CN109154650B - 距离无关分辨率雷达 - Google Patents

Abstract

提供了一种分辨率与距离无关的成像装置。由天线和真实延迟组成的单元阵列可以放置在目标后面。由单个单元反射的信号提供关于该单元是否被目标阻挡的信息。可以从雷达回波确定附加信息，例如材料属性和目标厚度。可以构造类似的结构以充当无线条形码。

Description

距离无关分辨率雷达

技术领域

本发明一般涉及雷达***。特别地，它提供了适合于创建距离无关分辨率雷达的装置、方法和***。

背景技术

雷达***的空间分辨率通常取决于波束宽度、雷达天线的尺寸以及雷达与目标之间的距离。因此，在雷达感测中通常在这些因素与可实现的分辨率之间进行权衡。

传统上，可以通过增大天线尺寸来提高空间分辨率。例如，随着天线孔径尺寸的增加，天线的波束宽度(即，相对于峰值的3dB衰减)减小。喇叭天线的天线尺寸(D)与3dB波束宽度(BW)之间的反比关系的近似表达式是BW＝70λ/D，其中λ是波长。由于波束宽度减小，目标上的光斑尺寸也减小，从而能够检测目标上的较小特征。需要在雷达的发射器和接收器天线中的任一个或两个上完成天线尺寸的扩大，以便提高雷达分辨率。然而，使用大型天线、例如大型反射器盘或天线元件阵列，会增加***成本、尺寸和重量。另外，为了观察目标上的不同特征，可能需要机械地旋转或移动天线或目标，使得目标上的相关区域将被照射。可以通过使用例如数字波束形成或多静态方法构造相控阵来制造更大的天线。然而，相控阵天线以单独的馈电、收发器和移相器和/或处理部分的形式，增加了复杂性。

通过将雷达***移近目标也可以提高空间分辨率。图1显示了天线尺寸、目标距离和波束宽度对目标上的光斑尺寸的影响。对于给定的天线尺寸(D)和3dB波束宽度(BW)，目标上的光斑尺寸(X)取决于目标和雷达天线之间的距离(R)。光斑尺寸可以近似为X＝2Rtan[λ/(2D)]，其中λ是波长。然而，将天线移近目标并不总是一种实用的方法，因为人们不能总是控制雷达和目标之间的距离。另外，当距离变得比远场距离D^2/λ短时，光斑尺寸不随雷达-目标距离而减小。实际上，靠近天线的最小光斑尺寸是天线孔径尺寸本身的数量级，如图2所示。

超分辨率(Super-resolution)技术也可用于改善雷达***的分辨率。然而，超分辨率技术可能需要增加的处理能力和复杂算法。此外，许多超分辨率技术需要高信噪比才能进行有效处理。其他技术，例如单脉冲，也可用于提高分辨率。

所需要的是一种雷达***，其分辨率与到目标的距离无关。因此，本领域需要解决上述问题。

发明内容

从第一方面来看，本发明提供了一种用于成像的装置，该装置包括：雷达发射器，被配置为发射雷达信号；第一单元(cell)，包括第一天线和第一延迟元件，其中第一单元被配置为从雷达发射器接收雷达信号并在第一延迟元件的第一已知时间延迟之后重新发射雷达信号；以及，雷达接收器，被配置为从第一单元接收重新发射的雷达信号。

从另一方面来看，本发明提供了一种用于成像的方法，该方法包括：由雷达发射器发射第一雷达信号；在第一单元的第一天线接收雷达信号的至少一部分；由第一延迟元件根据接收到的雷达信号的至少一部分产生第一时间延迟信号；由第一单元的第一天线重新发射第一时间延迟信号；由雷达接收器接收第一时间延迟信号的至少一部分；以及，构建图像，其中构建图像包括基于第一时间延迟信号的存在而确定目标的不存在以及基于第一时间延迟信号的不存在而确定目标的存在。

