使用从多个角度反射的信号的亚毫米雷达

摘要

一种亚毫米波长雷达系统，具有用于接收并下转换来自所述系统的视野中内容的信号的接收机(20、27、90)，以及信号处理器(30)，被安排为从所述下转换信号中确定有关所述内容的信息，所述雷达系统被安排为通过具有多个照明或接收位置，从不同的照明或接收角度获得所述视野中相同点的信号，并且所述信号处理器被安排为使用根据来自所述两个或更多个角度的信号所确定的信息，确定所述内容的位置和方位。通过使用来自不同角度的信息，变得有可能应对即克服亚毫米波长的缺点，即大多数所述反射是镜面的使得只有面向所述雷达系统的目标表面才可检测出，意味着许多目标不可识别。

说明书

技术领域

本发明涉及亚毫米雷达系统所用的信号处理器、这样的雷达系 统、机器人或车辆比如具有这样的系统的道路车辆，以及对应的方法 和计算机程序。

背景技术

在亚毫米波长雷达中辨别不同类型的目标当前仅仅依赖于测量 雷达目标有效截面——即由一定的目标的正方形参考单位反射的波功 率的部分。由于该目标的如表面粗糙度与吸收性质的相关性，该目标 的所有点都将展示出类似的雷达目标有效截面值。将类似的测量结果 分组为轮廓产生了从背景中分离目标的辨别工具。室外应用的亚毫米 雷达面对着复杂背景前或复杂前景后的复杂目标。典型的传统微波雷 达应用(如地-空和空-空雷达)不会遇到这种类型的问题，因为背景 由天空形成，它是实质上漫射和低损耗的吸收体。所测出的仅有的“明 显”雷达目标有效截面由作为目标的飞行器产生。此外仅有的可测量 的多普勒移动信号来自其他飞行器和来自雷达波束命中地面之处的角 度。在地面返回信号之间低飞的飞行器将保持检测不到。

一般来说，微波雷达不适合要求对复杂环境中的目标进行分类和 鉴定的成像应用。已经提出和演示的几种技术允许在至少中等复杂环 境中进行测量。一个实例是使用海军微波雷达的冰山检测。这里不得 不从波浪引起的大得多的反射中辨别冰山(此处在水线之上只能发现 小部分)的微小反射。使用飞行时间过滤允许使用如调频连续波 (FMCW)雷达或连续变频的脉冲信号雷达确定从雷达到目标的距 离。另外，人们还不得不分析信号持续的空间频率内容(冰山的移动 要比周围波浪慢得多)。海军雷达(根据环境构造)或多或少是一维 的，因为发现大多数检测区域都在在地平线以下的微小条带中，这就 大幅降低了要处理的数据量。

道路车辆，如较低频率(例如63GHz的车辆到基础结构、66GHz 的车辆到车辆、77GHz的巡航控制以及79GHz的防撞击)的汽车雷 达不是使用脉冲雷达模式就是使用以上的FMCW技术辨别多种距离 的目标。这些雷达不产生足够分辨率的图像以允许由形态辨别目标。 这些雷达系统提供了合理的水平分辨率但是通常垂直分辨率非常有 限，也导致了本质上一维的检测区域。

存在着垂直方向和水平方向都提供高分辨率的红外摄像头。这样 的摄像头对像素接收器吸收的总能量(不相干)敏感，而无法如雷达 系统的情况一样得到距离信息(至少在仅仅使用了单一摄像头时)。 另外，用于机动车应用的大多数IR摄像头系统是被动的。不发送信 号而使用场景存在的照明或目标自身的发射作为信号源。所以IR摄 像头系统就不得不应付低反差的场景(人站在温暖的背景前)，并且 对使该系统致盲的强IR源(灯、太阳)敏感。另外，雨和雪都有效 地降低了系统的性能。

对于室外应用的亚毫米波雷达，理论上能够使用整个亚毫米波频 率范围。必须注意，在该频率范围内存在着若干频率窗口，它们位于 大气衰减最小点周围，更有利于操作。对于雷达的给定动态范围小以 及对于给定的电源功率小而检测距离大，与距离要求低而动态范围和 电源功率大的系统相比，占有这些大气窗口更重要。当前检测范围在 100米左右的任何亚毫米波雷达由于电源功率的限制，通常都被限于 在大气窗口内运行，尽管原则上本文呈现的本发明的实施例未必被限 于这些窗口。与能够使用从0到100GHz的整个频率范围而且只有若 干法律约束限制频率优化的微波雷达应用相反，100GHz以上的雷达 仅仅能够使用可用频率范围的一小部分(20％)。典型的频带(也称 为“大气窗口”)位于100GHz、220GHz、350GHz、450GHz、520GHz、 600GHz、810GHz、1.000THz、1.650THz和2.400THz附近，峰值衰 减逐渐增大。这些窗口在射电天文学中为人熟知。

