Устройство для измерения сверхвысокочастотных сигналов и способ его конфигурирования - RU2634748C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к устройству для мультистатических измерений сверхвысокочастотных (СВЧ) сигналов с антенным устройством, которое содержит несколько антенных кластеров и к способу выполнения устройства.

Устройства для мультистатических измерений сверхвысокочастотных (СВЧ) сигналов, также часто называемые сканерами миллиметровых волн, используются, например, для исследования материалов или в качестве томографов. В случае мультистатических измерений антенный элемент передает СВЧ-сигналы, которые, после отражения от исследуемого объекта, принимаются всеми принимающими антеннами. Последовательно или также параллельно, каждая из доступных передающих антенн передает сигнал, который принимается всеми приемными антеннами и затем оценивается. Определяются фаза и амплитуда принятых сигналов, и, например, при помощи программных алгоритмов, изучается отражающая пространственная точка. Соответственно, собирается множество результатов измерений в пространственной области, таким образом, может воссоздаваться точное изображение объекта в пределах данной области.

Сканер миллиметровых волн, который работает согласно описанному способу мультистатических измерений, известен из DE 102011005145 A1. Данный миллиметровый сканер (миллиметрового диапазона волн) содержит антенное устройство, состоящее из одного или нескольких антенных кластеров. В данном контексте антенный кластер содержит несколько передающих антенн, которые устанавливаются в пределах заранее определенной области, а также ряд приемных антенн, которые устанавливаются в другой области. Посредством взаимосвязи нескольких антенных кластеров достигается относительно большая ширина отверстия, также называемая апертурой, антенного устройства для исследования относительно большой пространственной области без необходимости изменять положение антенного кластера в пространстве.

Недостаток такого измерительного устройства заключается в том, что измеряется чрезвычайно большое количество измеряемых значений, которые получаются от количества комбинаций каждой передающей антенны с каждой приемной антенной, и, соответственно, предъявляет высокие требования к измерительной электронике и оценочной способности. Последнее, в частности, требует большой вычислительной мощности оценочного устройства и связано с большой стоимостью измерительных устройств и/или с продолжительностью времени оценки.

В связи с этим, целью настоящего изобретения является создание устройства для измерения СВЧ-сигналов и способа его конфигурации, который позволяет создавать изображение с относительно низкими требованиями к вычислительным затратам и, соответственно, является выигрышным по стоимости и оперативности.

Цель достигается посредством способа в соответствии с изобретением, как определено в пункте 1 формулы изобретения, и посредством устройства в соответствии с изобретением, как определено в пункте 10 формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы изобретения описываются дополнительные предпочтительные разработки способа в соответствии с изобретением, касающегося устройства в соответствии с изобретением.

Способ в соответствии с изобретением для конфигурации измерительного устройства с антенным устройством, который образуется из нескольких антенных кластеров, где каждый антенный кластер содержит несколько передающих антенн и несколько приемных антенн, и отличается образованием конфигурационных групп и относящихся к ним групповых апертур. В данном случае, конфигурационная группа конфигурируется путем размещения подгруппы антенных кластеров антенного устройства в конфигурационную группу. По меньшей мере одна подгруппа антенных кластеров конфигурационной группы в данном случае конфигурируется в качестве приемного кластера, в который активируются исключительно приемные антенны антенного кластера, и по меньшей мере подгруппа антенных кластеров конфигурационной группы конфигурируется в качестве передающего кластера посредством активации передающих антенн. СВЧ-сигналы, излучаемые всеми передающими антеннами всех передающих кластеров конфигурационной группы и отражаемые от объекта, измеряются каждой приемной антенной приемного кластера конфигурационной группы.

Таким образом, сокращается количество сигналов, которые необходимо оценить, поскольку количество комбинаций передатчика-приемника сокращается благодаря относительно небольшому количеству передающих и приемных антенн. Соответственно, посредством количества и расположения антенных кластеров в конфигурационной группе формируется групповая апертура, которая используется для обнаружения объекта. Антенное устройство в отношении активной части антенного устройства можно, таким образом, согласовать предпочтительным способом по размеру и положению исследуемого объекта. Можно образовать апертуры с разными размерами и контурами, особенно посредством комбинации нескольких конфигурационных групп. В связи с этим, стоимость измерения и оценки, а также продолжительность создания изображения, снижается.

