TWI727877B - 掃描遠端物體的雷達系統與相關方法 - Google Patents

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Abstract

一種雷達系統包含：一處理裝置用來產生複數個相位偏移數位訊號；複數個傳送裝置用來在一第一模式依據該複數個相位偏移數位訊號產生一射頻波束；複數個第一接收裝置用來在不同於該第一模式的一第二模式依據複數個第一入射訊號分別產生複數個第一數位訊號；以及複數個第二接收裝置用來在該第二模式依據複數個第二入射訊號分別產生複數個第二數位訊號。當該射頻波束擊中一第一目標物以及一第二目標物時，該處理裝置另用來以區分該第一目標物以及該第二目標物，其中該第一目標物以及該第二目標物具有相同的徑向速度以及位於相同的距離。

Description

掃描遠端物體的雷達系統與相關方法
本發明涉及雷達系統，尤指一種用於掃描遠端物體的雷達系統與相關方法。
透過發射出射頻訊號並接收其反射訊號，一雷達系統可用來判定多個目標物的距離、角度或速度。傳統的雷達系統係以機械的方式來控制其旋轉以掃描一較寬廣的範圍。透過機械的方式旋轉的雷達系統需消耗大量的能量才能快速的掃描到較多的目標物。再者，機械式的掃描天線常常會發生機械故障的問題。此外，當一雷達系統係透過機械的方式旋轉時，該雷達系統也會佔據較大的空間。
因此，如何提供一創新的雷達系統來解決以上的問題實為本領域所亟需解決的問題。
本實施例提供一種雷達系統，其包含一處理裝置，用來產生複數個相位偏移數位訊號；複數個傳送裝置，耦接於該處理裝置，用來在一第一模式依據該複數個相位偏移數位訊號產生一射頻波束，其中該複數個傳送裝置係設置在一第一軸線；複數個第一接收裝置，耦接於該處理裝置，用來在不同於該第一模式的一第二模式依據複數個第一入射訊號分別產生複數個第一數位訊號，其中該複數個第一接收裝置係設置在不同於該第一軸線地一第二軸線；以及該複數個第二接收裝置，耦接於該處理裝置，用來在該第二模式依據複數個第二入射訊號分別產 生複數個第二數位訊號，其中該複數個第二接收裝置係設置在該第一軸線。當該射頻波束擊中一第一目標物以及一第二目標物時，該處理裝置另用來依據該複數個第一數位訊號以及該複數個第二數位訊號以區分該第一目標物以及該第二目標物，其中該第一目標物以及該第二目標物具有相同的徑向速度以及位於相同的距離。
本實施例另提供一種用來掃描遠端目標物的方法，其包含步驟：將複數個傳送裝置設置在一第一軸線；將複數個第一接收裝置設置在不同於該第一軸線的一第二軸線；將複數個第二接收裝置設置在該第一軸線；利用一處理裝置來產生複數個相位偏移數位訊號；在一第一模式下利用該複數個傳送裝置以依據該複數個相位偏移數位訊號來產生一射頻波束；在不同於該第一模式的一第二模式下利用複數個第一接收裝置來依據複數個第一入射訊號以分別產生複數個第一數位訊號；在該第二模式利用複數個第二接收裝置依據複數個第二入射訊號來分別產生複數個第二數位訊號；以及當該射頻波束擊中一第一目標物以及一第二目標物時，利用該處理裝置來區分該第一目標物以及該第二目標物，其中該第一目標物以及該第二目標物具有相同的徑向速度以及位於相同的距離。
本發明的其他優點將搭配以下的說明和圖式進行更詳細的解說。
100、200:雷達系統
102:傳送部分
104:第一接收部分
106:第二接收部分
108:處理裝置
402:曲線
404:功率轉換效率區域
502、602:主波瓣
504、506、604:副波瓣
1082:數位訊號產生器
1084:第一波束成型處理單元
1086:第二波束成型處理單元
1088:分析單元
1102:第一目標物
1104:第二目標物
202、204、206:排列方向
1084a、1086a:距離和都卜勒處理單元
1084b、1086b:多波束處理單元
1702:參考平面
1704:傳送方向
2602:第一實心點
2604:第二實心點
2606:第三實心點
2608:第四實心點
2700:方法
2702~2714:步驟
102_1~102_m:傳送裝置
104_1~104_n、106_1~106_o:接收裝置
圖1係本發明之一雷達系統之一實施例示意圖。
圖2係本發明之一雷達系統之另一實施例示意圖。
圖3係本發明之一處理裝置以及一傳送部分之一實施例示意圖。
圖4係本發明之每個傳送裝置的功率放大器的功率轉換效率之一實施例示意圖。
圖5係本發明之一射頻波束在角域下的一輻射圖的響應之實施例示意圖。
圖6係本發明的一射頻波束在角域的一輻射圖的一響應之一實施例 示意圖。
圖7係本發明之一雷達系統所產生的射頻波束的一實施例之頂視圖。
圖8係本發明之一雷達系統所產生的射頻波束的一實施例之正視圖。
圖9係本發明之一處理裝置以及接收部分之一實施例示意圖。
圖10係本發明之一雷達系統從一方位角掃描到另一方位角時該雷達系統的傳送模式以及接收模式被分配到的時段之一實施例時序圖。
圖11係本發明之一第一目標物以及一第二目標物在極座標系統下之一實施例示意圖。
圖12係本發明之一雷達系統在偵測一第一目標物時的射頻波束的一實施例示意圖。
圖13係本發明之一雷達系統在接收模式的接收裝置之實施例示意圖。
圖14係本發明之一第一波束成型處理單元以及接收裝置之一實施例示意圖。
圖15係本發明之複數個處理後數位訊號利用一增益矩陣來產生複數個第一波束訊號之一實施例示意圖。
圖16係當本發明之一雷達系統從一方位角掃描到另一方位角時的複數個第一波束訊號的功率之一實施例示意圖。
圖17係本發明之一波束訊號的波束成型操作之一實施例簡化圖。
圖18係本發明接收裝置以及一第二波束成型處理單元之一實施例示意圖。
圖19係本發明複數個處理後數位訊號利用一增益矩陣來產生複數個第二波束訊號之一實施例示意圖。
圖20係本發明在角域下一接收裝置的等效接收輻射圖的一響應之一實施例示意圖。
圖21係本發明在角域下接收裝置連同傳送裝置的等效輻射圖的一響應之另一實施例示意圖。
圖22係本發明一雷達系統在偵測一第二目標物時的射頻波束之一實 施例示意圖。
圖23係本發明複數個處理後數位訊號利用一增益矩陣來產生複數個第二波束訊號之一實施例示意圖。
圖24係本發明在角域下接收裝置的等效接收輻射圖的一響應之一實施例示意圖。
圖25係當本發明之一雷達系統從一方位角掃描到另一方位角時的複數個第二波束訊號的功率之一實施例示意圖。
圖26係當本發明之一雷達系統從一方位角掃描到另一方位角時的一分析單元的分析後輸出之一實施例示意圖。
圖27係本發明用來掃描遠端目標物之一方法之一實施例流程圖。
以下揭露內容提供用於實施所提供主題之不同特徵之許多不同實施例或實例。下文描述組件及配置之特定實例以簡化本揭露實施例。當然，此等僅為實例且並不希望為限制性的。舉例而言，在以下描述中，第一特徵在第二特徵之上或上之形成可包括第一特徵與第二特徵直接接觸地形成之實施例，並且亦可包括額外特徵可形成於第一特徵與第二特徵之間從而使得第一特徵與第二特徵可以不直接接觸之實施例。另外，本揭露實施例可以在各種實例中重複參考標號及/或字母。此重複是出於簡單及清楚之目的，且本身並不指示所論述之各種實施例及/或組態之間的關係。
下文詳細論述本揭露之實施例。但應瞭解，本揭露實施例提供之許多適用發明概念可實施在多種具體環境中。所論述之具體實施例僅僅是說明性的且並不限制本揭露實施例之範疇。
此外，本文為易於描述可使用空間上相對術語，例如「下面」、「下方」、「上方」、「上部」、「下部」、「左」、「右」及類似術語，來描述如圖中所圖示之一個元件或特徵與另一元件或特徵之關係。除圖中所描繪之取向之外，空間上相對之術語意圖涵蓋在 使用或操作中之裝置之不同取向。設備可以其他方式定向(旋轉90度或處於其他取向)，且本文中所使用之空間相對描述詞同樣可相應地進行解釋。將理解，當元件被稱作「連接」或「耦接」至另一元件時，該元件可直接連接至或耦接至另一元件，或可存在介入元件。
儘管闡述本揭露實施例之廣泛範圍之數值範圍及參數為近似值，但特定實例中所闡述之數值為儘可能精確報告的。但是，任何數值固有地含有某些由相應測試量測值中所發現之標準偏差必然造成之誤差。並且，如本文所使用，術語「約」大體上指在給定值或範圍之10%、5%、1%或0.5%內。或者，當由一般熟習此項技術者考慮時，術語「約」指在平均值之可接受標準誤差內。除了在操作/工作實例中以外，或除非另外明確指定，否則所有數值範圍、量、值及百分比(例如，用於本文中所揭露之材料數量、持續時間、溫度、操作條件、量之比率及其類似者之彼等數值範圍、量、值及百分比)應理解為在所有情況下由術語「約」修飾。相應地，除非相反地指示，否則本揭露實施例及所附申請專利範圍中所闡述之數值參數為可按需要改變之近似值。至少應根據所報告之有效數位之數目且藉由應用一般捨入技術來解釋每個數值參數。範圍可在本文中表示為自一個端點至另一端點或在兩個端點之間。除非另外指定，否則本文中所揭露之所有範圍包含端點。