从WO2006/078570(HOLT)的段落0063-0069已知提供了监视某 主体的方法，包括在具有高于大约100MHz和低于大约2THz的若干 频率的第一和第二不同的频率范围内以电磁辐射照射该主体的至少一 部分。

根据说明，为了增强对这些图像中差异的观察，可以给每幅图像 分配某种区分特征，比如图像模式、强度等级或颜色。这些图像是从 彩色图像导出的灰度级图像。在引用的实例中，这些图像的像素分别 被分配给红色、绿色和蓝色。这是这些图像一般强度等级不同的至少 一部分原因。

进一步根据说明，可以向观察者连续地或并发地显示从不同频率 范围数据产生的不同图像，以帮助观察者识别出这些图像之间的差异。 这样的差异的区域可能对应于图像异常，它们可以包括目标。将观察 者的注意力引向这些异常可以加速对这些目标的识别。

发明内容

本发明的目的是提供用于亚毫米雷达系统的替代信号处理器、这 样的雷达系统、具有这样的系统的机器人或车辆比如机器人车辆或道 路车辆，以及对应的方法和计算机程序。根据第一方面，本发明提供 了：

亚毫米波长雷达系统，具有用于接收并下转换来自所述系统的视 野中内容的信号的接收机，所述视野中某给定点对应的所述下转换的 信号具有时变的振幅和相位分量，所述振幅和相位分量具有取决于所 述给定点处的内容的周期分量，以及信号处理器，被安排为从所述周 期分量中导出有关所述内容的信息，所述雷达系统被安排为通过具有 多个照明或接收位置，从不同的照明或接收角度获得所述视野中相同 点的信号，并且所述信号处理器被安排为使用根据来自所述两个或更 多个角度的信号所确定的信息，确定所述内容的位置和方位。

通过使用来自不同角度的信息，变得有可能应对或克服亚毫米波 长的缺点，即大多数所述反射是镜面的使得只有面向所述雷达系统的 目标表面才可检测出，意味着许多目标是不可识别的。

本发明的实施例能够具有被加入的任何其他特征，某些这样的附 加特征在相关的权利要求书中陈述并在以下更详细地介绍。

提供的某些实施例具有单个接收机和空间分开的多个发射机。其 他实施例能够涉及具有多个或可移动的接收机或发射机，以便在不同 时间得到来自不同角度的所述信号，并且所述信号处理器被安排为接 收所述多个或可移动的接收机或发射机的对应位置的指示。

所述信号处理器能够被安排为确定来自不同角度的所述下转换 信号的哪些部分对应于所述内容中的同一目标，并且通过三角测量确 定该目标的位置。

所述系统能够被安排为确定所述目标多个点的表面方位并且通 过与目标特征库进行比较来对所述目标进行分类。

在某些实施例中，除了所述以上特征之外，还使用了相干下转换， 所以存在相位和振幅信息而不是仅仅振幅信息。这意味着在所述下转 换信号中存在着在常规非相干系统中因为无法与噪声区别而被丢失的 附加信息。所述复数相位-振幅信息比单独振幅信息对所述内容中的变 化更敏感，比如目标、背景和大气条件。亚毫米波雷达的所述相位信 息使得周期分量能够被保留，它具有所述内容的至少三种类型的信息 特征。第一，以少量亚毫米波长上内容的准周期变化形式的内容抖动 可能是特定内容的特征，比如微运动，如随风移动的植被或者任何建 筑的其他强制振动。这种类型的信息在微波雷达中未被发现或不是非 常有用，因为所使用的波长远远大于典型的微运动。第二，亚毫米驻 波的变化能够被检测为斑纹，而不是作为噪声被丢弃，现在能够足够 好地将其检测出以便确定由所述内容中差异引起的所述斑纹中的差 异。[在微波雷达中也发现了斑纹但是在亚毫米雷达中有价值的所述斑 纹模式的空间分布要求所述目标展示许多波长的曲率半径和目标尺 寸。]第三，在所述视野中所述目标上的薄层能够引起若干干涉条纹， 如果所述层具有的厚度约为若干半波长，所述干涉条纹会影响所收到 的亚毫米照明的反射。这样的法布里泊罗(Fabry-Perot)效应理论上 也在微波雷达中发现，但是要检测必须延伸超过几米的很多厘米厚度 层的实际使用是非常有限的。亚毫米波雷达就不是这样：道路上的冰 层就是实例。这种附加信息能够使得亚毫米更适用于各种各样的广泛 应用，包括例如机动车雷达，它相对不受太阳光致盲、雾或降水的影 响。