从另一方面来看，本发明提供了一种用于成像的***，该***包括：雷达，其中雷达包括：雷达发射器，被配置为产生雷达信号；以及雷达接收器；以及，单元阵列，其中，所述单元阵列包括：第一单元，其中所述第一单元包括第一天线和连接到所述第一天线的第一延迟元件，其中，所述第一天线和所述第一延迟元件被配置为接收雷达信号，通过第一延迟元件产生第一时间延迟雷达信号，并发送第一时间延迟雷达信号，使得第一时间延迟雷达信号的至少一部分入射到雷达接收器上，以及第二单元，其中第二单元包括第二天线和连接到第二天线的第二延迟元件，其中第二天线和第二延迟元件被配置为接收雷达信号，通过第二延迟元件产生第二时间延迟雷达信号，并发送第二时间延迟雷达信号，使得第二时间延迟雷达信号的至少一部分入射到雷达接收器上。

本发明涉及通过(i)利用单个固定波束雷达执行单像素或多像素成像，而不管雷达天线的尺寸如何，以及(ii)以波长或更小的数量级与目标距离无关地提供目标边缘的超分辨率，来改善雷达、光谱和成像***的性能。

在一个实施例中，本发明还涉及一种用于雷达成像的新技术，其通过在目标后面放置包含真实延迟(true delays)或集总延迟(lumped delays)的单元阵列来实现目标轮廓边缘的超分辨率。在一个实施例中，雷达的分辨率部分地由单元的尺寸确定。典型的单元可以是波长的量级，并且雷达的分辨率具有相同的量级。无论照明和接收雷达天线的尺寸如何，并且无论雷达和目标之间的距离如何，都可以实现该分辨率。在一个实施例中，单元结构包括连接到集总延迟(例如移相器，电容器，电感器等)的天线(例如，喇叭，开口波导或贴片天线)，集总延迟在集总元件或真实延迟元件(例如波导，印刷微带线，带状线，同轴电缆，共面波导等)之后短路，这些元件对于每个单元通常具有例如通过将延迟元件短路到所需长度而变化的长度或延迟。将单元放置在目标后面，整体设计不需要对雷达***本身进行重大改变。利用所描述的装置，雷达与单元的空间分辨率由单元的尺寸决定，而不是由雷达天线的尺寸或雷达-目标距离决定。单元结构可以与任何雷达***、例如连续波、脉冲或其他一起使用。

参考以下描述、所附权利要求和附图，将理解本发明的这些和其他特征、方面和优点。

附图说明

现在将仅通过示例的方式参考附图描述本发明的实施例，其中：

图1是显示根据现有技术的雷达光斑尺寸与到目标的距离和波束宽度的关系的图；

图2是显示根据现有技术的雷达波束的近场和远场分量的图；

图3是根据本发明的一个实施例的距离无关分辨率雷达***的示意图；

图4是根据本发明的一个实施例的具有十八个开口波导作为天线的单元阵列的示意图，其中每个天线连接到通过在期望位置缩短波导而具有不同长度的波导；

图5是本发明的一个实施例的连续波实现的结果拍频的曲线图；

图6A是根据本发明的一个实施例的存在于单元阵列前面的目标的示意图；

图6B是根据本发明的一个实施例的频率调制连续波雷达的拍频的曲线图；

图6C是根据本发明的一个实施例的重建目标图像；

图7A是根据本发明的一个实施例的具有九个天线的器件的顶层的示意图；

图7B是根据本发明的一个实施例的器件的中间信号分布层的示意图；

图7C是根据本发明的一个实施例的器件的底部真实延迟线层的示意图；

图7D是根据本发明的一个实施例的多层器件的示意图；

图8A是根据本发明的一个实施例的由入射场照射的、连接到具有不同长度的八个波导的八个开口波导天线的示意图；

图8B是根据本发明的一个实施例的入射在距离无关分辨率雷达***的单元阵列上的波场强度的曲线图；

图8C是根据本发明的一个实施例的重新发射的信号的指向性图；

图9是根据本发明的一个实施例的类似条形码的器件；以及

图10是根据本发明的一个实施例的包含透镜的距离无关分辨率雷达***。

具体实施方式

在以下优选实施例的详细描述中，参考了附图，附图形成了本发明的一部分，并且在附图中通过图示的方式示出了可以实践本发明的具体实施例。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其他实施例并且可以进行结构改变。

