由带限的核及稀疏的扩频序列构建的可变长度的测距及测向信号的制作方法
【专利摘要】为了产生一个用于测距的脉冲，一个核与扩频序列进行卷积。该扩频序列是由一个或多个有序的(长度，稀疏性)对所参数化，使得第一稀疏性不同于该核的该位长和/或后续的稀疏性不同于刚刚先前的长度与刚刚先前的稀疏性的乘积。另外，一个核与多个有序的扩频序列进行卷积，除了第一个可以是非二进制的。所述脉冲朝着目标发出。从目标的反射被转换为一接收的反射，其由反卷积该扩频序列所压缩，及后处理以提供到该目标的距离和/或由目标而来的方向。
【专利说明】由带限的核及稀疏的扩频序列构建的可变长度的测距及测
向信号
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种信号，例如用于测距及测向以将表面或物体成像的雷达信号，且特别涉及一种其长度及带宽是被独立参数化的信号。这些信号可用在测距及测向装置，例如具有单一或多个发送机及接收器的雷达或者它的声学的同等物。
【背景技术】
[0002]脉冲信号，例如射频(RF)信号及声音信号通常通常是用于判定一个目标的距离与方向。接收从目标而来的所述信号的反射，到该目标的距离可推论为往返行进时间与所述信号在传播至及返回该目标的媒介的速度的乘积。到来的方向(DOA)可被识别，例如可从接收器阵列的多个接收器的不同到达时间。被纳入参考的所有目的犹如完全阐明于此的同时待决专利申请美国专利第10/571,693号教导了一种从一筒仓的顶部传送声音信号并在所述筒仓的顶部接收从该筒仓内容物返回的该信号的回声，以量测筒仓的内容物的顶部的形状，以推断筒仓内容物的体积。图1显示一个这样的筒仓100的剖面图。此申请的脉冲信号测距及测向是复杂的难题，包括:
[0003](i)所述筒仓内容物的上表面104a或104b可位于距该声音发送器及接收器各种距离。所述距离在一个大范围中变化:从几十公分(104a)到几十公尺(104b)。如此造成下列的次要难题:
[0004]1-Ι:对于微弱到达的反射脉冲的信号噪音比(SNR)增强的需要。
[0005]1-2:对于不同长度的脉冲的需要。
[0006]对于SNR增强的需要，除了上述的声波路径的宽动态范围之外，还跟随着下列问题:
[0007](A)特定的筒仓内容物表面几何形状及/或特定的几何形状的筒仓壁和/或由种筒仓内容物的于各颗粒度。特别是，由于特定的环境因素，如果上述的几何反射的声线轨迹未击中该接收器，且只有微弱的漫散射线到达接收器，因此信噪比扩增的要求变得更加迫切。
[0008](B)位于筒仓内的噪声。
[0009](ii)在许多情况下，信号的传输在接收器开始获得信号的过程之前终止，是所希望的。否则，强的发射信号泄漏到所述声音接收器如同一个大的噪声加到所述接收的可能的弱反射信号，而其的参数是想要被量测的。这救大大的复杂化这样的程序。若为了波束成形，收发器作为发送器及接收器两者，例如在美国专利第10/571,693号，它也减少了作为接收器的收发器的数量，因为几个收发器将仍用于传输，这也使得不可能使用所有收发器去同时发送而建立一个空间上的尖锐波束。因此，对于这些和其他技术方面的原因，发送和接收的在时间上的分离是至关重要的。这就导致发射脉冲的长度[等于传输时间乘以声速]稍短于至筒仓的内容的上表面的距离的需求。这种约束对于筒仓测量是必不可少的，然而它是不存在的，例如从“标准”的应用，如射频雷达如飞机的目标，是远离测距仪。[0010](iii)代表性地，如图2所示，该发射的声音信号110在筒仓100中返回至接收器106并非如同一个单一脉冲而是如同多个反射112、114的总和[或者“列车”]。这种多路径现象在音乐声学也被称为反响。它提出了鉴别不同反射[特别是，对于在筒仓内容物上表面的点映射]的挑战。特别是，有一个没有长尾或波纹的短时间信号是希望的，因为一个反射信号的尾部或波纹可能混合另一个反射信号且覆盖或“伪装”成其他反射信号，从而使鉴别的两个反射信号成为不确定的或不可能的。因此:接收到的脉冲在时间上的良好的分离[预处理之后]是必需的，到达时间(TOA)测定和DOA测定和输出脉冲[再次，在预处理之后]需要在尽可能短的时间实现良好的分辨率和具有很小的峰-波纹比率的尾巴。下面通过发射脉冲的创新设计和创新脉冲处理解决这一难题。