在某些实施例中，所述下转换信号可以是具有中频频谱的中频信 号，并且所述信号处理器可以被安排为单独地分析所述中频频谱的两 个或更多个区域。这能够帮助辨别在例如所述频谱某些部分中出现而 不在其他部分中出现的内容。

所述收到的信号能够包括多个不同亚毫米频率的信号，并且所述 信号处理器可以被安排为对所述不同亚毫米频率单独地分析所述对应 的中频信号。同样这能够帮助辨别在某些亚毫米频率出现而不在其他 频率出现的内容。所述信号处理器能够被安排为执行用于图像分析的 任何公知技术，比如数字滤波器比如平滑滤波器或者用于分割的滤波 器的应用、轮廓生成、反差跳跃和/或线条和/或边缘和/或角落的识别， 并且可以适于使用形态学算子改进或平滑轮廓、区域等。

所述信号处理器能够被安排为对所述图像中受关注的检测出的 若干目标和/或点进行分类，比如反差跳跃、线条。

所述信号处理器可以适于聚集所述收到的图像的若干部分，从而 识别出具有共同特征的区域，如从而识别出目标。这可能涉及例如将 检测出的特征与给定目标或目标类的特征存储库进行比较。

所述信号处理器能够具有将所述收到信号的若干部分与一组对 应的接收波束位置相联系的部件。这能够使所述关联的信号分组到表 现所述情景的帧之中。例如这可以是一维的、二维的或三维的帧。

所述信号处理器能够具有将若干算子应用到所述帧数据的部件。

所述算子可以是提取所述情景内给定时刻的振幅和/或中频频率 局部变化的算子。

所述算子可以是提取所述帧数据中空间或时间特征的算子。

所述算子可以是提取以下特征的算子：对亚毫米频率或振幅具有 依赖性，或者对照明方向、所述接收器的焦点位置或极化的任何一种 或者这些的任何组合具有依赖性。

另一方面提供的车辆具有任何一个前面的权利要求的所述雷达 系统，并且具有向所述信号处理器指明所述车辆移动时所述照明或接 收位置的绝对位置的部件。

另一方面提供了使用亚毫米波长主动雷达系统的方法，所述方法 具有以下步骤：使用发射机照明视野、接收以及下转换来自所述系统 视野中内容的信号，所述视野中的给定点对应的所述下转换信号具有 时变的振幅和相位分量，所述振幅和相位分量具有取决于所述给定点 处的内容的周期分量，所述下转换信号包括通过具有多个照明或接收 位置而来自不同的照明或接收角度的信号，并且所述方法具有以下所 述步骤：处理所述下转换信号以按照所述周期分量确定有关所述内容 的信息；以及使用来自所述两个或更多个角度的所述信号确定的信息 来确定所述内容的位置或方位。

所述方法能够在某些实施例中具有确定来自不同角度的所述下 转换信号的哪些部分对应于内容中的同一目标，并且通过三角测量确 定该目标的位置。

另一方面提供了一种具有存储的程序的计算机可读介质，当由计 算机执行存储的程序时将使所述计算机执行这些方法的步骤。

任何一个所述附加特征都能够组合在一起并且能够与任何一个 所述方面进行组合。其他优点尤其是超过其他现有技术的优点对于本 领域技术人员将是显而易见的。能够做出无数的变化和修改而不脱离 本发明的权利要求书。所以，应当清楚地理解，本发明的形式仅仅是 展示性的并非力图限制本发明的范围。