圖1所示係依據本發明之一雷達系統100之一實施例示意圖。雷達系統100可以係一數位式主動相位陣列雷達系統，其包含有主動式電子掃描陣列(AESA)。雷達系統100包含有至少一傳送部分102、至少一第一接收部分104、至少一第二接收部分106以及一處理裝置108(未繪示於圖1，但繪示於圖3以及圖4)。依據本發明之實施例，傳送部分102包含有複數個傳送裝置102_1~102_m，其中傳送裝置102_1~102_m係構成一水平的傳送器陣列。第一接收部分104包含 有複數個接收裝置104_1~104_n，其中接收裝置104_1~104_n係設置成一垂直的接收器。第二接收部分106包含有複數個接收裝置106_1~106_o，其中接收裝置106_1~106_o係設置成一水平的接收器陣列。因此，接收裝置104_1~104_n的陣列係正交於傳送裝置102_1~102_m的陣列，以及接收裝置106_1~106_o的陣列係平行於傳送裝置102_1~102_m的陣列。較佳地，傳送部分102的傳送裝置102_1~102_m的陣列的排列方向(亦即圖2所示的202)係平行於地表的水平面。此外，該些符號“m”、“n”以及“o”係分別代表三個大於1的整數。舉例而言，整數“m”(例如6)係相同於整數“o”，以及整數“n”(例如8)係大於整數“o”。此外，在另一實施例中，雷達系統100可包含有複數個傳送部分102、複數個第一接收部分104以及複數個第二接收部分106，其亦屬於本發明的範疇所在。
為了敘述的目的，傳送部分102的位置、第一接收部分104的位置以及第二接收部分106的位置係由卡氏(Cartesian)座標系統所定義。舉例而言，在本實施例中，傳送部分102、第一接收部分104以及第二接收部分106係位於或接近於卡氏座標系統地原點(亦即(x=0，y=0，z=0))。進一步而言，接收裝置106_1~106_o的陣列係重疊於y軸，以及接收裝置106_1~106_o的陣列的中間位置係位於卡氏座標系統的原點。傳送裝置102_1~102_m的陣列係設置在相鄰於接收裝置106_1~106_o的陣列。接收裝置104_1~104_n的陣列係重疊於z軸，以及接收裝置104_1~104_n的陣列的一端係依附在或接近於接收裝置106_1~106_o的陣列的中間位置。
然而，圖1所示雷達系統100的設置方式並不構成本發明的限制所在。在另一些實施例中，只要接收裝置104_1~104_n的陣列的排列方向係正交於傳送裝置102_1~102_m的陣列的排列方向以及接收裝置106_1~106_o的陣列的排列方向係平行於傳送裝置102_1~102_m的陣列的排列方向，傳送裝置102_1~102_m的陣列、接收裝置 104_1~104_n的陣列以及接收裝置106_1~106_o的陣列也可以設置在卡氏座標系統上的不同位置。舉例而言，圖2所示係依據本發明之一雷達系統200之另一實施例示意圖。在本實施例中，傳送部分102的位置、第一接收部分104的位置以及第二接收部分106的位置可偏離卡氏座標系統的原點，其中傳送裝置102_1~102_m的陣列的中間點的座標係(x1，y1，z1)(例如(x1，y1，z1)=(3，2，0))，接收裝置104_1~104_n的陣列的中間點的座標係(x2，y2，z2)(例如(x2，y2，z2)=(-1，2，3))，以及接收裝置106_1~106_o的陣列的中間點的座標係(x3，y3，z3)(例如(x3，y3，z3)=(0，-3，1))。同時，接收裝置104_1~104_n的陣列的排列方向202係正交於傳送裝置102_1~102_m的陣列排列方向204，以及接收裝置106_1~106_o的陣列的排列方向206係平行於傳送裝置102_1~102_m的陣列的排列方向202。因此，圖2所示的傳送部分102、第一接收部分104以及第二接收部分106的設置方式亦落入本發明的範疇內。
依據本發明之實施例，處理裝置108可以係一數位基頻處理器，其用來產生一組數位輸出資料D_out，其中該組數位輸出資料D_out係包含了偵測目標物的大小、距離、速度以及座標的資訊，且處理裝置108耦接於傳送裝置102_1~102_m、接收裝置104_1~104_n以及接收裝置106_1~106_o。圖3所示係依據本發明之處理裝置108以及傳送部分102之一實施例示意圖。在該雷達系統的傳送模式下，處理裝置108內地一數位訊號產生器1082係用來分別產生複數個相位偏移數位訊號D_TX1~D_TXm至傳送裝置102_1~102_m。傳送裝置102_1~102_m係分別依據相位偏移數位訊號D_TX1~D_TXm來產生複數個射頻訊號S_TX1~S_TXm。依據本發明之實施例，射頻訊號S_TX1~S_TXm會形成具有一特定排列方向的一射頻波束，以及該射頻波束會包含有一主波瓣以及一副波瓣(如之後的圖5所 示)。當相位偏移數位訊號D_TX1~D_TXm的複數個相位被改變時，該射頻波束的排列方向也會被該變。因此，經由隨著時間有規則的調整或偏移相位偏移數位訊號D_TX1~D_TXm的相位，該射頻波束就會掃描或橫掃一特定的方位角範圍，例如從一第一方位角掃描到一第二方位角。舉例而言，該第一方位角以及該第二方位角之間的該特定的方位角範圍大約為60度。請注意，一數位訊號係指可以用來代表資料的一離散值的序列。舉例而言，一二位元訊號係具有兩個不同準位的一數位訊號，亦即一高電壓準位以及一低電壓準位。
此外，依據本發明之實施例，傳送裝置102_1~102_m中的每個傳送裝置會包含有一數位至類比轉換器(DAC)、一混波器、一功率放大器以及一天線，其中該數位至類比轉換器係用來將一對應的相位偏移數位訊號轉換至一相位偏移後的類比訊號，該混波器係利用一震盪訊號來提升或混頻該相位偏移後的類比訊號以產生一提升訊號，該功率放大器係依據該提升訊號來產生一高功率射頻訊號，以及該天線係依據該高功率射頻訊號來發射對應的射頻訊號。數位至類比轉換器、混波器、功率放大器以及天線的細部操作在此不另贅述。
在其他實施例中，傳送裝置102_1~102_m中的每個傳送裝置會包含有一混波器、一射頻相位偏移器、一功率放大器以及一天線。在本實施例中只利用了一個數位至類比轉換器，且該數位至類比轉換器係耦接於傳送裝置102_1~102_m的該複數個混波器。每一個混波器係利用一震盪訊號來提升或混頻由該數位至類比轉換器所產生對應的類比訊號來產生一提升訊號。射頻相位偏移器係耦接於混波器以及功率放大器之間，以依據該提升訊號以及相位偏移數位訊號D_TX1~D_TXm來產生用來產生一相位偏移後射頻訊號。依據本實施例，每一個射頻相位偏移器會包含有一控制埠以接收該對應的 相位偏移數位訊號。該功率放大器係依據該相位偏移後射頻訊號來產生一高功率射頻訊號，以及該天線係依據該高功率射頻訊號來發射對應的射頻訊號。上述的技術特徵亦落入本發明的範疇內。
圖4所示係依據本發明之每個傳送裝置的功率放大器的功率轉換效率(PAE)之一實施例示意圖。曲線402代表每個傳送裝置的功率放大器的輸入功率對功率轉換效率的變化。依據本發明之實施例，在傳送模式時，功率放大器係用來操作在較高的功率轉換效率區域404，其中功率轉換效率區域404係從最大功率轉換效率(亦即PAE_a)到一較低功率轉換效率(亦即PAE_b)的範圍，以及該較低功率轉換效率(亦即PAE_b)係大約比該最大功率轉換效率(亦即PAE_a)小約10%~20%。換句話說，當每個功率放大器的該輸入功率落入圖4所示的較高的功率範圍P1~P2時，傳送裝置102_1~102_m就會產生具有較高功率的射頻訊號S_TX1~S_TXm。因此，當傳送裝置102_1~102_m所有的功率放大器都設定為產生較高功率的射頻訊號S_TX1~S_TXm時，不只雷達系統100的偵測距離會增加，傳送裝置102_1~102_m的等效的效益也會增加。