根据本发明的实施例的距离无关分辨率雷达***的示意图在图3中示出。距离无关的雷达***300由雷达310和单元阵列320组成。雷达310包括发射器和接收器。目标390放置在雷达310和单元阵列320之间。每个单元325包括单元天线326和真实延迟327。单元天线326可以是适合于以雷达工作频率发送和接收信号的任何类型的天线，并且可以是开口波导、喇叭、贴片、偶极子、槽、小型化天线或减小尺寸的电介质包围天线。真实延迟327可以实现为微带线、带状线、波导、共面波导或任何其他传输线，其可以引导由单元天线接收的输入能量并将其反射回雷达。其他延迟元件，例如集总元件，可以代替真实延迟327。取决于雷达的信噪比能力、每个天线的增益、传输线的损耗以及单元和传输线之间的耦合，可以减小天线尺寸并挤压传输线，而没有由波长决定的固有物理极限。

注意，照射目标的雷达发射天线和捕获来自目标的反射的雷达接收天线可以是不同的，或者可以由相同的天线实现。还要注意，在图3中，目标不必阻挡所有单元。本发明实施例的装置、***和方法适用于可以将这些单元放在目标后面的所有情况。目标也可以在单元前面的区域内移动，并且成像***可以在目标存在的时间的不同时间生成一系列图像。每个单元产生由其不同长度引起的延迟。对于连续波雷达，例如调频连续波雷达，每个延迟将被转换为雷达接收器中的不同拍频f_b。对于脉冲雷达，不同的延迟将导致反射信号在不同的时间t_r到达雷达接收器处。该单元将具有来自真实延迟327的已知延迟，由此它将延迟雷达信号。雷达接收器可以基于与单元的已知时间延迟相对应的信号的存在和/或幅度来确定哪些单元被阻挡。从雷达信号照射阵列并且没有目标阻挡路径的情况开始，雷达将测量与阵列中所有单元相关联的延迟。如果一个或多个单元被目标阻挡，则与这些单元相关联的f_b或t_r将不会出现在雷达输出处。由于可以知道并预先确定单元的位置，因此可以形成目标轮廓边缘或整个目标的高分辨率图像。无论雷达天线尺寸、目标雷达距离如何，都可以实现这种高分辨率，而无需传统的超分辨率方法。

图4示出了根据本发明的一个实施例的单元阵列320的实施例，其中十八个开口波导作为天线，其中每个天线连接到通过在期望位置缩短波导而具有不同长度的波导。当例如通过调频连续波雷达以频谱为f₀周围带宽B的信号照射该结构时，将在雷达接收器中产生与每个单元的延迟相对应的十八个拍频。根据本发明的实施例，得到的拍频510的图可以在图5中看到。注意，单元阵列320结构可以包含任何数量的单元。例如，可以通过考虑典型的单元尺寸、目标尺寸和工作频率来选择该数量。

雷达的距离分辨率为ΔL＝c/(2B)，其中c是光速，B是雷达的带宽。因此，单元之间的长度差应该大于或等于ΔL。虽然这里的例子是频率调制连续波雷达，但是相同的结构可以用于任何连续波、脉冲或其他类型的雷达。在脉冲雷达的情况下，每个单元的长度差异将在雷达接收器中产生不同的延迟。

图6A示出了根据本发明的一个实施例的存在于单元阵列320前面的目标390的示意图。目标390将阻挡一些单元，并且单元阵列320的其他单元可以保持打开。当用尺寸等于或大于单元阵列的光束照射目标和单元时，仅对应于保持打开的单元的一些拍频510(f_b)或延迟(t_r)将在雷达接收器产生相应的信号。根据本发明的一个实施例，为频率调制连续波雷达产生的拍频如图6B所示。由于单元的位置是已知的和预先确定的，因此可以形成目标的图像650，如图6C所示。