附图说明

现在将参考附图举例介绍如何可以实施本发明，其中：

图1A至图1C、图1E和图2显示了根据本发明的雷达系统实施 例的示意图；

图1D和图3显示了根据实施例的步骤；

图4显示了根据另一个实施例的系统图；

图5、图6和图7显示了在图1、图2、图3或图4的系统实施例 或者其他实施例中使用的频率和时间控制的示意图；

图8显示了相同系统实施例的射频发生器部件的示意图；

图9显示了相同系统实施例的本机振荡发生器部件的示意图；

图10和图11显示了相同系统实施例的中频处理部件的示意图；

图12和图13显示了相同系统实施例的图像处理部件的示意图；

图14显示了使用脱机中频处理和图像处理的替代实施例的示意 图；

图15和图16显示了用于雷达系统实施例的波束整形和扫描部件 的示意图；

图17至图23显示的图形展示了内容抖动和斑纹效应能够如何提 供所收到信号频谱中的可检测信息；

图24和图25显示的图形指示了所收到射频信号中的可检测干涉 效应。

具体实施方式

下面将关于若干特定实施例和参考一定的附图介绍本发明，但是 本发明不限于此而仅仅根据权利要求书来限定。所介绍的附图仅仅是 示意性的而不是限制。在附图中，为了展示目的某些元件的尺寸可以 被夸大并未按比例绘制。在本说明书和权利要求书中使用术语“包括” 之处，它并不排除其他元件或步骤。指单数名词时所用的如“某”、 “所述”之处，这包括了该名词的复数，除非明确地声明了并非如此。

在权利要求书中使用的术语“包括”不应当被解释为限于其后列 出的装置，它并不排除其他元件或步骤。因此，表达“包括装置A和 B的设备”的范围不应当限于仅仅由组件A和B构成的设备。它意味 着关于本发明，仅和设备相关的组件是A和B。

不仅如此，在说明书中和权利要求书中使用的术语第一、第二、 第三等是为了在类似元件之间进行区分，而未必是用于说明顺序或时 间次序。应当理解，如此使用的这些术语在适当情况下是可互换的， 并且本文介绍的本发明的实施例能够以不同于本文介绍或展示的其他 顺序运行。

另外，在说明书和权利要求书中使用的术语顶、底、之上、之下 等是为了说明目的，而未必用于说明相对位置。应当理解，如此使用 的这些术语在适当情况下是可互换的，并且本文介绍的本发明的实施 例能够以不同于本文介绍或展示的其他方位运行。

应当注意，在权利要求书中使用的术语“包括”不应当被解释为 限于其后列出的装置，它并不排除其他元件或步骤。因而应当将其解 释为规定了如所指的所声明特征、整数、步骤或组件的存在，但是并 不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或组件或者其组合的存在或 加入。因此，表达“包括装置A和B的设备”的范围不应当限于仅仅 由组件A和B构成的设备。它意味着关于本发明，仅和设备相关的组 件是A和B。

本说明书从始至终对“一个实施例”或“某实施例”的引用意味 着连同该实施例介绍的特定特点、结构或特征被包括在本发明的至少 一个实施例中。因此，本说明书从始至终在多处出现的短语“在一个 实施例中”或“在某实施例中”未必都指同一实施例，而是可以如此。 不仅如此，这些特定特点、结构或特征可以以任何适合的方式结合， 正如在一个或多个实施例中根据本公开对于本领域的技术人员将是显 而易见的。

同样应当认识到，在本发明的示范实施例的说明中，为了简化本 公开和帮助理解一个或多个本发明不同方面的目的，在单个实施例、 附图或其说明中有时将本发明的多个特征组合在一起。不过，不应当 将本公开的方法解释为反映了所要求保护的发明要求比在每项权利要 求中清楚陈述的特征更多特征的意图。相反，正如以下权利要求书反 映，本发明的若干方面处于少于单个前述公开的实施例中全部特征的 状态。因此，跟随本详细说明之后的权利要求书在此特别地合并到本 详细说明之中，其中每项权利要求都以其自身为根据作为本发明的单 独实施例。

此外，虽然本文介绍的某些实施例包括在其他实施例中包括的某 些特征但不包括其他特征，但是不同实施例的特征结合意味着在本发 明的范围之内，并且形成了不同的实施例，正如本领域的技术人员所 理解。例如，在以下权利要求书中，任何要求保护的实施例都能够组 合地使用。

在本文提供的说明中，阐述了众多特定细节。不过应当理解，没 有这些特定细节也可以实践本发明的实施例。在其他实例中，为了不 模糊对本说明的理解没有详细地显示熟知的方法、结构和技术。

现在通过对本发明的几个实施例的详细说明介绍本发明。应当清 楚，根据本领域技术人员的知识就能够设定本发明的其他实施例，而 不脱离本发明的技术教导，本发明仅仅由附带权利要求书的条款限制。