此外，在傳送模式下，經由調整相位偏移數位訊號D_TX1~D_TXm的複數個相位，當射頻訊號S_TX1~S_TXm的複數個相位分別為複數個特定相位P_TX1~P_TXm時，由射頻訊號S_TX1~S_TXm所造成的射頻波束會朝向一特定方位角sin-1αs的方向發射。進一步而言，在傳送模式下，射頻訊號S_TX1~S_TXm會具有一致的振幅分佈，該射頻波束會包含有一主波瓣以及複數個副波瓣。圖5所示係依據本發明之射頻波束在角域下的一輻射圖的響應之實施例示意圖。x軸代表極座標系統的方位角(亦即sin-1α)，y軸代表在分貝毫瓦(dBm)下的正常化輸出功率。曲線502代表該射頻波束的該主波瓣，曲線504代表該射頻波束的該第一副波瓣，曲線506代表該射頻波束的該第二副波瓣，以此類推。依據本發明的實施例， 主波瓣502的功率以及副波瓣504以及506的功率係預定值。進一步而言，第一副波瓣504的功率與主波瓣502的峰值相差大約為或大於-13.26分貝(dB)。此外，主波瓣502以及副波瓣504及506的方向都是預定的方向。在本實施例中，主波瓣502的方向是相同於特定方位角sin-1αs。第一副波瓣504的方向分別為方位角sin-1(αs+α0)以及sin-1(αs-α0)。第二副波瓣506的方向分別為方位角sin-1(αs+2*α0)以及sin-1(αs-2*α0)分別。請注意，圖5所示的該射頻波束並不做為本實施例的限制所在。在角度為正弦(sine)時，兩個相鄰的副波瓣所相差的角度不一定是固定的α0。每兩個相鄰的副波瓣所相差的角度係可以為不同的角度。副波瓣的個數以及波束寬度(例如波束寬度為三維B)會因傳送裝置的個數不同而改變。圖6所示係依據本發明的射頻波束在角域(angular domain)的一輻射圖的一響應之一實施例示意圖。圖6所示的射頻波束包含有一主波瓣602以及複數個副波瓣604。在本實施例中，相較於圖5所示的射頻波束，圖6所示的射頻波束具有更多的副波瓣，且圖6所示的射頻波束具有更小的波束寬度。這是因為在圖6中用來產生射頻波束的傳送裝置多於圖5中用來產生射頻波束的傳送裝置。該射頻波束橫掃方位角的解析度係由該主波瓣的波束寬度所決定的。舉例而言，相較於圖5所示的射頻波束，圖6所示的射頻波束會具有較高的解析度。同理，在角度為正弦時，兩個相鄰的副波瓣所相差的角度不一定是固定的α1。每兩個相鄰的副波瓣所相差的角度係可以被調整的，其細部特徵在此不另贅述。
請參考上述的圖5，當數位訊號產生器1082隨著時間調整相位偏移數位訊號D_TX1~D_TXm的複數個相位時，由射頻訊號S_TX1~S_TXm所形成的射頻波束就可以從一第一方位角掃描到一第二方位角。該第一方位角以及該第二方位角之間的掃描範圍(亦即圖7的“α”)係小於180度，例如該掃描範圍約為120度。圖7所示係依據本 發明之雷達系統100所產生的射頻波束102的一實施例之頂視圖。為了簡化起見，圖7僅繪示了該射頻波束的主波瓣502。透過隨著時間調整相位偏移數位訊號D_TX1~D_TXm的相位，該射頻波束可從方位角sin-1α1橫掃至方位角sin-1αm。圖8所示係依據本發明之雷達系統100所產生的射頻波束102的一實施例之正視圖。為了簡化起見，圖8僅繪示了該射頻波束的主波瓣502。依據本發明之實施例，主波瓣502在空間中會形成一扇形波束或一窄波束的樣子，其中該扇形波束會從圖8的左邊(例如方位角sin-1α1)掃描至圖8的右邊。
在該傳送模式下，該射頻波束會被控制以從方位角sin-1α1掃描至方位角sin-1αm。當一個或多個遠處的目標物落入該預定掃描範圍時，該射頻波束可擊中該些目標物。依據本發明之實施例，雷達系統100可以分辨出被該射頻波束的主波瓣502擊中的目標物以及被副波瓣504、506擊中的目標物。進一步而言，當主波瓣502以及副波瓣504、506同時分別擊中的不同的目標物時，雷達系統100可以計算出該些目標物的三維(3D)座標以及其大小。
圖9所示係依據本發明之處理裝置108以及接收部分104、106之一實施例示意圖。在該雷達系統的接收模式時，接收裝置104_1~104_n係用來接收複數個第一入射訊號S_RXV1~S_RXVn以分別產生複數個第一數位訊號D_RXV1~D_RXVn。同時，接收裝置106_1~106_o係用來接收複數個第二入射訊號S_RXH1~S_RXHo以分別產生複數個第二數位訊號D_RXH1~D_RXHo。第一入射訊號S_RXV1~S_RXVn以及第二入射訊號S_RXH1~S_RXHo係射頻訊號S_TX1~S_TXm(例如具有主波瓣502以及副波瓣504、506的該射頻波束)擊中至少一個目標物所造成的反射訊號。舉例而言，當由射頻訊號S_TX1~S_TXm所形成的該射頻波束擊中一個或多個目標物時，該目標物會反射具有一對應雷達截面積的一訊號(例如一回音訊號)到雷達系統100所處的方向，其中該雷達截面積係與該 目標物的大小、幾何形狀、材質以及結構有關。
依據本發明之實施例，接收裝置104_1~104_n以及106_1~106_o中的每一個接收裝置包含有一天線、一低雜訊放大器、一混波器以及一數位類比轉換器，其中該天線係用來接收一對應的入射訊號，該低雜訊放大器係用來產生一低雜訊接收訊號，該混波器係利用一震盪訊號來降頻該低雜訊接收訊號以產生一降頻訊號，該數位類比轉換器係用來轉換該降頻訊號至一對應的數位訊號。一接收裝置的增益可以係從該低雜訊放大器到該混波器的一等效的訊號轉換增益。該天線、該低雜訊放大器、該混波器以及該數位類比轉換器的細部操作在此不另贅述。
在其他實施例中，接收裝置104_1~104_n以及106_1~106_o中的每一個接收裝置包含有一天線、一低雜訊放大器以及一混波器，其中該天線係用來接收一對應的入射訊號，該低雜訊放大器係用來產生一低雜訊接收訊號，以及該混波器係利用一震盪訊號來降頻該低雜訊接收訊號以產生一降頻訊號。在本實施例中只利用了一個數位類比轉換器來將該些混波器所產生的複數個降頻訊號分別轉換為第一數位訊號D_RXV1~D_RXVn以及第二數位訊號D_RXH1~D_RXHo，此特徵亦落入本發明所揭露的範疇內。
依據本發明之實施例，該處理裝置108另包含耦接於接收裝置104_1~104_n的一第一波束成型處理單元1084、耦接於接收裝置106_1~106_o的一第二波束成型處理單元1086以及耦接於第一波束成型處理單元1084以及第二波束成型處理單元1086的一分析單元1088。第一波束成型處理單元1084係一多波束處理器，以及第一波束成型處理單元1084係用來對第一數位訊號D_RXV1~D_RXVn執行複數個第一波束成型操作以分別產生複數個第一波束訊號DV_bfm_1~DV_bfm_n’，其中複數個第一波束訊號DV_bfm_1~DV_bfm_n’係分別對應到複數個仰角。進一步而言，複數個第一波束訊號 DV_bfm_1~DV_bfm_n’會具有指向複數個仰角分別的複數個等效的主波瓣。複數個第一波束訊號DV_bfm_1~DV_bfm_n’為n’，其係相同於或不同於第一數位訊號D_RXV1~D_RXVn的個數(亦即n)。第二波束成型處理單元1086係一多波束處理器，以及第二波束成型處理單元1086係用來對第二數位訊號D_RXH1~D_RXHo執行複數個第二波束成型操作以產生複數個第二波束訊號DH_bfm_1~DH_bfm_o’，其中複數個第二波束訊號DH_bfm_1~DH_bfm_o’分別對應到複數個方位角。進一步而言，複數個第二波束訊號DH_bfm_1~DH_bfm_o’會具有指向複數個方位角分別的複數個等效的主波瓣。複數個第二波束訊號DH_bfm_1~DH_bfm_o’的個數係o’，其其係相同於或不同於第二數位訊號D_RXH1~D_RXHo的個數(亦即o)。分析單元1088係依據複數個第一波束訊號DV_bfm_1~DV_bfm_n’來計算一第一目標物的一第一仰角以及/或一第二目標物的一第二仰角，以及依據複數個第二波束訊號DH_bfm_1~DH_bfm_o’來計算該第一目標物的一第一方位角以及/或該第二目標物的一第二方位角，其中該第一目標物係由該射頻波束的主波瓣502所擊中以及該第二目標物係由該射頻波束的副波瓣504或506所擊中，以及第一目標物以及第二目標物相對於雷達系統100會具有相同的徑向速度。
圖10所示係依據本發明之雷達系統100從方位角sin-1α1掃描到方位角sin-1αm時雷達系統100的傳送模式以及接收模式被分配到的時段之一實施例時序圖。在每一個方位角的時段(例如T1、T2或Tm)內，雷達系統100的該傳送模式以及該接收模式會反覆地切換以發送出複數個射頻波束以及接收該些對應的反射訊號。舉例而言，在時段T1，當射頻訊號S_TX1~S_TXm的發送主波瓣指向方位角sin-1α1時，由射頻訊號S_TX1~S_TXm所形成的第一射頻波束B_11係在時間點t11被發送出去，以及入射訊號S_RXV1~S_RXVn以及S_RXH1~ S_RXHo會在時間點t12被接收；由射頻訊號S_TX1~S_TXm所形成的第二射頻波束B_12係在時間點t13被發送出去，以及入射訊號S_RXV1~S_RXVn以及S_RXH1~S_RXHo會在時間點t14被接收；以此類推。此外，在該傳送模式下(例如在時間點t11到t12的時段內)，射頻波束B_11~B_12的頻率會逐漸地從頻率f1提升至頻率f2。該射頻波束可以係一線性頻率調變(Linear-FM)脈波。在該接收模式(例如在時間點t12到t13的時段內)，若該些射頻波束擊中一個或多個目標物時，接收裝置104_1~104_n以及106_1~106_o會被啟動以分別接收入射訊號S_RXV1~S_RXVn以及S_RXH1~S_RXHo，其中接收裝置104_1~104_n以及106_1~106_o在該傳送模式下是關閉的。如果一目標物被偵測到，處理裝置108就會判定出位在方位角sin-1α1的該目標物的大小(或雷達截面積)、座標以及速度。