[0011]"预处理"一词意味着中间处理步骤。在典型的先前技术的一般雷达或通信系统中包括例如匹配滤波(MF)[信号脉冲与本身的相关性，其为脉冲压缩的示例]的应用程序或其他类型的降低了侧边凸出的滤波，如不匹配滤波的应用程序。
[0012](iv)此外，所述发射的声音脉冲必须带限。这是由以下几个原因。第一原因是关于声音天线(例如，喇叭天线)及该声音变换器的[电气-机械]驱动器的传递函数，因为频域中传输的总传递函数的高衰减是浪费能量的，且导致信号形状的变形。第二原因是涉及在筒仓的声音噪声典型地，在低频[通常小于I千赫]中所述噪声预期是高的，因而信号频谱需要从这些区域分隔。
[0013]请注意，在典型的筒仓中对于声音测距仪，由于物料表面的缓慢移动及千赫范围的载波频率，信号频率偏移的多普勒效应并不是一个问题。例如，对于I厘米/秒的移动和5千赫的载波，且假设340米/秒的声速，所述频率偏移约为0.01/340*5000=0.14赫，其是可以忽略的。
[0014]下面使用以下符号:.[0015](A) Z变换及稀疏性
[0016]序列的z变换的标准符号使用如下。例如，巴克(Barker) 5序列[I I 1-1 I]的z变换为
[0017]b5 (z) =l+z_1+z_2-z_3+z-4
[0018]所述符号b5(z3°)意指:
[0019]b5 (z30) =l+Z-30+Z-60-Z-90+Z-120
[0020]此即只具有五个非零值且彼此等距离的长度121的一个稀疏序列的z变换。值30为已经从原来的序列[I 11-11]创建的新的序列的“稀疏性”。所述原来的巴克5序列具有I的稀疏性。单位稀疏性的这样的原来序列也都在本文中称为“模板”，其来自稀疏序列。在此例中，b5 (z) % b5(z30)的模板。
[0021](B)卷积
[0022]本文所用几种关于卷积的符号。信号处理文献中，这些所有的符号都是标准的。
[0023]“?”意指卷积。例如，如果 sl=[l，2]和 s2=[l，2，3],然后^1物2=[1,4,7,6]。另一种符号是C=Conv(sl，s2)。在z变换域中，z变换的c为si和s2的z变换的乘积。
[0024](C)匹配滤波
[0025]MF(…)意指在一序列的匹配滤波操作。例如，对于序列[abed e], MF([a b cd e]) = [e* d* c* b* a*];其中意指对于复数值部分的共轭。对于实数值序列，MF(...)等同于该序列的时间反转(或指数反转)。
[0026]下面的参考文献提供测距脉冲结构及处理的现有技术的背景:
[0027][巴克(Barker)1953年]Barker, R.H: “二进制数字系统的群组同步” inJackson, W，(Ed):通讯理论(巴特沃斯，伦敦，1953年)，273-287页。
[0028][博尔文(B0RWEIN) 2008 年]Borwein P., and Mossinghoff M.J.,巴克序列及平面多项式(with P.Borwein),数论与多项式(英国布里斯托尔，2006年)，J.McKee andC.Smyth, eds., London Math.Soc.Lecture Note Ser.352,剑桥大学.出版社,2008 年。
[0029][陈(CHEN)2002 年]Chen, R., and Cantrell B: “高限带雷达信号，，，Proceedingsof the 2002 IEEE雷达会议，长滩，加利福尼亚州，2002年04月22-25日,220-226。
[0030][莱文农(LEVAN0N) 2OO4年]Levanon N., and Mozeson E:雷达信号，Wiley&Sons,纽约，2004年，十四+411页。