目标与单元之间的距离不限于任何特定值。然而，近距离是优选的，以避免衍射效应，其中被目标阻挡而不能直接观察的单元会设法将一些能量反射回雷达。

实际上，从结构中的所有单元反射回的集合场是天线阵列的孔径场。因此，可以随机分布每个单元的真实延迟的长度，以便在该孔径上产生随机相位分布。以这种方式，最小化会减少向雷达的接收天线传播的功率的光束偏移的可能性。

阵列的其他配置也是可能的。在一个实施例中，如图7D所示，根据本发明的一个实施例，图4中出现的直长波导可以用具有扁平波导曲折隧道的更紧凑的结构代替。该器件的顶层710如图7A所示。该顶层710具有用作单元天线的一组四乘四的开口波导。该器件的中间层720如图7B所示。该层具有从单元天线到真实延迟的分配隧道，在本实施例中，它们是波导隧道。在该实施例中，波导隧道是薄隧道。在图7C中可以看到真实延迟的底层730。注意，中间层720的波导隧道的组合延迟和底层730的真实延迟给出了单元阵列320的真实延迟的已知延迟值。所有组合的层可以在图7D中看到，其产生单元阵列320。

图8A示出了根据本发明的一个实施例的由连接到具有由入射场照射的不同长度的八个波导的八个开口波导天线组成的单元阵列320。照射代表雷达发射的信号。通过将每个波导短路到所需长度来实现不同长度的波导。反射波的空间图案如图8B所示。该空间模式显示每个单元捕获到照射波并根据真实延迟的长度重新发送波。利用诸如脉冲信号或连续波信号的雷达信号照射一个多单元结构，产生各种输出信号，例如延迟脉冲或拍频，从中可以产生雷达图像或目标轮廓。注意，在一个实施例中，选择波导之间的长度差异，使得重新发射的能量被转向30度，如图8C所示。也就是说，可以有目的地引入每个单元中的相移以改变重新发射的信号的方向。然而，就单元之间的相移而言，单元可以随机分布，以避免反射波的波束控制。可以根据需要减小图8B中所见的波导后面的相对高的散射场强度。这种减少可以通过在单元孔径周围放置雷达吸收材料来实现。

除了从目标和结构反射的频率之外，反射波的幅度可以用于获得关于目标的附加信息。在频率调制连续波雷达的情况下，当单元被部分阻挡时，所接收的对应于特定单元的频率可能具有较低的幅度。衰减程度可以帮助确定目标阻挡的程度。衰减信号还可用于进一步增强超出单元尺寸的空间分辨率。信号衰减也可用于检测材料特性。对于高导电金属目标，被阻挡的单元将释放很少或几乎不释放能量。如果目标是由其他仅部分吸收的材料制成，则被目标阻挡的单元可能能够将一些能量反射回雷达。以这种方式，该***可用于表征目标的材料成分，特别是在雷达工作频率下。注意，部分透明的物体不会阻挡雷达波束，从而允许出现相应的返回信号(例如，频率调制连续波雷达中的拍频分量或脉冲雷达中的延迟脉冲)，尽管是衰减的。如果考虑幅度信息，则仍然通过注意到相应的频率由于衰减而以较低的功率返回来生成目标对象的图像。衰减信号可以提供关于物体透明度的信息，其由材料、其厚度和形状决定。

该***还可以帮助确定目标厚度。返回信号的特征将取决于某些材料的目标厚度。在部分阻挡或部分透明的单元的情况下，产生参考频率信号和对应于向单元多次来回传播的能量的附加拍频信号。在这些情况下，该信息可用于确定目标厚度。此外，在连续波雷达的情况下，部分被阻挡的单元可以产生频率，该频率对应于在被雷达接收之前多次往返于单元来回传播的波的频率。这些频率将表明它们未被完全阻挡，将空间分辨率提高到小于单元尺寸的尺寸。如果阻挡物体距延迟线孔径的距离短于波长，并且如果延迟线本身的孔径尺寸小于波长，则可以获得比波长更好的空间分辨率。只要延迟线能够在给定的小孔径尺寸下引导波，则空间分辨率的限制是孔径尺寸。