Дополнительная предпочтительная разработка достигается только в случае, если один антенный кластер конфигурационной группе конфигурируется в качестве приемного кластера. В частности, это позволяет формировать унифицированный растр измеренных точек, чтобы можно было осуществить простую оценку и комбинацию нескольких изображений, созданных отдельными конфигурационными группами.

В частности предпочтительно, если передающие и приемные антенны одного антенного кластера устанавливаются таким образом, чтобы общее количество срединных точек путей, которые задаются (проводятся) от каждой передающей антенны антенного кластера к каждой приемной антенне антенного кластера, образуют двухмерный растр, который обеспечивает, в каждом случае, одинаковые расстояния в одном направлении протяженности для того, чтобы эффективный раскрыв создавался при помощи общего количества срединных точек. В частности, такая апертура позволяет создавать гомогенное изображение исследуемого объекта.

В предпочтительном варианте осуществления передающие кластеры и приемный кластер, соответственно приемные кластеры, конфигурационной группы размещаются в произвольном двухмерном растре, который обеспечивает одинаковые расстояния в каждом случае в одном направлении протяженности. При помощи соответствующего растрового размещения передающих и приемных кластеров в конфигурационной группе, эффективная раскрыв конфигурационной группы может, в свою очередь, образовываться простым образом.

В одном предпочтительном варианте осуществления несколько конфигурационных групп конфигурируются и пространственно размещаются таким образом, чтобы все групповые апертуры отдельных конфигурационных групп вместе образовывали общую, непрерывную когерентную апертуру. Таким образом, например, раскрыв антенного устройства, который, как описано в известном уровне техники, был передан всеми передающими антеннами и принят всеми приемными антеннами, соответственно, можно смоделировать посредством измерения сигналов. В данном случае, сохраняется кратная вычислительная способность, поскольку только приемные антенны, например, из одного приемного кластера конфигурационной группы, объединяются, соответственно измеренным (сигналам) передающими антеннами подгруппы антенных кластеров всего антенного устройства.

Для каждой отдельной конфигурационной группы изображение объекта, предпочтительно, воссоздается при помощи когерентной корреляции СВЧ-сигналов, излучаемых всеми передающими антеннами всех передающих кластеров конфигурационной группы, отраженных от объекта и принятых каждой приемной антенной приемного кластера конфигурационной группы. Таким образом, изображения нескольких конфигурационных групп могут воссоздаваться параллельно и, следовательно, полностью независимо друг от друга, а продолжительность оценки можно оптимизировать.

В одном предпочтительном варианте осуществления изображение пространственных точек предварительно заданной всегда одинаковой пространственной решетки воссоздается для каждой конфигурационной группы. Это дает преимущество в том, что при совмещении изображений разных смежных конфигурационных групп получаются изображения без пространственного смещения.

Также предпочтительно, если СВЧ-сигналы, измеренные в перекрывающейся области апертур нескольких конфигурационных групп, взвешиваются при помощи весового коэффициента. В случае общего изображения, которое комбинируется из изображений от нескольких конфигурационных групп, это приводит к равномерной «яркости», поскольку каждая измеренная точка основывается на одинаковом количестве измерений.

Также предпочтительно, если отражающий элемент размещается возле антенного устройства, параллельно краю одного или нескольких передающих кластеров и/или перпендикулярно плоскости групповой апертуры, а СВЧ-сигналы, отраженные от отражающего элемента, измеряются и воссоздаются в качестве сигналов от виртуальных передающих антенн передающего кластера, отраженных от отражающего элемента.

В соответствии с настоящим изобретением устройство для мультистатических измерений СВЧ-сигналов содержит антенное устройство, блок управления и оценочный блок. Антенное устройство содержит несколько антенных кластеров, где каждый антенный кластер предоставляет несколько передающих антенн и несколько приемных антенн. Блок управления выполняется таким образом, что подгруппу антенных кластеров можно назначать одной конфигурационной группе; причем по меньшей мере одна подгруппа антенных кластеров конфигурационной группы конфигурируется в качестве приемного кластера посредством активации приемных антенн антенного кластера; и по меньшей мере одна подгруппа антенных кластеров конфигурационной группы конфигурируется в качестве передающего кластера посредством активации передающих антенн; а оценочный блок выполняется таким образом, что СВЧ-сигналы, излучаемые всеми передающими антеннами всех передающих кластеров конфигурационных групп, отражаются от объекта и измеряются каждой приемной антенной приемных кластеров конфигурационной группы. Это позволяет согласовать апертуру измерительного устройства соответствующего объекта, что при исследовании соответственно существенно снижает нагрузку на оценочный блок.