[0031][莱文农(LEVAN0N)2005年]Levanon N: “具有较长的不匹配滤波器之长二进制信号的交叉相关”，IEE Proc.-雷达，声纳和导航，152 (6)，372-382页，2005年。
[0032][纳塔森(NATHANS0N) 1999 年]Nathanson F.E.，Reilly J.P.，cohen M.N.: “雷达的设计原则:信号处理与环境”，第二版，赛特出版社，1999年，720页。
[0033]相位编码测距脉冲的常规结构
[0034]在基带(“BB”)表示法中，相位编码测距脉冲表达为一种多个时间连续的基带形状[或函数]W(Vtb)的加权和，其为以“比特(bit)”时间tb彼此相等距离，[莱文农2004，第六节]:
[0035]
【权利要求】
1.一种发送器，其特征在于，包括: (a)一脉冲整形器，用于产生一输入脉冲，其为由位长参数化的核以及由扩展长度及稀疏性组成的至少一参数对参数化的扩频序列的卷积，其中所述位长及所述至少一参数对形成一有序集合，其满足至少一条件，其由下列的群组所构成: (i)第一所述稀疏性不同于所述位长以及 (?)若所述有序集合包括多个所述扩展长度及所述稀疏性，则所述所述稀疏性之后的至少一所述稀疏性不同于一刚在先的扩展长度及一刚在先的稀疏性的乘积； (b)一机制，用于转换所述输入脉冲至一发射脉冲；以及 (c)一变换器，用于发出所述发射脉冲作为传播在媒介中的信号。
2.根据权利要求1所述的发送器，其特征在于，所述输入脉冲是一个基带脉冲，且其中所述机制包括一调制器，其用于调制具有所述基带脉冲一波载。
3.根据权利要求1所述的发送器，其特征在于，所述输入脉冲是一个通带脉冲，且其中所述机制包括一数模转换器。
4.根据权利要求1所述的发送器，其特征在于，所述扩频序列是由多个所述参数对所参数化。
5.根据权利要求1所述的发送器，其特征在于，所述扩频序列是多个扩展函数的卷积，其中每一所述扩展函数是由一各自的所述参数对所参数化。
6.根据权利要求5所述的发送器，其特征在于，所述脉冲整形器可操作去产生所述输入脉冲，由在数量上等于所述多个扩展函数的多个卷积，一第一所述卷积是所述核与一第一所述扩展函数的一卷积，且 每个后续的卷积是刚刚先前的卷积的输出与下一个所述扩展函数的一卷积。
7.根据权利要求1所述的发送器，其特征在于，所述信号为电磁的。
8.根据权利要求1所述的发送器，其特征在于，所述信号为声音的。
9.一种非接触检测装置，其特征在于，包括: (a)一发送器，其包括一脉冲整形器，用于产生一输入脉冲而被转换成一发射脉冲，其被发射以作为在一媒介传播且朝向一目标的一信号，所述输入脉冲为由位长参数化的核以及由扩展长度及稀疏性组成的至少一参数对参数化的扩频序列的卷积，其中所述核长及所述至少一参数对形成一有序的集合，其满足至少一条件，其由下列的群组所构成: (i)第一所述稀疏性不同于所述位长以及 (?)若所述有序集合包括多个所述扩展长度及所述稀疏性，则所述所述稀疏性之后的至少一所述稀疏性不同于一刚在先的扩展长度及一刚在先的稀疏性的乘积；以及 (b)一接收器，包括: (i)至少一变换器，用于耦合到所述媒介来接收从所述目标的所述信号的各自的反射， (?)对于每一所述变换器: (A)一机制，用于转换所述各自接收的反射为所述输入脉冲的一各自接收的表示，以及 (B)一脉冲压缩器，用于从所述输入脉冲的所述各个接收的表示反卷积所述扩频序列，从而提供各自的压缩脉冲，以及 (iii)一后处理器，用于后处理所述至少一各自的压缩脉冲。
10.根据权利要求9所述的检测装置，其特征在于，所述扩频序列是多个扩展函数的卷积，其中每一所述扩展函数是由一各自的所述参数对所参数化，且其中每一所述脉冲压缩器可操作去反卷积由所述输入脉冲的所述各个接收的表示的所述扩频序列，通过由在数量上等于述多个扩展函数的多个反卷积，一第一所述反卷积是由所述输入脉冲的所述各个接收的表示的一最后的扩频序列的一反卷积，且每一后续的反卷积是由刚刚先前的反卷积的输出的一个先前所述扩展函数的一反卷积。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，每一所述反卷积是有效的通过使用一各自的钥匙，其中它的稀疏性等于所述各自的钥匙反卷积的所述扩频序列的所述稀疏性。