當在方位角sin-1α1的偵測結束時，雷達系統100會偏移射頻訊號S_TX1~S_TXm的該些相位以使得射頻訊號S_TX1~S_TXm的該發送主波瓣的方向是指向下一個方位角sin-1α2。在時段T2時，雷達系統100會重覆與時段T1相同的操作以偵測在方位角sin-1α2的目標物。接著，雷達系統100會偏移射頻訊號S_TX1~S_TXm的該些相位以使得射頻訊號S_TX1~S_TXm的該發送主波瓣的方向是指向下一個方位角sin-1α3。因此，經由重覆地執行相同的操作，雷達系統100會一直掃描到方位角sin-1αm。如此一來，雷達系統100就可以獲得在方位角sin-1α1以及方位角sin-1αm之間所有目標物的資訊。
為了便於敘述，圖11所示係依據本發明之第一目標物1102以及第二目標物1104在極座標系統下之一實施例示意圖。為了簡化起見，在此假設第一目標物1102以及第二目標物1104相對於該極座標系統的原點係具有相同的距離R，以及第一目標物1102以及第二目標物1104相對於該極座標系統的原點會具有相同的徑向速度。然而，此 並不構成本發明的限制所在。雷達系統100也可以分辨出處於不同距離以及不同徑向速度的多個目標物。在本實施例中，第二目標物1104的體積可以相同於或小於或大於第一目標物1102的體積。為了便於敘述，第二目標物1104的體積係大於第一目標物1102的體積。此外，第一目標物1102以及第二目標物1104的方位角分別係sin-1αa以及sin-1αb，以及第一目標物1102以及第二目標物1104會具相同的仰角sin-1θ。以下段落將說明雷達系統100係如何判定目標物1102以及1104分別的三維座標以及其大小，其中雷達系統100係位於該極座標系統的原點。
為了敘述的目的，在此假設該射頻波束的主波瓣502以及副波瓣504之間的相差角度係相同於目標物1102以及1104之間的相差角度。因此，當該射頻波束的主波瓣502的方位角被改變至sin-1αa時，該射頻波束的主波瓣502以及副波瓣504會分別同時擊中第一目標物1102以及第二目標物1104，如圖12所示。圖12所示係依據本發明之雷達系統100在偵測第一目標物1102時的射頻波束的一實施例示意圖。第一目標物1102以及第二目標物1104相對於雷達系統100會具有相同的徑向速度。請注意，圖12僅顯示本實施例的一範例，且其並不構成本發明的限制所在。如果第二目標物1104是位於方位角sin-1αc時，第二目標物1104也可以是被副波瓣506掃描到。
在本實施例中，在傳送模式下，當主波瓣502以及副波瓣504同時擊中目標物1102以及1104時，目標物1102會反射主波瓣502的一部分能量至雷達系統100，以及目標物1104會反射副波瓣504的一部分能量至雷達系統100。接著，在該接收模式時，雷達系統100的接收裝置104_1~104_n以及106_1~106_o會被啟動以接收來自目標物1102以及1104的反射訊號，如圖13所示。圖13所示係依據本發明之雷達系統100在接收模式的接收裝置104_1~104_n、106_1~106_o之實施例示意圖。在該接收模式下，傳送裝置102_1~102_m係關閉的。 由於目標物1102以及1104相對於雷達系統100係具有相同的距離(亦即R)，因此目標物1102以及1104的反射訊號會同時抵達雷達系統100。因此，入射訊號S_RXV1~S_RXVn以及S_RXH1~S_RXHo係包含了目標物1102以及1104的反射訊號。在本實施例中，假設距離R係遠大於雷達系統100體積。舉例而言，距離R至少大於雷達系統100的長度或寬度100倍。
圖14所示係依據本發明之第一波束成型處理單元1084以及接收裝置104_1~104_n之一實施例示意圖。依據本發明的實施例，數位訊號D_RXV1~D_RXVn係由接收裝置104_1~104_n依據入射訊號S_RXV1~S_RXVn所產生的。換句話說，接收裝置104_1~104_n係以一對一的方式依據入射訊號S_RXV1~S_RXVn來分別產生數位訊號D_RXV1~D_RXVn。因此，接收裝置104_1~104_n可被視為一全數位式的接收器。在該接收模式下，第一波束成型處理單元1084內的一距離和都卜勒處理單元1084a係用來處理數位訊號D_RXV1~D_RXVn以分別產生複數個處理後數位訊號D_RXV_RP1~D_RXV_RRn。依據本發明的實施例，距離和都卜勒處理單元1084a係依據一距離參數R_bin以及一速度參數V_bin來產生複數個處理後數位訊號D_RXV_RP1~D_RXV_RPn。舉例而言，距離和都卜勒處理單元1084a可以係一匹配濾波器與一快速傅立葉變換所組成，以依據距離參數R_bin以及速度參數V_bin來產生複數個處理後數位訊號D_RXV_RP1~D_RXV_RPn，其中該匹配濾波器的輸出耦接於一快速傅立葉變換。
進一步而言，如對應圖10以及圖12的段落所述的內容，當雷達系統100在對應的時段(例如Ta)掃描到方位角sin-1αa後，雷達系統100會接收到對應到方位角sin-1αa所有偵測目標物的資訊。依據本發明的實施例，對應到一特定距離以及一特定速度所有的目標物都會被距離和都卜勒處理單元1084a依據該對應的距離參數R_bin以及速度 參數V_bin篩選出來。因此，在本實施例中，當距離和都卜勒處理單元1084a接收到適當的距離參數R_bin以及速度參數V_bin時，距離和都卜勒處理單元1084a就會輸出位於相同距離(亦即R)以及具有相同徑向速度(或速率)的所有目標物(例如第一目標物1102以及第二目標物1104)的複數個處理後數位訊號D_RXV_RP1~D_RXV_RPn。
接著，第一波束成型處理單元1084內的多波束處理單元1084b可依據一增益矩陣GV來對複數個處理後數位訊號D_RXV_RP1~D_RXV_RRn執行一波束成型操作(或多波束處理)以產生複數個第一波束訊號DV_bfm_1~DV_bfm_n’。複數個第一波束訊號DV_bfm_1~DV_bfm_n’係分別對應到複數個仰角sin-1θ1~sin-1θn’。圖15所示係依據本發明之複數個處理後數位訊號D_RXV_RP1~D_RXV_RRn利用增益矩陣GV來產生複數個第一波束訊號DV_bfm_1~DV_bfm_n’之一實施例示意圖。圖15僅是簡化版產生複數個第一波束訊號DV_bfm_1~DV_bfm_n’的示意圖。複數個第一波束訊號DV_bfm_1~DV_bfm_n’的產生可以視為增益向量GV與複數個處理後數位訊號D_RXV_RP1~D_RXV_RPn的複數個值的內積(Dot product)。增益矩陣GV係包含有複數個複數增益，亦即{(GV_11，GV_21，...，GV_n1)，(GV_12，GV_22，...，GV_n2)，...，(GV_1n’，GV_2n’，...，GV_nn’)}，的一矩形陣列。因此，增益矩陣GV係一個複數值的增益矩陣。增益矩陣GV內的該些複數增益可以個別的被調整以提供不同的權重給複數個處理後數位訊號D_RXV_RP1~D_RXV_RRn。舉例而言，第一組複數增益(GV_11，GV_21，...，GV_n1)係分別用來給複數個處理後數位訊號D_RXV_RP1~D_RXV_RPn加權，以使得第一波束訊號DV_bfm_1具有指向第一仰角sin-1θ1的一接收主波瓣。第二組複數增益(GV_12，GV_22，...，GV_n2)係分別用來給複數個處理後 數位訊號D_RXV_RP1~D_RXV_RPn加權，以使得第二波束訊號DV_bfm_2具有指向第二仰角sin-1θ2，以此類推。依據本發明的實施例，增益矩陣GV係由第一波束成型處理單元1084所產生。然而，此並不構成本發明的限制所在。增益矩陣GV也可以由在第一波束成型處理單元1084外部的一處理單元所產生。