В одном предпочтительном варианте осуществления, передающие антенны и приемные антенны одного антенного кластера измерительного устройства устанавливаются таким образом, чтобы совокупность срединных точек путей, которые задаются от каждой передающей антенны антенного кластера к каждой приемной антенне антенного кластера, образовывали двухмерный растр, который обеспечивает одинаковые расстояния в каждом случае в одном направлении протяженности (пути).

Предпочтительным вариантом осуществления измерительного устройства является вариант, если приемные антенны в одном антенном кластере размещаются в двух областях параллельно друг другу, а передающие антенны размещаются в двух параллельных областях перпендикулярно приемным антеннам в форме прямоугольника, предпочтительно квадрата, рамки. Еще один предпочтительный пример варианта осуществления антенного кластера, если приемные антенны размещаются в прямоугольной, предпочтительно квадратной, области, а одна или несколько передающих антенн размещаются в каждом случае снаружи каждого угла прямоугольной, предпочтительно квадратной, области. Антенный кластер инвертированной формы, в котором передающие антенны размещаются в прямоугольной, предпочтительно квадратной, области, а приемные антенны размещаются снаружи каждого угла квадратной области, также является предпочтительным.

Антенный кластер, в котором области с передающими антеннами и области с приемными антеннами размещаются со смещением относительно друг другу в виде шахматной доски, также является предпочтительным.

Особенно предпочтительно, если передающие антенны в антенном кластере размещаются точечно симметрично относительно срединной точки антенного кластера, а приемные антенны размещаются таким же образом, но повернуты на 90° по отношению к последним.

Все перечисленные варианты осуществления антенного кластера, формируют плотный эффективный раскрыв, которые, объединенные для образования конфигурационной группы, в свою очередь, обеспечивают эффективный раскрыв. Соответственно, обеспечивается равномерное сканирование исследуемого объекта.

В частности, предпочтительный вариант осуществления устройства получается, если отражательный элемент размещается рядом с антенным устройством параллельно краю одного или нескольких антенных кластеров и перпендикулярно плоскости групповой апертуры конфигурационной группы, а оценочный блок выполняется таким образом, что СВЧ-сигналы, отраженные от отражательного элемента, измеряются и воссоздаются, как сигналы, излученные от виртуальных передающих антенн передающего кластера, отраженные от отражательного элемента. Это позволяет апертуре расширяться за пределы общей апертуры физического антенного устройства и, соответственно, позволяет изучать исследуемый объект с более широким углом обзора. Это возможно без дополнительных передающих антенн, соответственно, передающих кластеров, только благодаря отражательному элементу.

Отражательный элемент предпочтительно размещается на расстоянии, которое соответствует половине шага растра между смежными передающими кластерами, от передающего кластера конфигурационной группы, смежного с отражательным элементом. При вышеупомянутом расстоянии антенное устройство и, в частности, конфигурационная группа оказываются расширенными при помощи одного или нескольких виртуальных передающих кластеров, которые размещаются согласно растру антенного устройства относительно его конфигурации.

Примерные варианты осуществления способа в соответствии с изобретением и устройства в соответствии с изобретением изображаются в качестве примера на чертежах, и будут поясняться более подробно на основании нижеследующего описания.

На чертежах показаны:

фиг.1A - первый пример варианта осуществления антенного кластера в соответствии с изобретением и область апертуры, заданная на плоскости согласно изобретению,

фиг.1B - второй пример варианта осуществления антенного кластера в соответствии с изобретением и область апертуры, заданная на плоскости согласно изобретению,

фиг.2 - третий пример варианта осуществления антенного кластера в соответствии с изобретением в схематическом представлении,

фиг.3 - четвертый пример варианта осуществления антенного кластера в соответствии с изобретением в схематическом представлении,

фиг.4 - пятый пример варианта осуществления антенного кластера в соответствии с изобретением в схематическом представлении,

фиг.5 - шестой пример варианта осуществления антенного кластера в соответствии с изобретением в схематическом представлении,

фиг.6 - седьмой пример варианта осуществления антенного кластера в соответствии с изобретением в схематическом представлении,

фиг.7 - пример варианта осуществления в соответствии с изобретением антенного устройства с конфигурационными группами в схематическом представлении,

фиг.8 - первый пример варианта осуществления конфигурационной группы в качестве основы для комбинированной общей апертуры антенного устройства в схематическом представлении,

фиг.9 - второй пример варианта осуществления конфигурационной группы, соответствующий фиг 8; и

фиг.10 - пример варианта осуществления измерительного устройства в соответствии с изобретением в схематическом представлении.