12.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述输入脉冲是一个基带脉冲，且其中所述机制包括一解调器，其用于解调所述各自接收的反射。
13.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述输入脉冲是一个通带脉冲，且其中所述机制包括一模数转换器。
14.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述后处理是用于获得从所述发送器通过所示目标到每一所述至少一变换器的一各自的行进时间，并用于从所述至少一变换器的一各自的行进时间推断到所述目标的一距离。
15.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述后处理是用于获得所述至少一接收的反射的一到来的方向。
16.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述信号为电磁的。
17.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述信号为声音的。
18.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述反卷积有效的通过使用一匹配滤波器。
19.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述反卷积有效的通过使用一不匹配滤波器。
20.一种发送信号进入媒介的方法，其特征在于，包括下列步骤: (a)产生一输入脉冲，其为由位长参数化的核以及由扩展长度及稀疏性组成的至少一参数对参数化的扩频序列的卷积，其中所述位长及所述至少一参数对形成一有序的集合，其满足至少一条件，其由下列的群组所构成: (i)第一所述稀疏性不同于所述位长以及 (?)若所述有序集合包括多个所述扩展长度及所述稀疏性，则所述所述稀疏性之后的至少一所述稀疏性不同于一刚在先的扩展长度及一刚在先的稀疏性的乘积； (b)转换所述输入脉冲至一发射脉冲；以及 (c)发出所述发射脉冲进入所述媒介作为所述信号。
21.一种目标的非接触检测方法，其特征在于，包括下列步骤: (a)产生一输入脉冲，其为由位长参数化的核以及由扩展长度及稀疏性组成的至少一参数对参数化的扩频序列的卷积，其中所述位长及所述至少一参数对形成一有序的集合，其满足至少一条件，其由下列的群组所构成: (i)第一所述稀疏性不同于所述位长以及 (?)若所述有序集合包括多个所述扩展长度及所述稀疏性，则所述所述稀疏性之后的至少一所述稀疏性不同于一刚在先的扩展长度及一刚在先的稀疏性的乘积； (b)转换所述输入脉冲至一发射脉冲；以及(c)发出所述发射脉冲作为传播在媒介中且朝着所述目标的信号。 (d)接收从所述目标的所述信号的至少一反射； (e)对于每一所述接收的反射: (i)转换所述每一接收的反射为所述输入脉冲的一各自接收的表示，以及 (?)压缩所述输入脉冲的所述各自接收的表示，通过反卷积由所述输入脉冲的所述各个接收的表示的所述扩频序列，从而提供一各自的压缩脉冲；以及 (f)后处理所述至少一压缩脉冲。
22.一种发送器，其特征在于，包括: (a)一脉冲整形器，用于产生输入脉冲，其为一核与有序的多个扩频序列的一卷积，其中在一第一所述扩频序列后续的至少一扩频序列不是二进制序列； (b)一机制 ，用于转换所述输入脉冲至一发射脉冲；以及 (c)一变换器，用于发出所述发射脉冲作为传播在媒介中的信号。