“主动”意味着发射辐射以照亮景物并检测从该景物反射的辐射 的任何雷达系统。发射机原理上可以独立于接收部件，如果该接收能 够通过检测所述发射与该发射机锁相的话。

“亚毫米雷达”意在通常包含使用大约100GHz以上频率的任何 雷达，并且在300GHz以上和3THz以下的更窄范围内将介绍若干实 例，也称为太拉赫兹雷达。这种雷达能够被应用在例如车辆的系统中， 以及例如所公知的，应用在建筑物中的安全或监视系统中。

“内容”被定义为视野中的任何事物，包括例如要被检测的目 标，比如机动车应用中的小汽车或行人，以及背景或模糊目标比如植 被或建筑物，至少对于机动车应用将其视为杂物并且可以作为识别部 分从图像中删除。内容也可以包括大气效应比如雨、雾、雪或阳光， 它们影响着向外照明或返回到接收机的反射的任一方，或者影响着双 方。

“车辆”应当被广义地解释并且能够指任何机器人、机器人车辆、 自动导向的车辆、道路车辆、船舶、飞行器等。

实施例的引言：挑战和系统考虑

用于室外应用的亚毫米波(后文为亚毫米)雷达意在用于涉及复 杂背景前的复杂目标的应用，已确定其他雷达系统在此失效。所以， 需要新技术以增强雷达的分辨和分类能力而不需要过度的带宽和功率 需求。

降低射频带宽是改进噪声性能的一种有用方式。传统的多普勒和 FMCW雷达系统需要相当大的射频带宽，以分别达到所需要的速度和 往返距离分辨率。达到可接受信噪比的唯一可用方法是积分。结果每 时间单位只能够执行少量的测量。通常这个数量对于一维扫描雷达是 足够的。成像雷达系统无法基于这些传统方法实现。必须有降低所需 RF带宽的方法，并且利用其他方式提供分类信息。带宽的这种降低 产生了好得多的信噪比。这种提升的信噪比能够或者用于降低本机振 荡器功率要求或者用于增加每时间单位所测量的像素(帧)的数量。

现今建造亚毫米成像雷达时本机振荡器功率是另一个限制因素， 即在照明给定距离处的场景的RF功率的可用性。目前10μW的输出 功率是使用波导块的工艺现状。对于合理的雷达系统，必须达到10mW 的输出功率。不过建造这样系统的技术在不久的将来将可用。增添了 宽带照明的需求，发射功率的目标更难以达到。达到合理输出功率的 一种方式是脱离宽带源而建造多个频率源，它们能够在要求频带中发 射所需要的功率，但是未必能够在大气窗口之间的频率范围内产生高 功率级别。

由于主动亚毫米雷达通常对处于或接近镜面反射角度的反射表 面敏感，在亚毫米中“见到”的目标形状与使用IR照相机所获取的 图像很不同。这些图像也不同于在室外条件下使用被动毫米波雷达所 得到的图像。在主动亚毫米雷达中的面部图像本质上仅仅包括鼻尖、 前额和下巴(为单基地雷达镜面反射点)的明亮反射。面部的剩余部 分对图像没有贡献因为它们不在镜面反射的角度区域，并且漫反射非 常少，与光频率不同。限制漫反射对图像贡献的另一个因素是接收机 的有限动态范围。所以目标的形状不对应光学图像中的可识别形状， 因此需要进一步的分析以增添用于分类目标的另一度信息：因为知道 面部几乎所有的点将以同一步调移动，所以RF斑纹模式频谱将是一 致的即使绝对信号电平不高。

目标分类库能够是判别过程的有用部分。手中有了多频雷达系 统，必须事先建立目标行为库。为了区分多个目标类别，在库中不仅 能够列出目标(关于RF频率)的频谱行为也能够列出(以中频频带 测量的)低频相关长度。

此外，目标分类库还能够包含目标空间和时间相关功能的信息。 一定的目标在成像器上具有典型的尺寸和形状(空间相关长度)和典 型的可见度时间(相关时间)以及目标部分关于彼此的相对运动(目 标的自相关谱)。

用于室外应用的主动和被动亚毫米雷达的基本敏感度限界由噪 声等效反射率差(NERD)给出。顾名思义，只有大于噪声等效的反 射率差才能够被雷达系统见到。

与常规雷达系统相反，亚毫米车载雷达能够用作成像系统。所以 能够开发一组新的概念：成像雷达需要像素重复率高和每个像素上的 积分时间短。所以并且与由于更短波长所得到的更高空间分辨率一起， 由目标和背景微小移动所引起的斑纹特征在中频信号的振幅信息中变 得可见。它们作为噪声出现，除非保留和检测到了相位信息。某些条 件如下：