На основании фиг.1A и фиг.1B будет поясняться, каким образом получается эффективный раскрыв при размещении приемных и передающих антенн в случае мультистатических измерений. На фиг.2-6 описываются предпочтительные варианты осуществления; в каждом случае антенный кластер с эффективным раскрывом, как показано на фиг.1A и 1B. Со ссылкой на фиг.7, объясняется конструкция конфигурационных групп и их возможное расположение в антенном устройстве. Фиг.8 и 9 показывают предпочтительные конфигурационные группы для образования апертуры, охватывающей все антенное устройство. В завершение, конструкция соответствующего измерительного прибора будет поясняться с отсылкой на фиг.10.

Фиг.1 показывает антенный кластер 10 с несколькими приемными антеннами 11, которые размещаются на одинаковых расстояниях в ряд. Перпендикулярно им, также в ряд, устанавливаются передающие антенны 12 на одинаковом расстоянии друг от друга. Эффективная площадь раскрыва определяется через срединные точки 14 путей 18, которые задаются между возможными комбинациями передающих/приемных антенн. На фиг.1 изображаются все комбинации верхних пяти приемных антенн 11 с пятью боковыми передающими антеннами 12 с левой стороны. В данном случае, срединные точки 14 отмечаются в каждом случае черными квадратами. Они составляют эффективную зону 15 раскрыва. Антенный кластер с четырьмя дополнительными приемными антеннами, установленными параллельно верхним пяти приемным антеннам 11, и четырьмя передающими антеннами 12, параллельными передающим антеннам 12, изображенным с левой стороны, составляют эффективную зону 13 раскрыва.

Фиг.1B показывает антенный кластер 16 с пятью приемными антеннами 11, которые устанавливаются горизонтально в ряд и на одинаковых расстояниях. Перпендикулярно приемным антеннами 11 размещаются несколько передающих антенн 12 в ряд на одинаковых расстояниях и в горизонтальном направлении ниже приемных антенн 11 по середине. Эффективная зона 17 раскрыва в данном случае проходит от срединных точек 14 путей 18 между каждой комбинацией передающих/приемных антенн.

Эффективная площадь задается, если срединные точки 14 путей 18 в каждом случае располагаются на одинаковом расстоянии в одном направлении протяженности (пути), тогда как расстояния в других направлениях протяженности, например, x и y, могут быть одинаковыми или отличаться по размеру. Таким образом, расстояние между срединными точками 14 в направлении y, изображенное на фиг.2, может соответствовать значению «c». Расстояние «d» между, соответственно, смежными срединными точками в направлении x также является одинаковым, но может иметь другое значение, отличное от расстояния «c» срединных точек в направлении y.

Фиг.2 показывает пример варианта осуществления антенного кластера 20, в котором, аналогично фиг.1, передающие антенны 12 размещаются во взаимно параллельных противоположных областях 22, а приемные антенны 11 размещаются перпендикулярно последним в каждом случае в областях 21, размещенные взаимно параллельно соответствующим сторонам прямоугольника, предпочтительно, квадрата, рамки. Передающие антенны 12 в области 22 с передающими антеннами 12 можно в данном контексте разместить, например, в один или несколько параллельных рядов. Однако, передающие антенны 12 также можно разместить в другом регулярном размещении. Следовательно, ряд приемных антенн 11 размещается в области 21 исключительно с приемными антеннами 11, которые размещаются таким же или другим образом, как и передающие антенны 12 в области 22.

Фиг.3 показывает дополнительный пример варианта осуществления антенного кластера 30, в котором передающие антенны 12 размещаются точечно симметрично относительно срединной точки 35 антенного кластера 30, а приемные антенны 11 размещаются таким же образом, но повернуты на 90° относительно передающих антенн. В данном случае, например, область 32 с передающими антеннами располагается горизонтально. На концах области 32, располагаются области 34 с более короткими передающими антеннами, повернутыми на 90° в противоположном направлении. Область 31 с приемными антеннами поворачивается на 90° относительно последних возле срединной точки 35 горизонтально установленной области 32 с передающими антеннами. На концах области 31, располагаются области 33 с более короткими приемными антеннами, повернутыми на 90° в каждом случае в противоположном направлении.

