焦点を合わせるように構成された複数のマイクロアンテナアレイを備え、前記制御装置は、
   該マイクロアンテナアレイによって受信された前記ＳＰＲ情報を比較することと、
   該領域のうちの少なくとも１つに関連付けられた前記地形条件における異常を決定することと
   を行うようにさらに構成されている、請求項１に記載のシステム。
10. 前記制御装置は、
    複数の領域に焦点を合わせた操舵ビームを前記マイクロアンテナアレイに生成させることと、
    該マイクロアンテナアレイによって該複数の領域から受信された前記ＳＰＲ情報を比較することと、
    該領域のうちの少なくとも１つに関連付けられた前記地形条件における異常を決定することと
    を行うようにさらに構成されている、請求項１に記載のシステム。
11. 前記ＳＰＲシステムは、各々が異なる領域に焦点を合わせるように構成された複数のマイクロアンテナアレイを備え、前記制御装置は、
    該マイクロアンテナアレイのうちの第一のマイクロアンテナアレイによって取得された前記ＳＰＲ情報に基づいて前記地形条件をマッピングすることと、
    該マップに基づいて、該マイクロアンテナアレイのうちの第二のマイクロアンテナアレイによって取得された前記ＳＰＲ情報を記録し、該マイクロアンテナアレイのうちの該第一のマイクロアンテナアレイによって取得された該ＳＰＲ情報に対して位置合わせを行うことと、
    前記車両に関連付けられた状態情報を決定することと
    を行うようにさらに構成されている、請求項１に記載のシステム。
12. 前記状態情報は、操舵方向、向き、速度、姿勢、加速度、または減速度のうちの少なくとも１つを備えている、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記マイクロアンテナアレイは、複数の入力信号を受信すること、または複数の出力信号を生成することを一度に行うように構成され、それによって、該マイクロアンテナアレイから生成されたビームを形成するか、または前記取得されたリアルタイムＳＰＲ情報の品質を向上させる、請求項１に記載のシステム。
14. 前記マイクロアンテナアレイは、二次元または三次元において構成されている、請求項１に記載のシステム。
15. 前記制御装置は、前記取得されたリアルタイムＳＰＲ情報をある期間にわたって組み合わせること、または比較することを行うようにさらに構成され、それによって、前記決定された地形条件および／または前記車両に関連付けられた位置情報の正確度を向上させる、請求項１に記載のシステム。
16. 前記マイクロアンテナ素子は、該マイクロアンテナ素子の平均動作波長の１０分の１未満の距離を伴って空気中または基板上で互いに間隔を置かれ、それによって、横方向および縦方向の分解能を向上させる、請求項１に記載のシステム。
17. 前記マイクロアンテナ素子のうちの少なくとも２つ間の間隔は、標的位置分解能と、前記マイクロアンテナアレイ内の該少なくとも２つのマイクロアンテナ素子の位置とに少なくとも部分的に基づいて決定される、請求項１に記載のシステム。
18. 前記マイクロアンテナ素子は、同じ周波数範囲を有する、請求項１に記載のシステム。
19. 少なくともいくつかの前記マイクロアンテナ素子は、異なる周波数範囲を有する、請求項１に記載のシステム。
20. 前記マイクロアンテナ素子の前記周波数範囲と異なる周波数範囲において前記車両に関連付けられたリアルタイムＳＰＲ情報を取得するための単一のアンテナ素子をさらに備えている、請求項１に記載のシステム。
21. 地形に基づいて車両をナビゲートする方法であって、該方法は、
    少なくとも１つのマイクロアンテナアレイを備えた表面探知レーダー（ＳＰＲ）システムを提供することであって、該マイクロアンテナアレイは、各々がある周波数範囲において動作するように構成された複数のマイクロアンテナ素子を備え、該マイクロアンテナ素子の該周波数範囲は、全周波数範囲に集合的に及ぶ、ことと、
    該ＳＰＲシステムを作動させ、該車両に関連付けられたリアルタイムＳＰＲ情報を取得することと、
    該取得されたリアルタイムＳＰＲ情報に少なくとも部分的に基づいて、該地形または該車両のうちの少なくとも１つに関連付けられた情報を決定することと
    を含む、方法。
22. 前記広い周波数範囲は、１０ｋＨｚと１０ＧＨｚとの間の周波数に対応する、請求項２１に記載の方法。
23. 各マイクロアンテナ素子は、ピーク動作周波数を有し、隣接するマイクロアンテナ素子に関連付けられた該ピーク動作周波数は、階段状の周波数差を有する、請求項２１に記載の方法。

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