.空间分辨率必须具有移动目标(树叶、衣服、车辆部件)的级 别。

.波长必须足够短使得这样的复杂目标的移动引起相位信息的 显著改变。

两种情况亚毫米雷达都能够实现，与其他类型的雷达不同。几厘 米的空间分辨率允许各片树叶、衣服部分和车辆部件被辨别出。典型 情况下，小于毫米级的波长将引起零点几毫米级的微小移动作为移动 驻波比变得可见，即传统的斑纹模式。

不是滤出这些周期成分比如斑纹模式，而是可以估计它们的频率 成分。由于所研究目标微观移动的典型频率范围导致微运动频谱的可 用性对于不同的目标类是截然不同的。

典型情况下，树叶具有每秒几毫米的震荡频谱，引起10s至100Hz 的斑纹频率。衣服具有每秒几毫米的震荡频谱，引起子Hz频谱。常 规雷达系统具有相当10Hz的帧速率并且无法看到这些斑纹模式。在 时间窗口上对选定的像素采取一系列的测量，允许频率分辨率高达几 kHz。利用几个像素的读出值并执行FFT分析或类似类型的某种其他 变换，能够去除某些杂物比如植被对机动车实例的影响。

正如以下将更详细地介绍，能够做到更多。

相关性分析能够向用单频雷达所获得的二维图像增添两个更多 的维度。

人们可以计算任何给定像素“时间反向”的相关时间并且可以计 算“相同时间”任何相邻像素的相关长度。通过计算任何像素关于先 前时间获取的任何其他像素的相关而展现了本方法的全部能力。这种 “完全”相关包含时间相似和空间相似的性质，比如目标关于场景帧 的运动、目标部分关于该目标的其他部分的运动、目标的尺寸和持久 性信息。所有这些性质都可能是内容的特征，能够对多种类型的目标 进行辨别和分类。

对于成像系统应当选择足够高的帧速率，使得背景和目标的相关 时间都慢于帧速率。计算每个像素点与自身“时间反向”(自相关时 间)的相关然后产生了反差增强的图像——典型情况下该目标具有的 持续时间转变为比背景中由于风所引起小运动的植被回声信号持续时 间更长的相关时间。典型情况下目标(比如行人)具有的相关时间比 一座道路基础设施或者如用于广告的纸板人像的相关时间快得多。

取得相同的测量信息并计算像素与其近邻像素的相关产生了特 定类目标的典型相关长度——植被具有由小运动引起的比较小的相关 长度，人具有由此人的尺寸所确定的大得多的相关长度，道路基础设 施往往由于其尺寸具有最大的相关长度。

现在计算了时间相似和空间相似相关后，两个新维度已经被添加 到测量数据：现在不仅能够使用目标的尺寸作为检测工具，而且还能 够使用目标关于雷达系统的持续时间和典型的运动。

这些“完全”相关谱还包含(与雷达系统正交的)速度信息，由 在一组连续帧中与已经可见目标所在的像素有关的清晰相关峰值表 示。在雷达波束方向上的速度信息可以以多种方式得到，方式为当某 帧与先前帧相关时，识别该目标的位移或尺寸。

使用多个亚毫米频带

由于可用亚毫米频带之间相对大的频率距离，所以在不同频带中 给定障碍的由障碍材料的基础物理性质所引起的雷达有效截面将不 同。人体将以近似相同的方式反射一切THz波——在人皮肤之下遇到 的损失充当了与辐射频率无关的几乎完美镜面。具有0.5mm...1mm厚 度的典型树叶显示了法布里泊罗(Fabry-Perot)谐振效应，此处与雷 达波束正交的投影树叶厚度将是材料中半波长的奇整数倍，引起了相 消干涉。在其他频率上，同一树叶具有的厚度对应于材料中半波长的 偶整数倍，引起相长干涉。相消干涉造成零雷达有效截面因此不可见 的树叶，相长干涉频率将产生最大的雷达有效截面。

为了充分利用这些性质，可以使用多频雷达系统并可以相干地评 估所得到的图像。选择不止一个频带(如三个)，在一定频带内得到 的每幅雷达图像都被赋予了预定的“THz颜色”。随后，从特定场景 在一定时间得到的全部图像(“THz颜色提取”)被重叠形成伪彩色 图像。这就产生了雷达响应的频率依赖到更适合图像处理的彩色图像 的转换。将若干频带与颜色相关联引起在人体上获得“白色”图像而 在叶子上获得“多彩的”回波，其中草叶具有更高的频率，与树叶相 比相消干涉首先出现。树叶的频率又高于针叶。纸板墙和交通标志具 有明显的非白色颜色，在图像的大部分上变化不快(看起来象水上的 油点)。人行道上黑色冰层也具有典型的颜色缓慢变化外貌。相反， 雪完全是黑色的——雪面上的多个反射作用吸收了进入的全部辐射。