圖16所示係當本發明之雷達系統100從方位角sin-1α1掃描到方位角sin-1αm時的複數個第一波束訊號DV_bfm_1~DV_bfm_n’的功率之一實施例示意圖。圖16的時域係相同於圖10的時域。進一步而言，在時段T1，射頻訊號S_TX1~S_TXm的該發送主波瓣係指向方位角sin-1α1；在時段T2，射頻訊號S_TX1~S_TXm的該發送主波瓣係指向方位角sin-1α2；以此類推。在圖11所示的情境下，在時段T2以及T4(亦即當sin-1α2=sin-1αa，以及sin-1α4=sin-1αb)時，波束訊號DV_bfm_3分別具有功率P_θ3a以及P_θ3b。除了波束訊號DV_bfm_3之外，其他的波束訊號DV_bfm_1~DV_bfm_2以及DV_bfm_4~DV_bfm_n’的功率都會趨近於零功率(或零功率)。當波束訊號DV_bfm_3的功率不為零時，分析單元1088就可判定出在仰角sin-1θ3的至少一個目標物(亦即在仰角sin-1θ的目標物1102以及1104)。此外，波束訊號DV_bfm_3的功率P_θ3a至少相依於或正比於主波瓣502的功率以及目標物1102的雷達截面積，波束訊號DV_bfm_3的功率P_θ3b至少相依於或正比於主波瓣502的功率以及目標物1104的雷達截面積。在本實施例中，由於目標物1104的體積係大於目標物11024的體積，因此功率P_θ3b係大於功率P_θ3a。
圖17所示係依據本發明之一波束訊號的波束成型操作之一實施例簡化圖。為了方便起見，距離和都卜勒處理單元1084a的細部操作在此不另贅述。以波束訊號DV_bfm_3為例，當入射訊號S_RXV1~S_RXVn分別抵達接收裝置104_1~104_n時，入射訊號S_RXV1~S_RXVn可被視為複數個平行的訊號。因此，相對於一水平的平面 (亦即由x軸以及y軸所構成的平面)，入射訊號S_RXV1~S_RXVn會具有相同的入射角(亦即仰角sin-1θ)。接收裝置104_1~104_n會分別在不同的時間點(或不同的相位)接收到入射訊號S_RXV1~S_RXVn。接著，當第一波束成型處理單元1084接收到數位訊號D_RXV1~D_RXVn時，第一波束成型處理單元1084會分別對數位訊號D_RXV1~D_RXVn偏移複數個偏移時間(例如透過該組複數增益(GV_13，GV_23，...，GV_n3))以分別產生複數個偏移後數位訊號D_pRXV1~D_pRXVn。接著，第一波束成型處理單元1084會將偏移後數位訊號D_pRXV1~D_pRXVn加總起來，以及計算偏移後數位訊號D_pRXV1~D_pRXVn的波束訊號DV_bfm_3的功率。相對於其他偏移時間的波束訊號，當偏移後數位訊號D_pRXV1~D_pRXVn的波束訊號DV_bfm_3具有較大的功率(例如P_θ3a以及P_θ3b)時，這表示偏移後數位訊號D_pRXV1~D_pRXVn會具有大致上相同的相位。接著，第一波束成型處理單元1084或分析單元1088就會判定一個或多個目標物(例如目標物1102以及1104)係落在仰角sin-1θ的為置。
進一步而言，在圖17中，第一波束成型處理單元1084可設定數位訊號D_RXV1的接收時間為一參考時間。接著，第一波束成型處理單元1084會延遲數位訊號D_RXV2~D_RXVn的複數個接收時間以分別產生偏移後數位訊號D_pRXV2~D_pRXVn。數位訊號D_RXV2~D_RXVn的該些延遲時間可以是圖17所示的△rv1、2*△rv1、3*△rv1、4*△rv1以及5*△rv1，其中延遲時間s△rv1、2*△rv1、3*△rv1、4*△rv1以及5*rv1係對應到仰角sin-1θ，以及延遲時間△rv1、2*△rv1、3*△rv1、4*△rv1以及5*rv1為入射訊號S_RXV1~S_RXVn從參考平面1702到接收裝置104_2~104_n分別的傳輸時間。參考平面1702係垂直於入射訊號S_RXV1~S_RXVn的傳送方向(例如1704)的一平面或一直線。當偏移後數位訊號D_pRXV1~ D_pRXVn為同相位(in-phase)時，第一波束成型處理單元1084或分析單元1088會判定目標物1102以及1104係位於仰角sin-1θ的方向。
在該接收模式下，接收裝置106_1~106_o亦可用來接收入射訊號S_RXH1~S_RXHo以分別產生數位訊號D_RXH1~D_RXHo至第二波束成型處理單元1086，如圖18所示，圖18所示係依據本發明接收裝置106_1~106_o以及第二波束成型處理單元1086之一實施例示意圖。數位訊號D_RXH1~D_RXHo分別為入射訊號S_RXH1~S_RXHo的數位格式下的訊號。
依據本發明的實施例，數位訊號D_RXH1~D_RXHo係由接收裝置106_1~106_o分別依據入射訊號S_RXH1~S_RXHo所產生。換句話說，接收裝置106_1~106_o係用來以一對一的方式分別依據入射訊號S_RXH1~S_RXHo來產生數位訊號D_RXH1~D_RXHo。因此，接收裝置106_1~106_o可視為一全數位式的接收器。在該接收模式下，第二波束成型處理單元1086內的一距離和都卜勒處理單元1086a係用來處理數位訊號D_RXH1~D_RXHo以分別產生複數個處理後數位訊號D_RXH_RP1~D_RXH_RPo。依據本發明的實施例，距離和都卜勒處理單元1086a係依據一距離參數R_bin以及一速度參數V_bin來產生複數個處理後數位訊號D_RXH_RP1~D_RXH_RPo。請注意，在該接收模式下，第二波束成型處理單元1086所接收到的距離參數R_bin以及速度參數V_bin係分別相同於第一波束成型處理單元1084所接收到的距離參數R_bin以及速度參數V_bin。舉例而言，距離和都卜勒處理單元1086a可以由一匹配濾波器所組成，以依據距離參數R_bin以及速度參數V_bin來產生複數個處理後數位訊號D_RXH_RP1~D_RXH_RPo。距離和都卜勒處理單元1086a的操作係相同於距離和都卜勒處理單元1084a的操作，故其細部運作在此不另贅述。
接著，第二波束成型處理單元1086內的多波束處理單元1086b可依 據一增益矩陣GH1來對複數個處理後數位訊號D_RXH_RP1~D_RXH_RPo執行一波束成型操作以產生複數個第二波束訊號DH_bfm_1~DH_bfm_o’。複數個第二波束訊號DH_bfm_1~DH_bfm_o’係分別對應到複數個方位角sin-1α1~sin-1αo’。圖19所示係依據本發明複數個處理後數位訊號D_RXH_RP1~D_RXH_RPo利用增益矩陣GH1來產生複數個第二波束訊號DH_bfm_1~DH_bfm_o’之一實施例示意圖。圖19僅是簡化版產生複數個第二波束訊號DH_bfm_1~DH_bfm_o’的示意圖。複數個第二波束訊號DH_bfm_1~DH_bfm_o’的產生可以視為增益向量GH1與複數個處理後數位訊號D_RXH_RP1~D_RXH_RPo的複數個值的內積。增益矩陣GH1係包含有複數個複數增益，亦即{(GH1_11，GH1_21，...，GH1_o1)，(GH1_12，GH1_22，...，GH1_o2)，...，(GH1_1o’，GH1_2o’，...，GH1_on’)}，的一矩形陣列。增益矩陣GH1內的該些複數增益可以個別的被調整以提供不同的權重給複數個處理後數位訊號D_RXH_RP1~D_RXH_RPo。舉例而言，第一組複數增益(GH1_11，GH1_21，...，GH1_o1)係分別用來給複數個處理後數位訊號D_RXH_RP1~D_RXH_RPo加權，以使得第二波束訊號DH_bfm_1具有指向第一仰角sin-1α1的一接收主波瓣。第二組複數增益s(GH1_12，GH1_22，...，GH1_o2)係分別用來給複數個處理後數位訊號D_RXH_RP1~D_RXH_RPo加權，以使得第二波束訊號DH_bfm_2具有指向第二仰角sin-1α2的一接收主波瓣，以此類推及。依據本發明的實施例，增益矩陣GH1係由第二波束成型處理單元1086所產生。然而，此並不構成本發明的限制所在。增益矩陣GH1也可以由設置在第二波束成型處理單元1086外部的一處理單元所產生。