Фиг.4 показывает пример варианта осуществления антенного кластера 40, в котором передающие антенны размещаются в прямоугольной, предпочтительно, квадратной центральной области 42, и снаружи каждого угла располагается область 41 с приемными антеннами, примыкающая к области 42. Область 42 с передающими антеннами, предпочтительно, содержит несколько передающих антенн, которые размещаются в ней, например, в форме двумерного растра. Область 41 с приемными антеннами, предпочтительно, содержит одну приемную антенну, но также может содержать несколько приемных антенн. На фиг.5 приемные антенны устанавливаются, например, в центральной области 51. Области 52, смежные с каждого угла, содержат передающие антенны. В противоположном случае, оба варианта осуществления антенных кластеров соответствуют друг другу.

Фиг.6 показывает шахматный структурированный антенный кластер 60 с областями с приемными антеннами 61 и областями с передающими антеннами 62, размещенными в каждом случае поочередно в направлении x и направлении y. Каждая область может содержать одну или несколько приемных, соответственно, передающих антенн.

В описанных схемах размещения используемых антенных кластеров, в которых передающие антенны 11 устанавливаются точечно симметрично относительно срединной точки антенного кластера, а приемные антенны устанавливаются таким же образом, как передающие антенны, но повернуты возле срединной точки на 90° относительно ее. В общем, в отношении всех описанных примерных вариантов осуществления антенных кластеров 20, 30, 40, 50, 60 эффективная зона раскрыва создается передающими и приемными антеннами.

Фиг.7 показывает пример варианта осуществления в соответствии с изобретением антенного устройства 100, в котором несколько антенных кластеров 101 размещаются в виде регулярного (правильного) растра на одной плоскости. В качестве примера антенный кластер 20, изображенный на фиг.2, показан как антенный кластер 101. Однако, произвольный антенный кластер, образующий эффективную зону раскрыва, а особенно вариант осуществления описанных антенных кластеров 30, 40, 50, 60, можно использовать для осуществления антенного устройства. Предпочтительно, вариант осуществления антенного кластера 101 используется в антенном устройстве 100. Расстояния «a» между отдельными антенными кластерами 101 в данном контексте всегда являются одинаковыми в первом направлении протяженности. Аналогичным образом расстояние «b» между антенными кластерами 101 является одинаковым во втором направлении протяженности. В данном контексте расстояния «a» и «b» в разных направлениях протяженности необязательно должны быть одинаковыми. Предпочтительно, расстояние «a» между антенными кластерами 101 соответствует расстоянию между горизонтально размещенными передающими, соответственно, приемными антеннами в самом антенном кластере, а расстояние «b» между антенными кластерами 101 соответствует расстоянию между перпендикулярно размещенными приемными, соответственно, передающими антеннами в самом антенном кластере 101.

До настоящего времени в случае мультистатического измерения с такими антенными устройствами 100, обычно в каждой отдельной приемной антенне 12 в каждом случае СВЧ-сигналы, излучаемые всеми передающими антеннами 11, измеряются при отражении, а затем оцениваются для воссоздания объекта в изображении. В результате большого количества комбинаций передающих/приемных антенн возникает большая оценочная нагрузка, которая снова приводит к большим требованиям к рабочей производительности оценочного устройства или, соответственно, связано с более высокими затратами или требует большей продолжительности оценки. С другой стороны, в случае с объектом, который является мало протяженным по сравнению с апертурой антенного устройства, существенно больший динамический диапазон сканируется и воссоздается, чем занимает объект. Оба недостатка устраняются посредством образования одной или нескольких конфигурационных групп 102.

Конфигурационная группа 102 образуется путем выделения подгруппы антенных кластеров 101 антенного устройства 100 конфигурационной группе 102. Кроме того, по меньшей мере одна подгруппа антенных кластеров конфигурационной группы 102 конфигурируется в качестве приемного кластера 104 посредством активации приемных антенн антенного кластера 101. Соответственно, по меньшей мере одна подгруппа антенного кластера 101 конфигурационной группы 102 конфигурируется в качестве передающего кластера 105 посредством активации только передающих антенн. В результате проводится мультистатическое измерение СВЧ-сигналов, которые излучаются всеми передающими антеннами 11 всех передающих кластеров 105 конфигурационной группы 102 и принимаются каждой приемной антенной 12 приемного кластера 104 конфигурационной группы 102.