所以伪彩色亚毫米波和THz成像用于根据目标的物理表面结构 而区分它。在所有频带中得到的总信号振幅最终象征着雷达有效截面。 在这种数据集上，可以根据“THz颜色”映射区别参数。例如可以获 得三个频带的图像。“红”色提取在350GHz获得，“绿”在450GHz 而“蓝”在500GHz。人的回波对所有频带会是共同的。树叶和灌木 丛的回波具有很强的频率依赖性。重叠这三种颜色的图像产生伪彩色 图像，其中人的回波是“白色”而树叶的回波证实是有色的。因此在 相干雷达系统中多频带成像能够用于增强反差并且能够对目标进行分 类。

在亚毫米成像雷达应对的场景中，一切被成像的部分都比所用辐 射波长大得多。这与传统雷达形成鲜明对比，其中典型的成像目标具 有颇有几个波长的典型维度。结果，THz雷达图像包含比传统雷达多 得多的成像目标表面性质的细节。在自然目标的表面上，频繁地发现 具有若干亚毫米特征长度的典型结构。这包括树皮、树叶、衣服以及 交通标志上的反射表面。所以，与微波雷达图像相比，在障碍物上一 定点的所遇到的雷达有效截面多得多地依赖于以窄带方式所使用的雷 达频率。提取和处理这种信息意味着它能够用于目标或障碍物的检测 和分类。

正如已经介绍，能够从雷达信号中提取最大限度的信息量，方式 为使用周期成分中的变化比如空间谱(目标多大、多小)、低频谱(目 标中小的部分相对于该目标移动得有多快)、中频频谱(整个目标相 对于雷达系统移动得有多快)以及颜色-RF频谱(目标的反射率随着 THz频率如何变化)。

考虑这种信息并考虑先前得到的帧便为雷达系统产生了第一目 标辨别工具。利用这样的工具，人们能够避免使用如对系统噪声具有 最负面影响的中频频谱，以便实现具有与多普勒雷达可比较信息的连 续波雷达。

接收反射的任何雷达系统都受限于其噪声等效反射率差 (NERD)。小于它的反射率差都无法被检测出。降低该NERD对于 增强实用雷达系统极其重要。

为了增强NERD存在着两种基本不同的策略：

1：增加给定反射率差上所得到测量信号差。不是工作在单一频 率上而是运行在一组频带上，增强了给定反射率差上所收到的信号差， 只要反射率本身是依赖于频率的。

2：降低测量系统的噪声。不是工作在单一频率上而是运行在一 组频带上，即使反射率不依赖于频率，引起所得到的数据量加倍，从 而允许通过对加倍的测量数据量积分而识别该目标，由于噪声趋向在 更多的积分时抵消所以有效地降低了噪声。

不仅考虑测量系统的噪声还考虑由雨和雪所引起的噪声，测量一 组频率也允许减少这种噪声——测量中唯一相关部分就是该目标。雨 的散射和吸收强烈随机地依赖于频率。

运行在一组频带上有效地除去了一切斑纹效应。斑纹是一切相干 雷达系统的低劣副产品，由发射机、目标和接收机之间的驻波引起。 斑纹滤波通常以相当量的信噪比和测量信号的动态范围为代价。多频 雷达系统运行在足够多的频率时，不需要任何斑纹滤波器。

在同一亚毫米频带内使用多种设置

通过改变例如像素分辨率、图像的积分时间和中频范围的设置、 以及以不同设置获取的图像对比也能够得到伪彩色成分。从这可得到 图像中几个点处更准确的多普勒信息。在更高的分辨率上执行了轮廓 提取后，这种速度信息被分配到由该高分辨率轮廓所界定的整个目标。

系统组件：Tx单元

多色THz雷达需要多组倍频器或能够产生相当大输出功率的单 组倍频器，用于一组频带内的目标照明。适于车载应用的频带是由大 气窗口确定的350GHz、450GHz和515GHz。如果使用了锁相，连续 波发射机更实用，因为使用SAR技术能够根据所得到的CW结果计 算任何脉冲响应，并且通过脉冲调制发射机输出就有可能扰乱任何锁 相。