進一步而言，在該接收模式下，透過調整增益矩陣GH1，接收裝置106_1~106_o的等效接收輻射圖的該些副波瓣的功率就會被壓抑。 圖20所示係依據本發明在角域下接收裝置的等效接收輻射圖的一響應之一實施例示意圖。在本實施例中，在方位角sin-1αa的等效接收主波瓣的功率會維持不變或只會微幅減少(舉例而言，在方位角sin-1αa的等效接收主波瓣的功率為0dB)，以及該些等效接收副波瓣(亦即在方位角sin-1(αs+α0)(亦即sin-1αb)以及sin-1(αs+2*α0)之間的副波瓣，以及在方位角sin-1(αs-2*α0)以及sin-1(αs-α0)之間的副波瓣)的功率會被壓抑或被壓縮到遠小於在方位角sin-1αa的等效接收主波瓣的功率。舉例而言，在方位角sin-1αa的等效接收主波瓣的功率與等效接收第一副波瓣(例如在方位角sin-1(αs+α0)(亦即sin-1αb)以及sin-1(αs+2*α0)之間的副波瓣)的功率之間的差別係遠大於-13.26dB。在另一個範例中，在方位角sin-1αa的等效接收主波瓣的功率與等效接收第一副波瓣(例如在方位角sin-1(αs+α0)(亦即sin-1αb)以及sin-1(αs+2*α0)之間的副波瓣)的功率之間的差別約為-60dB。
此外，在該接收模式下，透過調整增益矩陣GH1，當該些等效接收副波瓣的功率被壓抑時，該等效接收主波瓣的波束寬度會變寬，且該些等效接收副波瓣的方位角也會偏移。因此，可以透過調整增益矩陣GH1來使得方位角sin-1(αs-2*α0)、sin-1(αs-α0)、sin-1(αs+α0)(亦即sin-1αb)以及sin-1(αs+2*α0)落在或接近接收裝置106_1~106_o的等效的接收輻射圖上的該些零訊號的位置，如圖20所示。依據本發明之實施例，該些零訊號的位置可落在或接近方位角sin-1(αs+(k/2)*α0)的位置，其中k係非零的整數(例如-4，-3，-2，-1，+1，+2，+3，+4)。該些零訊號(null)為接收裝置106_1~106_o的等效的接收輻射圖上零功率的位置。當方位角sin-1(αs-2*α0)、sin-1(αs-α0)、sin-1(αs+α0)(亦即sin-1αb)以及sin-1(αs+2*α0)落在或接近接收裝置106_1~106_o的等效的接收輻射圖上的該些零訊號的位置時，接收裝置106_1~106_o在方位角sin-1 (αs-2*α0)、sin-1(αs-α0)、sin-1(αs+α0)(亦即sin-1αb)，以及sin-1(αs+2*α0)上的該些接收訊號的功率就會被壓抑或接近零功率，如圖21所示。
圖21所示係依據本發明在角域下接收裝置106_1~106_o連同傳送裝置102_1~102_m的等效輻射圖的一響應之另一實施例示意圖。進一步而言，圖21所示係圖5的該射頻波束的等效輻射圖的一響應以及圖20的接收裝置106_1~106_o的等效接收輻射圖。換言之，當該射頻波束的主波瓣指向方位角sin-1αa時，圖21所示的響應係雷達系統100的等效輻射圖。從圖21可以得知在方位角sin-1αa的等效主波瓣的功率係維持不變或微幅減小，而等效副波瓣的功率會被壓抑至遠小於在方位角sin-1αa上的等效主波瓣的功率。此外，方位角sin-1(αs-2*α0)、sin-1(αs-α0)、sin-1(αs+α0)(亦即sin-1αb)以及sin-1(αs+2*α0)係分別落在或接近等效輻射圖的零訊號處。因此，在圖12所示的情境下，透過對增益矩陣GH1的調整，在方位角sin-1αa處指向目標物1102的發射功率仍然是該主波瓣的高功率，同時在方位角sin-1αb處指向目標物1104的發射功率會減少至或接近零功率。換句話說，在圖12所示的情境下，透過對增益矩陣GH1的調整，在方位角sin-1αa處的接收功率會由目標物1102所反射的功率所支配，而由目標物1104所造成的副波瓣效應就會被移除，即使目標物1104的體積係遠大於目標物1102的體積。
接著，當該射頻波束的主波瓣502的方位角改變為sin-1αb時，該射頻波束的主波瓣502以及副波瓣504會同時分別擊中第二目標物1104以及第一目標物1102，如圖22所示。圖22所示係依據本發明雷達系統100在偵測第二目標物1104時的射頻波束之一實施例示意圖。相似於圖15所示的操作，在該接收模式下，第一波束成型處理單元1084內的多波束處理單元1084b係依據增益矩陣GV來對複數個處理後數位訊號D_RXV_RP1~D_RXV_RPn執行一波束成型操作以產生複數 個第一波束訊號DV_bfm_1~DV_bfm_n’。在本實施例中，對應到方位角sin-1αb的增益矩陣GV係相同於圖15所示的增益矩陣GV。複數個第一波束訊號DV_bfm_1~DV_bfm_n’的產生以及在仰角sin-1θ3(亦即目標物1102以及1104所處的仰角sin-1θ)處的偵測係分別相似於圖15、圖16以及圖17所述的操作，故其細部操作在此不另贅述。
同時，在圖22所示的情境下，第一波束成型處理單元1086內的多波束處理單元1086b另依據另一個增益矩陣GH2來對複數個處理後數位訊號D_RXH_RP1~D_RXH_RPo執行一波束成型操作以產生複數個第二波束訊號DH_bfm_1~DH_bfm_o’，其中增益矩陣GH2係不同於增益矩陣GH1。複數個第二波束訊號DH_bfm_1~DH_bfm_o’分別對應到複數個方位角sin-1α1~sin-1αo’。圖23所示係依據本發明複數個處理後數位訊號D_RXH_RP1~D_RXH_RPo利用增益矩陣GH2來產生複數個第二波束訊號DH_bfm_1~DH_bfm_o’之一實施例示意圖。圖23僅是簡化版產生複數個第二波束訊號DH_bfm_1~DH_bfm_o’的示意圖。複數個第二波束訊號DH_bfm_1~DH_bfm_o’的產生可以視為增益向量GH2與複數個處理後數位訊號D_RXH_RP1~D_RXH_RPo的複數個值的內積。增益矩陣GH2係包含有複數個複數增益，亦即{(GH2_11，GH2_21，...，GH2_o1)，(GH2_12，GH2_22，...，GH2_o2)，...，(GH2_1o’，GH2_2o’，...，GH2_on’)}，的一矩形陣列。增益矩陣GH2內的該些複數增益可以個別的被調整以提供不同的權重給複數個處理後數位訊號D_RXH_RP1~D_RXH_RPo。上述的操作係相似於圖19所述的操作，故其細部操作在此不另贅述。
接著，透過調整增益矩陣GH2，接收裝置106_1~106_o的等效接收輻射圖的該些副波瓣的功率就會被壓抑。圖24所示係依據本發明在角域下接收裝置106_1~106_o的等效接收輻射圖的一響應之一實施 例示意圖。在本實施例中，在方位角sin-1αb的等效接收主波瓣的功率會維持不變或只會微幅減少(舉例而言，在方位角sin-1αb的等效接收主波瓣的功率為0dB)，以及該些等效接收副波瓣(亦即在方位角sin-1(αs)(亦即sin-1αa)以及sin-1(αs-α0)之間的副波瓣)的功率會被壓抑或被壓縮到遠小於在方位角sin-1αb的等效接收主波瓣的功率。舉例而言，在方位角sin-1αb的等效接收主波瓣的功率與等效接收第一副波瓣(例如在方位角sin-1(αs)(亦即sin-1αa)以及sin-1(αs-α0)之間的副波瓣)的功率之間的差別係遠大於-13.26dB，例如大約為-60dB。
同理，透過調整增益矩陣GH2，當該些等效接收副波瓣的功率被壓抑時，該等效接收主波瓣的波束寬度會變寬，且該些等效接收副波瓣的方位角也會偏移。因此，可以透過調整增益矩陣GH2來使得方位角sin-1(αs-2*α0)、sin-1(αs-α0)、sin-1αs(亦即sin-1αa)以及sin-1(αs+2*α0)落在或接近接收裝置106_1~106_o的等效的接收輻射圖上的該些零訊號的位置，如圖24所示。以上所述的效果係相似於圖20以及圖21所述的效果，故其細部特徵在此不另贅述。
因此，在圖22所示的情境下，透過對增益矩陣GH2的調整，在方位角sin-1αb處指向目標物1104的發射功率仍然是該主波瓣的高功率，同時在方位角sin-1αa處指向目標物1102的發射功率會減少至或接近零功率。因此，在圖22所示的情境下，當目標物1104的體積係遠大於目標物1102的體積時，在方位角sin-1αb處的接收功率會由目標物1104所反射的功率所支配，而由目標物1102所造成的副波瓣效應就會被移除。
圖25所示係依據當本發明之雷達系統100從方位角sin-1α1掃描到方位角sin-1αm時的複數個第二波束訊號DH_bfm_1~DH_bfm_o’的功率之一實施例示意圖。圖25的時域是相同於圖10的時域。進一步而言，在時段T1，射頻訊號S_TX1~S_TXm的發送主波瓣會指向方位角 sin-1α1；在時段T2，射頻訊號S_TX1~S_TXm的發送主波瓣會指向方位角sin-1α2；以此類推。在圖11所示的情境下，第二波束訊號DH_bfm_2以及DH_bfm_4在時段T2時會分別具有功率P_α2以及功率P_α3，其中功率P_α2係由目標物1102所反射的功率所支配，而功率P_α3則可忽略不計。接著，在時段T4時，第二波束訊號DH_bfm_4會具有功率P_α4，其中功率P_α4係由目標物1104所反射的功率所支配，而由目標物1102所反射的功率則可忽略不計。由於一波束訊號的功率係正比於一目標物的雷達截面積，因此分析單元1088會依據功率P_α2以及功率P_α4來分別判定目標物1102以及目標物1104的雷達截面積。在本實施例中，由於目標物1104的體積遠大於目標物1102的體積，因此功率P_α4會遠大於功率P_α2。