Фиг.7 показывает разные конфигурационные группы 102, 108, 109, 110 с разным контуром. Конфигурационная группа 102 образуется, например, именно из одного приемного кластера 104 и двух приемных кластеров 105. Приемный кластер 104 также можно дополнительно конфигурироваться в качестве передающего кластера 105, в котором передающие антенны также формируется в дополнение к приемным антеннам антенного кластера. Передающий кластер 105 конфигурируется так, что активируются только передающие антенны антенного кластера 101. Приемные антенны дезактивируются. В результате это дает угловую апертуру 103. Передающие кластеры 105 изображаются на фиг.7, 8 и 9 в каждом случае прерывистой штриховкой. Приемный кластер 104 конфигурируется так, что активируются только приемные антенны, передающие антенны дезактивируются. Каждый приемный кластер 104 на фиг.7, 8 и 9 отображается сплошной штриховкой.

Дополнительная конфигурационная группа 109 содержит, например, пять передающих кластеров 105 и один приемный кластер 104. В случае мультистатического измерения между передающими антеннами всех передающих кластеров 105 конфигурационной группы 109 со всеми приемными антеннами приемного кластера 104, прямоугольная апертура 103' создается вокруг приемного кластера 104 между смежными передающими кластерами. Зона раскрыва изображается в каждом случае ромбоидальными шашками. Дополнительная крестообразная конфигурационная группа 110 образуется из четырех передающих кластеров и одного приемного кластера 104. Группы с полученной апертурой 103'' также соответствуют крестообразной площади. Здесь также приемный кластер 104, предпочтительно, конфигурируется в качестве передающего кластера 105. Один или несколько передающих кластеров 105 можно назначить одновременно нескольким конфигурационным группами, как в случае, например, с конфигурационной группой 109 и 110.

В одной конфигурационной группе 108 отражательный элемент 106 устанавливается параллельно краю двух передающих кластеров 105 и перпендикулярно плоскости антенного устройства 100, соответственно, групповой апертуре 103'''. СВЧ-сигналы, излучаемые передающими антеннами передающих кластеров 105, отражаются от отражательного элемента 106 таким образом, что сигналы кажутся излучаемыми отраженным, виртуальным передающим кластером 107. В результате получаются два виртуальных передающих кластера 107, которые учитываются при оценке, соответственно, воссоздания изображения, как реальные передающие кластеры в указанном, отраженном положении. Функцию оценки можно применить к данным отраженным, виртуальным передающим антеннам без дополнительной модификации. Полученные измеренные значения могут подчиняться весовому коэффициенту. Такой весовой коэффициент может, например, компенсировать относительно низкую амплитуду сигнала из потерь на отражение. Групповая апертура такой конфигурационной группы 108 выступает за пределы физического края антенного устройства 100 и, следовательно, расширяет апертуру всего антенного устройства 100.

Дополнительный пример конфигурационной группы 112 изображается в области нижнего угла антенного устройства. Конфигурационная группа 112 образуется посредством расположения одного приемного кластера 104 и трех передающих кластеров 105, соответствующих конфигурационной группе 102. Отражательный элемент 116 с плоской отражающей поверхностью размещается в данном случае параллельно нижнему краю антенного устройства 100, а передающий кластер 105, соответственно, приемный кластер 104, размещается параллельно последнему и перпендикулярно плоскости антенного устройства 100. В соответствии с вышеприведенными вариантами осуществления три дополнительных, виртуальных передающих кластера 107, которые достигают расширенного книзу освещения исследуемого объекта, получаются через отражательный элемент 116. Нанесенная зона раскрыва 113 охватывает зону между приемным кластером 104 и двумя реальными приемными кластерами 105 и зону между приемным кластером 104 и отраженными, виртуальными приемными кластерами 107. Несколько отражательных элементов 106, 116 можно использовать одновременно. Отражательный элемент 106, 116 может проходить по одному или нескольким антенным кластерам 101 и может устанавливаться на боковом и/или верхнем, и/или нижнем крае антенного устройства 100 относительно антенного кластера 101, соответственно, рядом с антенным устройством 100.

