[发明专利]波束成形设备和方法

说明书

技术领域

本发明涉及波束成形(beam forming)设备及相应的方法。本发明更进一步涉及用于场景的成像的有源成像设备和有源成像方法以及波束成形单元和处理方法。更进一步，本发明涉及计算机程序和存储有该计算机程序的非临时性计算机可读介质。特别地，本发明涉及MIMO波束成形设备和方法。

背景技术

在超声波的、微波、毫米波以及太赫兹的频率上，有源成像系统对于包括医疗和安全应用在内的很多应用，正在变得越来越普及。

有源成像系统中的发射器(也被称为“发射元件”)和接收器(也被称为“接收元件”)的布置可以采用多种不同形式。在一个与本发明相关的实施例中，多个发射器和接收器一同工作以形成MIMO雷达(或MIMO有源成像系统)。MIMO雷达主要有两种不同的类型。第一种被称为统计MIMO，其中天线(通常是所述“发射元件”和“接收元件”)被放置的彼此分隔的很远，以提供对目标(通常是所述“场景”)的不同的视角。MIMO的第二种类型被称为波束成形(或集中式的(co-locate))MIMO，其中所述天线被放置的彼此靠近，一起工作以形成一个“虚拟”波束成形阵列。本发明主要适用于所述波束成形MIMO装置。

在一维情况下的MIMO波束成形，通常与其它技术(即，合成孔径雷达)相结合以形成2D图像。可选地，也可以在二维情况下使用MIMO波束成形来形成2D图像。为了生成目标的完全的3D图像(或具有附加的距离/深度信息的2D图像)，所述布置典型地发射宽带连续波形(即调频连续波(FMCW))或宽带脉冲以提供测距信息。

对于任何上述MIMO波束成形布置，在目标和接收器/发射器布置之间有很大的距离时(所谓的“远场”情况)，在到目标的距离有变化的情况下，用于执行MIMO波束成形的针对给定角度方向的最佳权重并没有明显改变。然而，在目标和接收器/发射器布置之间的距离很短时(所谓的“近场”情况)，用于执行MIMO波束成形的最佳权重将随着距离的改变而显著改变。

已经公知使用MIMO波束成形技术的成像系统以及使用该技术获得距离信息。

J.H.G.Ender和J.Klare的“System Architectures and Algorithms for Radar Imaging by MIMO-SAR(用于用多收多发合成孔径雷达进行雷达成像的系统架构和算法)”，IEEE Radar Conference 2009描述了一种系统，其中在一个维度(在这种情况下是机翼的方向)上采用MIMO波束成形阵列并且在移动方向(在这种情况下是飞机的前进运动方向)上产生合成孔径雷达(SAR)以产生2D图像。通过使用调频连续波(FMCW)技术来获得第三维度(从飞机到地面上的目标之间的距离)。然而，该系统用于当发射器和地面上的目标之间有很大的距离时的情境。

J.Klare、O Saalmann和H.Wilden的“First Experimental Results with the imaging MIMO Radar MIRA-CLE X(成像多收多发雷达MIRA-CLE X的第一实验结果)”EUSAR Conference 2010描述了一种系统，其中SAR与MIMO波束成形结合以生成2D图像并且用FMCW来提供第三维度，该第三维度是到目标的距离信息。该系统的使用方式类似于J.H.G.Ender等描述的系统的使用方式，其中发射器和接收器之间的距离很大。

X.zhuge和A.Yaravoy的“MIMO-SAR Based UWB Imaging for concealed Weapon Detection(用于检测隐藏武器的基于UWB成像的多收多发合成孔径雷达)”EUSAR Conference 2010Aachen，德国，第195-197页描述了一种系统，其中SAR与MIMO波束成形结合以生成2D图像。利用基于脉冲的超宽带信号(UWB)来获得第三维度(到目标的距离)。

X.zhuge和A.Yaravoy的“Near-Field Ultra-wideband Imaging with Two dimensional Sparse MIMO Array(用二维稀疏MIMO阵列进行近场超宽带信号成像)”，Proceedings of the fourth European Conference Antennas and Propagation(EuCAP)2010，第1-4页描述了一种系统，其中MIMO波束成形在两个维度上被使用来产生2D图像。利用基于脉冲的超宽带信号(UWB)来获得第三维度(到目标的距离)。