单元阵列320还可以被配置为创建类似条形码的器件。根据本发明的一个实施例的类似条形码的器件如图9所示。该薄型(low-profile)器件具有九个贴片天线和九条印刷传输线，每条传输线连接到天线。通过使用相控阵列或焦平面阵列，雷达的光束可以聚焦或分别指向任何单元。在这种情况下，可以实现诸如无线条形码的其他应用。因为光束指向特定单元并读取其延迟，每个单元可以连接到一特定长度，并且允许在真实延迟长度之间重复，从而基于延迟产生数值。这些数值可以组合成条形码值。由于即使具有较少数量的单元，可能性的总数也非常大，因此可以实现类似条形码的器件。

根据本发明的一个实施例的用于改善小于单元阵列的目标的分辨率的方法在图10中示出。如果小目标放置在多单元结构的前面并且仅阻挡较小数目的单元，如图所示，通过添加第一透镜910和第二透镜920，将目标390放置在透镜之间，并将单元阵列320定位在第二透镜920之后，可以提高所形成图像的分辨率。通过这种方式，目标在单元上的投射形状更大，并且更多单元被有效阻挡。与没有透镜的情况相比，该透镜***导致图像分辨率的提高。

尽管已经描述了本发明的特定实施例，但是本领域技术人员将理解，存在等同于所描述的实施例的其他实施例。因此，应该理解，本发明不受具体示出的实施例的限制，而是仅受所附权利要求的范围的限制。

虽然本发明的前述书面描述使普通技术人员能够制作和使用目前被认为是其最佳模式的内容，但普通技术人员将理解并明白存在本文的具体实施例、方法和示例的变体、组合和等同物。因此，本发明不应受上述实施例、方法和示例的限制，而应受本发明范围内的所有实施例和方法的限制。在理解或完成本发明公开内容所必需的程度上，本文提及的所有出版物、专利和专利申请均通过引用明确地并入本文，其程度如同每个单独地如此并入。

已经如此描述了本发明的示例性实施例，本领域技术人员将理解，所公开的内容仅是示例性的，并且可以在本发明的范围内进行各种其他替换、改编和修改。因此，本发明不限于这里所示的特定实施例，而是仅受所附权利要求的限制。

Claims (20)

1.一种成像装置，所述装置包括：

雷达发射器，被配置为发射雷达信号；

单元阵列，放置在要成像的目标后面，所述目标放置在所述雷达发射器和所述单元阵列之间，所述单元阵列包括：

第一单元，包括第一天线和第一延迟元件，其中所述第一单元被配置为从所述雷达发射器接收所述雷达信号，并在所述第一延迟元件的第一已知时间延迟之后重新发射所述雷达信号；以及

雷达接收器，被配置为从所述第一单元接收所述重新发射的雷达信号。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述第一延迟元件是真实延迟。

3.如权利要求1或2所述的装置，其中所述雷达接收器执行以下步骤：

确定第一像素值，其中所述第一像素值基于所述第一已知时间延迟和所述接收的重新发射的雷达信号的幅度；

基于所述第一单元的位置对所述第一像素值的图像位置进行着色。

4.如权利要求1或2所述的装置，其中，所述雷达发射器是连续波发射器，并且所述第一单元被配置为从所述发射的雷达信号和所述重新发射的雷达信号在雷达接收器处产生已知的拍频。

5.如权利要求1或2所述的装置，其中，所述雷达信号发射器是脉冲发射器，并且所述雷达接收器通过利用所述第一已知时间延迟确定所述重新发射的雷达信号的幅度来构建所述目标的图像。

6.如权利要求1或2所述的装置，还包括第二单元，其中所述第二单元包括第二天线和第二延迟元件，并且其中所述第二单元被配置为从所述雷达发射器接收所述雷达信号并在来自所述第二延迟元件的第二已知时间延迟之后重新发射所述雷达信号。