Для каждой отдельной конфигурационной группы 102, 108, 109, 110, 112 изображение воссоздается через когерентную корреляцию сигналов всех комбинаций передающих/приемных антенн и частот для одной пространственной области. В качестве базового алгоритма алгоритм обратного распространения, соответствующий формуле:

можно использовать в качестве примера. В данном случае, М обозначает принятый СВЧ-сигнал, t_x и r_x обозначают положение приемной антенны 12 и передающей антенны 11 антенного устройства 100. Таким образом, значение R отражения присваивается каждой точке объекта (x, y, z) в трехмерном пространстве.

Воссоздание изображения осуществляется для всех сформированных конфигурационных групп 102, 108, 109, 110, 112 для определенной пространственной области. Оно является заранее определенным и содержит одинаковые пространственные точки. Если апертуры смежных конфигурационных групп перекрываются, то до начала воссоздания точек изображения, соответствующая область корректируется при помощи весовой функции для того, чтобы при расчете изображения из нескольких конфигурационных групп, которые затем в совокупности образуют все изображение объекта, задавалось равномерное весовое влияние каждой пространственной точки. В качестве альтернативного варианта, весовой коэффициент можно применять только к перекрывающимся точкам изображения при последующем соединении отдельного изображения после воссоздания изображения отдельной конфигурационной группы 102, 108, 109, 110, 112.

Для измерения объекта, который располагается, например, в нижней области впереди антенного устройства 100, эффективно может быть сконфигурирована, с учетом оценочных возможностей и продолжительности оценки, одна или несколько конфигурационных групп, которые только предоставляют антенные кластеры 101 в нижней области антенного устройства 100. Вся апертура для такого измерения составляется из апертур отдельных групп сконфигурированных конфигурационных групп. Таким образом, можно сконфигурировать антенну апертурой 103 с сверхвысокой переменностью в отношении размера контура. Апертуру можно отдельно совместить по форме, размеру и положению исследуемого объекта.

Несколько конфигурационных групп, которые не составляют когерентные апертуры, также можно сконфигурировать, например, для исследования области ноги или области в верхней половине туловища человека, которого необходимо подвергнуть сканированию. Это позволяет очень эффективно использовать оценочное устройство, а также процессоры, содержащиеся в нем, и/или сокращает продолжительность измерения. Более того, излучаемая мощность передачи сокращается и, следовательно, сокращается потребление электроэнергии.

С другой стороны, множество конфигурационных групп можно сконфигурировать таким образом, чтобы апертуры отдельных групп вместе охватывали всю область антенного устройства и, соответственно, моделировали апертуру стандартного антенного устройства. В отличие от стандартной апертуры, в котором, как ранее упоминалось, каждая отдельная передающая антенна объединяется с каждой отдельной приемной антенной всей антенной решетки, число комбинаций сокращается посредством использования конфигурационных групп. Например, если конфигурационная группа 111, см. фиг.8, конфигурируется из трех, соответственно, четырех передающих кластеров 105 и одного приемного кластера 104, создается групповая апертура 103'''', которая охватывает область передающего кластера 104 и распространяется в каждом случае до края смежного передающего кластера. Всю область антенного устройства относительно его апертуры можно смоделировать через конфигурационные группы 111, поскольку в каждом случае конфигурационная группа 111 конфигурируется для каждого антенного кластера 101 антенного устройства.

В случае стандартного измерения между всеми передающими и приемными антеннами 11, 12 антенных кластеров 101 антенного устройства 100, например, с 24 антенными кластерами, создается оценочная нагрузка, которая соответствует значению, равному 24×24. В противоположность этому оценочная нагрузка с образованием апертуры из 24 конфигурационных групп 111 соответствует только значению, равному 24×4. Соответственно, оценочная нагрузка сокращается в 6 раз. Изображения, которые были восстановлены из отдельных конфигурационных групп соединяются с целью создания одного трехмерного изображения. Сокращенное количество измерений дает более слабое отношение сигнал-шум. Тем не менее, в данном контексте было показано, что только уменьшается контрастность воссозданного изображения, однако, качество изображения существенно не снижается.

Например, апертуру всего антенного устройства 100 также можно смоделировать из конфигурационных групп 109 в каждом случае при помощи шести приемных кластеров 104 и одного передающего кластера 105, который размещается между двумя передающими кластерами, см. фиг.9. В данном контексте, получается оценочная нагрузка, составляющая 24×6 вместо 24×24, следовательно, оценочная нагрузка уменьшается в 4 раза.