圖26所示係當本發明之雷達系統100從方位角sin-1α1掃描到方位角sin-1αm時的分析單元1088的分析後輸出之一實施例示意圖。圖26的時域是相同於圖10的時域。進一步而言，在時段T1，射頻訊號S_TX1~S_TXm的發送主波瓣係指向方位角sin-1α1；在時段T2，射頻訊號S_TX1~S_TXm的發送主波瓣係指向方位角sin-1α2；以此類推。圖26的上半部顯示對應到時段T1~Tm的複數個第一波束訊號DV_bfm_1~DV_bfm_n’(亦即該仰角)的偵測結果。圖26的下半部顯示對應到時段T1~Tm的複數個第二波束訊號DH_bfm_1~DH_bfm_o’(亦即該方位角)的偵測結果。在本實施例中，對應到功率P_θ3a的一第一實心點2602以及對應到功率P_θ3b的一第二實心點2604係出現在時段T2、T4以及仰角sin-1θ3相交的位置。對應到功率P_α2的一第三實心點2606以及對應到功率P_α4的一第四實心點2608係分別出現在時段T2、T4以及方位角sin-1α2、sin-1α4相交的位置。換句話說，當雷達系統100從方位角sin-1α1掃描到方位角sin-1αm時，目標物1102以及1104的雷達截面積以及座標就可以被判定出來，其中目標物1102以及1104相對於雷達系統100會具有相同的 距離以及相同的徑向速度。
圖27所示係依據本發明用來掃描遠端目標物之一方法2700之一實施例流程圖。舉例而言，上述的雷達系統100係採用方法2700來偵測遠端目標物的座標以及大小。為了簡化起見，方法2700得說明係同時搭配雷達系統100一起敘述，然而此並不構成本發明的限制所在。依據本發明之實施例，方法2700包含有步驟2702~2714。倘若大體上可達到相同的結果，本發明並不需要一定照圖27所示之流程中的步驟順序來進行，且圖27所示之步驟不一定要連續進行，亦即其他步驟亦可插入其中。
在步驟2702，傳送裝置102_1~102_m係被設置在y軸。每兩個相鄰的傳送裝置(例如102_1以及102_2)之間的距離是一預定的距離，例如該距離係射頻訊號S_TX1~S_TXm的波長的一半。接收裝置104_1~104_n係被設置在z軸。接收裝置106_1~106_o係被設置在y軸。每兩個相鄰的接收裝置(例如104_1以及104_2)之間的距離是一預定的距離，例如該距離係射頻訊號S_TX1~S_TXm的波長的一半。
在步驟2704中，處理裝置108係用來分別產生相位偏移數位訊號D_TX1~D_TXm至傳送裝置102_1~102_m。
在步驟2706中，在該傳送模式下，傳送裝置102_1~102_m係依據相位偏移數位訊號D_TX1~D_TXm來分別產生射頻訊號S_TX1~S_TXm。射頻訊號S_TX1~S_TXm會形成具有主波瓣502以及副波瓣504、506的該射頻波束。
在步驟2708中，在該接收模式下，接收裝置104_1~104_n係用來接收第一入射訊號S_RXV1~S_RXVn以分別產生第一數位訊號D_RXV1~D_RXVn。
在步驟2710中，第一波束成型處理單元1084係用來對第一數位訊號D_RXV1~D_RXVn執行該第一波束成型操作以產生複數個第一波 束訊號DV_bfm_1~DV_bfm_n’。進一步而言，第一波束成型處理單元1084係依據一距離參數R_bin以及一速度參數V_bin來執行一距離和都卜勒處理以產生複數個處理後數位訊號D_RXV_RP1~D_RXV_RRn，以及依據複數個處理後數位訊號D_RXV_RP1~D_RXV_RRn以及增益矩陣GV執行一波束成型操作以產生複數個第一波束訊號DV_bfm_1~DV_bfm_n’。
同時，在步驟2712中，在該接收模式下，接收裝置106_1~106_o係用來接收第二入射訊號S_RXH1~S_RXHo以分別產生第二數位訊號D_RXH1~D_RXHo。
在步驟2714中，第二波束成型處理單元1086係用來對第二數位訊號D_RXH1~D_RXHo執行該第二波束成型操作以產生複數個第二波束訊號DH_bfm_1~DH_bfm_o’。進一步而言，第二波束成型處理單元1086係依據一距離參數R_bin以及一速度參數V_bin來執行一距離和都卜勒處理以產生複數個處理後數位訊號D_RXH_RP1~D_RXH_RPo，以及依據複數個處理後數位訊號D_RXH_RP1~D_RXH_RPo以及增益矩陣GH1來執行一波束成型操作以產生複數個第二波束訊號DH_bfm_1~DH_bfm_o’。
在步驟2716中，分析單元1088係依據第一波束訊號DV_bfm_1~DV_bfm_n’來計算第一目標物1102以及第二目標物1104的仰角sin-1θ，以及依據第二波束訊號DH_bfm_1~DH_bfm_o’來計算第一目標物1102的方位角sin-1αa以及第二目標物1104的方位角sin-1αb。依據本發明之實施例，分析單元1088可依據第二波束訊號DH_bfm_1~DH_bfm_o’來區分第一目標物1102以及第二目標物1104的雷達截面積，其細部運作在此不另贅述。
綜上所述，依據本發明的實施例，雷達系統100係一全數位式的主動式電子掃描陣列系統，相對於現有的技術，雷達系統100使用了較少的傳送裝置以及接收裝置。因此，雷達系統100會具有較低的 製造成本。此外，相對於現有的技術，由於雷達系統100係操作在較高的功率轉換效率區，因此雷達系統100可偵測到較遠的目標物。此外，雷達系統100在不搭配機械式轉動系統下也可以偵測到落在一廣角範圍內的多個目標物。進一步而言，雷達系統100可以偵測到相對於雷達系統100具有相同的距離以及相同的徑向速度的多個目標物。因此，本發明雷達系統100不只功能比現有的雷達系統來得好，其功率消耗也遠比現有的雷達系統來得低。
依據本發明的實施例，其係提供一種雷達系統。該雷達系統包含一處理裝置、複數個傳送裝置、複數個第一接收裝置以及複數個第二接收裝置。該處理裝置用來產生複數個相位偏移數位訊號。該複數個傳送裝置，耦接於該處理裝置，用來在一第一模式依據該複數個相位偏移數位訊號產生一射頻波束，其中該複數個傳送裝置係設置在一第一軸線。該複數個第一接收裝置，耦接於該處理裝置，用來在不同於該第一模式的一第二模式依據複數個第一入射訊號分別產生複數個第一數位訊號，其中該複數個第一接收裝置係設置在不同於該第一軸線地一第二軸線。該複數個第二接收裝置，耦接於該處理裝置，用來在該第二模式依據複數個第二入射訊號分別產生複數個第二數位訊號，其中該複數個第二接收裝置係設置在該第一軸線。當該射頻波束擊中一第一目標物以及一第二目標物時，該處理裝置另用來依據該複數個第一數位訊號以及該複數個第二數位訊號以區分該第一目標物以及該第二目標物，其中該第一目標物以及該第二目標物具有相同的徑向速度以及位於相同的距離。
依據本發明的實施例，其係提供一種用來掃描遠端目標物的方法，其包含步驟：將複數個傳送裝置設置在一第一軸線；將複數個第一接收裝置設置在不同於該第一軸線的一第二軸線；將複數個第二接收裝置設置在該第一軸線；利用一處理裝置來產生複數個相位偏移數位訊號；在一第一模式下利用該複數個傳送裝置以依據該複數個 相位偏移數位訊號來產生一射頻波束；在不同於該第一模式的一第二模式下利用複數個第一接收裝置來依據複數個第一入射訊號以分別產生複數個第一數位訊號；在該第二模式利用複數個第二接收裝置依據複數個第二入射訊號來分別產生複數個第二數位訊號；以及當該射頻波束擊中一第一目標物以及一第二目標物時，利用該處理裝置來區分該第一目標物以及該第二目標物，其中該第一目標物以及該第二目標物具有相同的徑向速度以及位於相同的距離。
上述的段落說明了多個實施例的技術特徵以使得此領域具有通常知識者得以更清楚理解本發明的特徵所在。此領域具有通常知識者應可瞭解使用本發明為基礎來設計或改良其他流程或結構亦可以得到相同的目的以及/或獲得與本發明實施例相同的好處。此領域具有通常知識者亦應瞭解上述等效的構造並沒有超出於本發明的精神和範疇，且此領域具有通常知識者在本發明的精神和範疇內可進行改變、替換和修改。
100:雷達系統
102:傳送部分
104:第一接收部分
106:第二接收部分
102_1~102_m:傳送裝置