7.如权利要求1或2所述的装置，其中所述第一天线包括波导天线，所述第一延迟元件包括波导。

8.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一天线包括贴片天线，并且所述第一延迟元件包括微带线。

9.如权利要求1所述的装置，还包括第一透镜和第二透镜，其中所述第一透镜和所述第二透镜位于所述第一单元和所述雷达发射器之间。

10.一种成像方法，所述方法包括：

通过雷达发射器发射第一雷达信号；

在第一单元的第一天线接收所述雷达信号的至少一部分；

由第一延迟元件根据接收到的所述雷达信号的至少一部分产生第一时间延迟信号；

由第一单元的第一天线重新发射所述第一时间延迟信号；

由雷达接收器接收所述第一时间延迟信号的至少一部分；以及

构建图像，其中构建图像包括基于所述第一时间延迟信号的存在而确定目标的不存在以及基于所述第一时间延迟信号的不存在而确定目标的存在。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述第一延迟元件是真实延迟。

12.如权利要求10或11所述的方法，其中所述构建图像包括：

确定第一像素值，其中所述第一像素值基于第一已知时间延迟；以及

基于所述第一单元天线的第一位置对所述第一像素值的图像位置进行着色。

13.一种用于成像的***，所述***包括：

雷达和单元阵列，

其中所述雷达包括雷达发射器和雷达接收器，其中所述雷达发射器被配置为产生雷达信号；以及

其中所述单元阵列包括第一单元和第二单元，其中所述第一单元包括第一天线和连接到所述第一天线的第一延迟元件，其中，所述第一天线和所述第一延迟元件被配置为接收所述雷达信号，由所述第一延迟元件产生第一时间延迟雷达信号，并发送所述第一时间延迟雷达信号，使得所述第一时间延迟雷达信号的至少一部分入射到所述雷达接收器上，其中所述第二单元包括第二天线和连接到所述第二天线的第二延迟元件，其中所述第二天线和所述第二延迟元件被配置为接收所述雷达信号，由所述第二延迟元件产生第二时间延迟雷达信号，并发送所述第二时间延迟雷达信号，使得所述第二时间延迟雷达信号的至少一部分入射到所述雷达接收器上。

14.如权利要求13所述的***，其中所述第一延迟元件是第一真实延迟，以及，所述第二延迟元件是第二真实延迟。

15.如权利要求13或14所述的***，其中所述雷达接收器通过下列步骤构建雷达图像：

确定第一像素值，其中所述第一像素值基于第一已知时间延迟；

确定第二像素值，其中所述第二像素值基于第二已知时间延迟；以及

通过基于所述第一单元的位置对所述第一像素值的第一图像位置进行着色以及基于所述第二单元的位置对所述第二像素值的第二图像位置进行着色，将所述第一像素值和所述第二像素值排列进图像中。

16.如权利要求13或14所述的***，其中

雷达发射器被配置为在第一单元处引导第一波束并在第二单元处引导第二波束；以及

所述雷达接收器被配置为基于所述第一时间延迟雷达信号记录第一数值，基于所述第二时间延迟雷达信号记录第二数值，并将所述第一数值和所述第二数值组合成电子条形码值。

17.如权利要求14所述的***，其中，所述第一天线和所述第二天线位于第一层上，并且所述第一真实延迟和所述第二真实延迟位于第二层上。

18.如权利要求17所述的***，其中所述第一天线通过第一薄隧道波导连接到所述第一真实延迟，并且所述第二天线通过第二薄隧道波导连接到所述第二真实延迟。

19.如权利要求13或14所述的***，其中，所述雷达发射器是连续波发射器，所述第一单元被配置为在所述雷达接收器处产生第一已知拍频，并且所述第二单元被配置为在所述雷达接收器产生第二已知拍频。

20.如权利要求13或14所述的***，其中，所述第一天线包括波导天线，并且所述第一延迟元件包括波导，并且其中，所述第二天线包括波导天线，并且所述第二延迟元件包括波导。

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