Однако апертуру всего антенного устройства 101 также можно создать из по-разному образованных конфигурационных групп, соответственно, их апертур. В данном контексте, однако, предпочтительно рассмотреть равномерную нагрузку конфигурационных групп, поскольку продолжительность оценки самой медленной конфигурационной группы определяет продолжительность формирования всего изображения. Оценочная нагрузка и, следовательно, продолжительность оценки масштабируется линейным образом с учетом комбинаций передатчика-приемника, что очевидно особенно из значений формулы касательно алгоритма обратного распространения.

Кроме того, можно образовать конфигурационные группы, в которых относящиеся к ним антенные кластеры 101 не являются смежными. С такими конфигурационными группами перекрестные помехи между отдельными антенными кластерами 101 практически уменьшаются.

Фиг.10 показывает схематическое изображение соответствующего измерительного блока 120. Измерительный блок 120 содержит антенное устройство 121, блок управления 122 и оценочный блок 123. Антенное устройство 121 соединяется с блоком управления 122 и оценочным блоком 123 в каждом случае через электрическое соединение. Блок управления 122 также соединяется с оценочным устройством 123.

Антенное устройство 121 содержит множество передающих и приемных антенн, которые группируются в антенные кластеры 101. Предпочтительно, антенные кластеры 101 содержат размещение передающих и приемных антенн, соответствующее примерным вариантам осуществления антенных кластеров 20, 30, 40, 50, 60. Блок управления 122 осуществляется таким образом, чтобы конфигурационную группу можно было подготовить через размещение нескольких антенных кластеров. Блок управления 122 осуществляется таким образом, чтобы после этого подгруппу антенного кластера 101 конфигурационной группы можно было сконфигурировать в качестве передающего кластера 105 посредством активации передающих антенн, а подгруппу антенных кластеров конфигурационной группы можно было сконфигурировать в качестве приемного кластера 104 посредством активации приемных антенн.

Оценочный блок содержит процессоры и/или цифровые сигнальные процессоры, которые позволяют СВЧ-сигналам излучаться всеми передающими антеннами всех передающих кластеров 105 конфигурационной группы и приниматься каждой приемной антенной приемного кластера 104 конфигурационной группы, которые необходимо измерить и оценить. В данном случае оценка содержит воссоздание изображения исследуемого объекта на основании результатов измерений, например, через алгоритм обратного распространения. Измеренные СВЧ-сигналы в данном контексте назначаются пространственным точкам заранее определенных пространственных областей всегда с одинаковыми пространственными точками.

Все признаки, описанные и/или изображенные, можно, предварительно, объединить друг с другом в пределах объема изобретения. Изобретение не ограничивается описанными примерами вариантов осуществления и, например, также может использоваться с другими конфигурациями антенн.

Реферат

Изобретение относится к устройству для мультистатических измерений сверхвысокочастотных (СВЧ) сигналов с антенным устройством, которое содержит несколько антенных кластеров, и к способу выполнения устройства. Способ конфигурации мультистатического измерительного устройства с антенным устройством (100), которое образуется из нескольких антенных кластеров (101), где каждый антенный кластер (101) содержит несколько передающих антенн (11) и несколько приемных антенн (12). Конфигурационная группа (102, 108, 109, 110, 111, 112) конфигурируется посредством размещения подгруппы антенных кластеров (101) антенного устройства (100) в конфигурационной группе (102, 108, 109, 110, 111, 112). Подгруппа антенных кластеров (101) данной конфигурационной группы (102, 108, 109, 110, 111, 112) конфигурируется в качестве приемного кластера, в котором активируются исключительно приемные антенны (12) антенного кластера (101). Подгруппа антенных кластеров (101) конфигурационной группы (102, 108, 109, 110, 111, 112) конфигурируется в качестве передающих кластеров (105) посредством активации передающих антенн (11). СВЧ-сигналы, излучаемые всеми передающими антеннами (11) всех передающих кластеров (105) конфигурационной группы (102, 108, 109, 110, 111, 112) и отражаемые от объекта, измеряются в каждой приемной антенне (12) приемных кластеров (104) конфигурационной группы (102, 108, 109, 110, 111, 112). Технический результат заключается в возможности получать изображение с относительно низкими требованиями к вычислительным ресурсам. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 11 ил.

Формула