104_1~104_n、106_1~106_o:接收裝置

Claims (22)

  1. 一種雷達系統，包含：一處理裝置，用來產生複數個相位偏移數位訊號；複數個傳送裝置，耦接於該處理裝置，用來在一第一模式依據該複數個相位偏移數位訊號產生一射頻波束，其中該複數個傳送裝置係設置在一第一軸線；複數個第一接收裝置，耦接於該處理裝置，用來在不同於該第一模式的一第二模式依據複數個第一入射訊號分別產生複數個第一數位訊號，其中該複數個第一接收裝置係設置在不同於該第一軸線的一第二軸線；以及複數個第二接收裝置，耦接於該處理裝置，用來在該第二模式依據複數個第二入射訊號分別產生複數個第二數位訊號，其中該複數個第二接收裝置係設置在該第一軸線；其中，當該射頻波束同時擊中一第一目標物以及一第二目標物時，該處理裝置另用來依據該複數個第一數位訊號以及該複數個第二數位訊號以區分該第一目標物以及該第二目標物，其中該第一目標物以及該第二目標物相對於該雷達系統具有相同的徑向速度以及位於相同的徑向距離，且該第一目標物與該第二目標物彼此分離；其中，該處理裝置另用來處理該複數個第二數位訊號以使得該複數個第二接收裝置的一等效的接收輻射圖的一零訊號(nu11)係大約落在該射頻波束的一副波瓣的一方位角。
  2. 如請求項1所述的雷達系統，其中該第一軸線係平行於一水平準位，以及該第二軸線係正交於該第一軸線。
  3. 如請求項1所述的雷達系統，其中該射頻波束至少具有一主波瓣以及該副波瓣，該主波瓣以及該副波瓣中之一擊中該第一目標物，以及該主波瓣以及該副波瓣的另一個擊中該第二目標物。
  4. 如請求項1所述的雷達系統，其中該處理裝置包含：一第一處理單元，耦接於該複數個第一接收裝置，用來依據該複數個第一數位訊號以及一第一增益矩陣執行一第一波束成型操作以產生複數個第一波束訊號；以及一第二處理單元，耦接於該複數個第二接收裝置，用來依據該複數個第二數位訊號以及一第二增益矩陣執行一第二波束成型操作以產生一複數個第二波束訊號；其中該處理裝置另用來依據該複數個第一波束訊號判定該第一目標物以及該第二目標物的一仰角，以及依據該複數個第二波束訊號以判定該第一目標物的一第一方位角以及該第二目標物的一第二方位角。
  5. 如請求項4所述的雷達系統，其中該第一處理單元另用來依據一距離參數以及一速度參數對該複數個第一數位訊號執行一距離和都卜勒處理以分別產生複數個處理後數位訊號，以及該第一處理單元依據該第一增益矩陣來對該複數個處理後數位訊號執行該第一波束成型操作以產生該複數個第一波束訊號。
  6. 如請求項4所述的雷達系統，其中該第二處理單元另用來依據一距離參數以及一速度參數對該複數個第二數位訊號執行一距離和都卜勒處理以分別產生複數個處理後數位訊號，以及該第二處理單元依據該第二增益矩陣來對該複數個處理後數位訊號執行該第二波束成型操作以產生該複數個第二波束訊號。
  7. 如請求項4所述的雷達系統，其中該複數個第一波束訊號包含指向分別為複數個仰角的複數個第一接收主波瓣，以及該複數個第二波束訊號包含指向分別為複數個方位角的複數個第二接 收主波瓣。
  8. 如請求項4所述的雷達系統，其中該第二處理單元另用來決定出該第二增益矩陣以使得該複數個第二接收裝置的該等效的接收輻射圖的該副波瓣的一功率至少小於該複數個第二接收裝置的該等效的接收輻射圖的一主波瓣的一功率13分貝(dB)。
  9. 如請求項4所述的雷達系統，其中該第二處理單元另用來決定出該第二增益矩陣以使得該複數個第二接收裝置的該等效的接收輻射圖的該零訊號係大約落在該射頻波束的該副波瓣的該方位角。
  10. 如請求項1所述的雷達系統，其中，對於一特定方位角，該複數個傳送裝置另用來在複數個時間點分別產生指向該特定方位角的複數個射頻波束；其中該複數個射頻波束的每一個射頻波束的一頻率係逐漸地從一第一頻率提升至一第二頻率。
  11. 如請求項4所述的雷達系統，其中該處理裝置另包含：一分析單元，耦接於該第一處理單元以及該第二處理單元，用來依據從該複數個第二波束訊號選擇出來的一波束訊號的一訊號功率來判定出該第一目標物的一雷達截面積(Radar cross-section，雷達截面積)；其中該選擇的波束訊號的一接收主波瓣是指向該第一目標物的該第一方位角。
  12. 如請求項1所述的雷達系統，其中該處理裝置另用來控制該複數個傳送裝置以透過偏移該複數個相位偏移數位訊號分別的複數個相位來橫掃一特定的方位角範圍。
  13. 如請求項1所述的雷達系統，其中該複數個傳送裝置包含複數個功率放大器以分別用來產生複數個射頻訊號，該複數個射頻訊號會形成該射頻波束，該複數個功率放大器的每一個功率放大器係用來操作在一功率轉換效率(PAE)範圍內，以及該功率轉換效率 範圍包含了該功率放大器的最大功率轉換效率範圍。
  14. 一種用來掃描遠端目標物的方法，包含：將複數個傳送裝置設置在一第一軸線；將複數個第一接收裝置設置在不同於該第一軸線的一第二軸線；將複數個第二接收裝置設置在該第一軸線；利用一處理裝置來產生複數個相位偏移數位訊號；在一第一模式下利用該複數個傳送裝置以依據該複數個相位偏移數位訊號來產生一射頻波束；在不同於該第一模式的一第二模式下利用複數個第一接收裝置來依據複數個第一入射訊號以分別產生複數個第一數位訊號；在該第二模式利用複數個第二接收裝置依據複數個第二入射訊號來分別產生複數個第二數位訊號；當該射頻波束同時擊中一第一目標物以及一第二目標物時，利用該處理裝置來區分該第一目標物以及該第二目標物，其中該第一目標物以及該第二目標物相對於該複數個傳送裝置具有相同的徑向速度以及位於相同的徑向距離，且該第一目標物與該第二目標物彼此分離；以及利用該處理裝置處理該複數個第二數位訊號以使得該複數個第二接收裝置的一等效的接收輻射圖的一零訊號(null)係大約落在該射頻波束的一副波瓣的一方位角。
  15. 如請求項14所述的方法，其中利用該處理裝置來區分該第一目標物以及該第二目標物的步驟包含：依據該複數個第一數位訊號以及一第一增益矩陣執行一第一波束成型操作以產生複數個第一波束訊號；依據該複數個第二數位訊號以及一第二增益矩陣執行一第二波束成型操作以產生一複數個第二波束訊號；以及依據該複數個第一波束訊號判定該第一目標物以及該第二目標物 的一仰角，以及依據該複數個第二波束訊號以判定該第一目標物的一第一方位角以及該第二目標物的一第二方位角。
  16. 如請求項14所述的方法，其中利用該處理裝置來區分該第一目標物以及該第二目標物的步驟包含：依據一距離參數以及一速度參數對該複數個第一數位訊號執行一距離和都卜勒處理以分別產生複數個處理後數位訊號；以及依據該第一增益矩陣來對該複數個處理後數位訊號執行該第一波束成型操作以產生該複數個第一波束訊號。
  17. 如請求項15所述的方法，其中利用該處理裝置來區分該第一目標物以及該第二目標物的步驟包含：依據一距離參數以及一速度參數對該複數個第二數位訊號執行一距離和都卜勒處理以分別產生複數個處理後數位訊號；以及依據該第二增益矩陣來對該複數個處理後數位訊號執行該第二波束成型操作以產生該複數個第二波束訊號。
  18. 如請求項15所述的方法，其中執行該第二波束成型操作的步驟另包含：決定出該第二增益矩陣以使得該複數個第二接收裝置的該等效的接收輻射圖的該副波瓣的一功率至少小於該複數個第二接收裝置的該等效的接收輻射圖的一主波瓣的一功率13分貝(dB)。
  19. 如請求項15所述的方法，其中執行該第二波束成型操作的步驟另包含：決定出該第二增益矩陣以使得該複數個第二接收裝置的該等效的接收輻射圖的該零訊號大約落在該射頻波束的該副波瓣的該方位角。
  20. 如請求項15所述的方法，其中執行該第二波束成型操作的步驟另包含：依據從該複數個第二波束訊號選擇出來的一波束訊號的一訊號功率來判定出該第一目標物的一雷達截面積(Radar cross-section，雷達截面積)；其中該選擇的波束訊號的一接收主波瓣是指向該第一目標物的該第一方位角。
  21. 如請求項14所述的方法，另包含：對於一特定方位角，利用該複數個傳送裝置來在複數個時間點分別產生指向該特定方位角的複數個射頻波束；其中該複數個射頻波束的每一個射頻波束的一頻率係逐漸地從一第一頻率提升至一第二頻率。
  22. 如請求項14所述的方法，另包含：利用該複數個傳送裝置內的複數個功率放大器以分別用來產生複數個射頻訊號以形成該射頻波束；以及將該複數個功率放大器的每一個功率放大器操作在一功率轉換效率(PAE)範圍內，以及該功率轉換效率範圍包含了該功率放大器的最大功率轉換效率範圍。
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