23.根据权利要求22所述的发送器，其特征在于，所述输入脉冲是一个基带脉冲，且其中所述机制包括一调制器，其用于调制具有所述基带脉冲一波载。
24.根据权利要求22所述的发送器，其特征在于，所述输入脉冲是一个通带脉冲，且其中所述机制包括一数模转换器。
25.一种非接触检测装置，其特征在于，包括: (a)一发送器，其包括一脉冲整形器，用于产生一输入脉冲而被转换成一发射脉冲，其被发射以作为在一媒介传播且朝向一目标的一信号，所述输入脉冲是一核与有序的多个扩频序列的一卷积，其中在一第一所述扩频序列后续的至少一扩频序列不是二进制序列；以及 (b)一接收器，包括: (i)至少一变换器，用于耦合到所述媒介来接收从所述目标的所述信号的各自的反射， (?)对于每一所述变换器: (A)一机制，用于转换所述各自接收的反射以提供所述输入脉冲的一各自接收的表示，以及 (B)一脉冲压缩器，用于从所述输入脉冲的所述各个接收的表示反卷积所述扩频序列，从而提供各自的压缩脉冲，以及 (iv)一后处理器，用于后处理所述至少一压缩脉冲。
26.根据权利要求25所述的装置，其特征在于，所述输入脉冲是一个基带脉冲，且其中所述机制包括一解调器，其用于解调所述各自接收的反射。
27.根据权利要求25所述的装置，其特征在于，所述输入脉冲是一个通带脉冲，且其中所述机制包括一模数转换器。
28.根据权利要求25所述的装置，其特征在于，所述后处理是用于获得从所述发送器通过所示目标到每一所述至少一变换器的一各自的行进时间，并用于从所述至少一变换器的一各自的行进时间推断到所述目标的一距离。
29.根据权利要求25所述的装置，其特征在于，所述后处理是用于获得所述至少一接收的反射的一到来的方向。
30.一种发送信号进入媒介的方法，其特征在于，包括下列步骤:(a)产生一输入脉冲，其为一核与有序的多个扩频序列的一卷积，其中在一第一所述扩频序列后续的至少一扩频序列不是二进制序列； (b)转换所述输入脉冲至一发射脉冲；以及 (c)发出所述发射脉冲进入所述媒介作为所述信号。
31.一种目标的非接触检测方法，其特征在于，包括下列步骤: (a)产生一输入脉冲，其为一核与有序的多个扩频序列的一卷积，其中在一第一所述扩频序列后续的至少一扩频序列不是二进制序列； (b)转换所述输入脉冲至一发射脉冲；以及 (c)发出所述发射脉冲作为传播在媒介中且朝着所述目标的信号。 (d)接收从所述目标的所述信号的至少一反射； (e)对于每一所述接收的反射: (i)转换所述每一接收的反射为所述输入脉冲的一各自接收的表示，以及(?)压缩所述输入脉冲的所述各自接收的表示，通过反卷积由所述输入脉冲的所述各个接收的表示的所述扩频序列，从而提供一各自的压缩脉冲；以及 (f)后处理所述至少一压缩脉冲。
32.—种发送信号进入媒介的方法，其特征在于，包括下列步骤: (a)选择一输入脉冲的一所 需的长度； (b)选择一核及一扩频序列，使得当所述核与在所述扩频序列没有嵌套所述核的所述扩频序列卷积时，所述卷积的输出为具有所述所需的长度的所述输入脉冲； (c)产生所述输入脉冲； (d)转换所述输入脉冲为一发射脉冲；以及 (e)发出所述发射脉冲进入所述媒介作为所述信号。
33.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，所述扩频序列是由至少一稀疏性所参数化。
34.一种发送信号进入媒介的方法，其特征在于，包括下列步骤: (a)产生一输入脉冲，通过卷积一核与一扩频序列，其选择使得为所述输入脉冲超过所述核的长度的一长度并不是由所述核的所述长度决定的； (b)转换所述输入脉冲为一发射脉冲；以及 (c)发出所述发射脉冲进入所述媒介作为所述信号。
【文档编号】H03K5/01GK103430043SQ201280011529
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2012年2月16日 优先权日:2011年3月7日
【发明者】亚历克斯·契斯基司 申请人:Apm自动化解决方案有限公司