[发明专利]多维波束形成装置

说明书

相关的专利申请

这项申请要求对1997年11月6日申请的美国专利申请第08/965,663号和1997年2月3日申请的临时专利申请第60/036,837号的优先权，在此通过引证将这两份申请的全部内容并入。

本发明的技术领域

这项发明一般地涉及波束形成和波束控制系统，具体地说涉及在这种系统中为了形成或控制来自多维敏感元件阵列的多重波束而使用的处理技术。

本发明的现有技术

敏感元件阵列的一项用途是分离来自某个具体方向的或朝某个具体方向传播的信号分量。它们在许多不同的应用中找到用途。例如，声纳系统将敏感元件阵列用于处理水下声音信号，以确定声源的位置；这些阵列还被用在雷达系统中，以提供精确成形的雷达波束。用于分离接受信号的阵列处理技术被称为波束形成，而将相同的或类似的原理应用于发射信号聚焦时这类技术被称为波束控制。

具体地考虑一下波束形成过程，为了形成所需的定向波束通常必须使用相当多的信号处理元件。来自每个敏感元件的信号通常被分成数个有代表性的分量，其方法是让每个信号经受多重相移(即延时)操作，以便抵销与各敏感元件在阵列中的相对位置相关的等效延时。然后，将来自每个敏感元件的经时间移位的信号加和起来，以形成定向波束。这样选择赋予的时间延迟，以致从所需的角度方向得到的信号相干地加和，而那些从其它方向得到的信号不被相干地加和，并使它们倾向于抵销。为了控制最终的波束宽度和旁瓣抑制，通常将每个经延时的信号乘以取决于敏感元件在阵列中的相对位置的加权因子，即“幅度整形”。

因此，一维的波束形成可以利用敏感元件的线性阵列和波束形成处理器(即波束形成器)通过比较简单的配置得以实现，其中所述波束形成器适量地延迟每个敏感元件的输出、通过乘以所需的加权因子给每个敏感元件的输出加权、然后将乘法操作的输出加和起来。实现这样的波束形成器的途径之一是使用与每个阵列单元连接的抽头延迟线，以便简单地通过选择适当的输出抽头获得对任何方向所希望的延迟。于是，波束控制操作简单地包括规定适当的抽头连接和待施加的权。

但是，在使用二维敏感元件阵列时，波束形成处理器变得复杂得多。延迟操作的数量不仅随着阵列尺寸的平方增加，而且每个敏感元件与其对应的延迟联系起来所需要的物理结构也变得复杂。同时，为了形成多重波束每个延迟单元必须有多重抽头。在需要同时形成多重波束时，这个问题可能将变得异常复杂。

就配置选择而言，波束形成技术原本是在声纳应用中为探测声音信号而研制的。为这些早期声纳建造的波束形成器曾使用模拟延迟线、执行模拟信号加和的处理元件和延迟单元。然后，使用电阻网络为经过适当延迟的信号加权并将加权后的信号加和起来。但是，能够用这种技术实现的波束数量受到限制，因为每个波束需要许多分立的延迟线(或数条有许多抽头的延迟线)和许多不同的加权网络。因此，为了在各个方向上依次进行搜索，通常采用扫描切换来分享延迟线。但是，用这种方法在给定时刻只有一个波束是可用的。

集成电路电子学的最新进展已经有能力提供实用的数字波束形成系统。在这种系统中，来自每个敏感元件的信号在波束形成前首先经过模数变换。波束形成器可以采用数字移位寄存器完成延迟和采用数字乘法器元件执行所需的加权操作。移位寄存器和乘法器元件受指令信号控制，这些指令信号是采用计算达到预定的阵列波束位置所必需的延迟值和相位加权值的算法或方程在通用计算机中产生的。因此，波束控制需要用颇为复杂的数据处理器和/或信号处理器来计算和提供适当的指令；如果需要同时形成一个以上波束基本上是这种情况。

由于这些理由，有几款能够以最小的配置复杂性进行实时操作的多维多重波束系统存在。

本发明的概述

本发明是一种波束控制或波束形成装置(从种属上说是一种波束形成装置)，该装置将多维的波束形成操作作为相继的一维操作来执行。在优选的实施方案中，转置操作插在两次操作之间。例如，适合二维的敏感元件阵列的波束形成是作为一组投影来完成的，它将每个需要输出的波束投影到该阵列的两条相应的轴线上。

定期地从阵列中的每个敏感元件抽取信号子样，然后作为一组子样(即子样矩阵)进行操作。第一一维(1D)波束形成器用于依据矩阵中的给定行形成适合每个敏感元件输出的多重波束。然后，对来自第一1D波束形成器的多重输出波束进行转置操作，该操作改变子样矩阵的格式，以致将源于敏感元件阵列给定列的子样作为一组施加给第二一维(1D)波束形成器。