系统组件：Rx单元

对于多色THz雷达的接收方，分谐波混频器级是适当的。在这 里所需要的本机振荡器频率更低，通常低二或三倍，并且能够更容易 地产生可用于泵推该混频器的功率。在波束分路器中使用法布里泊罗 (Fabry-Perot)谐振器级能够完成不同颜色频道的分离。与仅仅能够 使用30％的信号产生测量信号的吸收性解决方案相比，在这里能够使 用几乎80％的进入多频信号。通过将本机振荡器和RF部分分离到三 个独立单元之中，发射的THz总功率增加了3倍，它使系统的信噪比 增加了3的平方根倍，即大约1.7倍。其他解决方案是在每个RF频 带的每个RF源信号上基于单边带上转换器使用边带发生器。对每个 RF频带使用不同的边带位移，需要仅仅一个传统的混频器，并且多 个RF频带通过频率多路复用都包含在中频信号中。

即使这里Rx单元也要求多组倍频器或能够产生相当大输出功率 的单组倍频器，用于一组频带内的目标照明。用于谐波混频的适合的 频带是175GHz、225GHz和257.5GHz。所有这些频带彼此都不是谐 频，所以RF串扰将不会是问题。

因为二维成像雷达系统对可用的瞬时中频带宽具有非常苛刻的 要求，信噪比是个问题。(对RF带宽的限制要宽松得多。)使这满 足的唯一方式为同时测量一组THz频率从而避免对增加带宽调制技 术的使用。另一方面——同时测量一组频率使得到的正交数据量成倍 增加并允许进一步减少系统的噪声。

由于通过考虑目标反射率的RF频率相关性而得到的信息多于传 统的雷达系统，所以出现了分类能力的上升。使用典型RF频谱库， 雷达目标的分类变为可能。尤其是植被(树叶)具有THz波长级别的 厚度。它们的回波因而在频率上变得随机。几个频道之间的任何相关 性分析都有效地去除了由树叶所引起的一切回波。

通过具有几个仅将目标信息作为相干基础的独立频道能够获得 增强的对雨雪的抵抗能力。任何大气添加的噪声和雨/雪噪声(时间上 和频率上)都表现为随机反射率。所以频道对之间的相关函数从雷达 信号中有效地去除了雪和雨。传统的雷达系统由于法规限制具有非常 有限的带宽。这不适用于亚毫米雷达。可以使用全部频率空间来降低 噪声。

任何相干雷达系统中由发射机、目标和接收机天线之间的驻波所 引起的斑纹效应都能够被减小。这种驻波模式极为依赖于频率。所以 使用几个频道工作能够有效地去除有害要的斑纹效应并且不需要去斑 纹滤波。

图1A至图1C，雷达系统实施例的示意图

图1A显示的系统具有发射机10、第二发射机15和单个接收机 20。发射机从不同的角度照射目标70，所以接收机接收两种不同的信 号。尽管显示了两个发射机，但是可以有多得多的发射机，取决于应 用。在这种情况下可以把角度视为接收机视野中心线与发射机照明区 中心线之间的角度，如果发射机或接收机具有跨越其各自视野所扫描 的波束。接收机能够以许多方式区分来自不同发射机的信号。可以使 用不同的亚毫米波带，或不同调制，或者例如可以使用时间多路复用。 具有不同角度的每个下转换信号都被馈入信号处理部件30。这些部件 可以包括用于确定有关内容的信息的部件35，以及部件38，它使用确 定的信息判断该内容的位置或方位。在某些情况下，能够使用它创建 更可识别的可以用于许多意图的内容图像。它能够与使用其他技术所 导出的信息结合，正如以下更详细的介绍。

图1B显示了与图1A实施例相似的实施例，但是在这种情况下， 存在着第二接收机25和单个发射机。这使得我们能够以相干方式测量 作为观察点的函数的雷达有效截面的差异，该相干方式导致计算该表 面法线角度位置的方式。另外存在着在两个观察点处同时发生的斑纹 模式的空间位置完全相关的有关信息。同样是接收了两个不同的信号 并且来自两个不同角度的下转换信号被发送到信号处理部件。

图1C显示了与图1A实施例相似的实施例，但是在这种情况下， 存在着单个接收机20和单个发射机10。为了从不同角度获得两个信 号，该接收机(或该发射机)从在时间T1的第一位置移动到在时间 T2的第二位置。这使得我们能够以相干方式测量作为观察点的函数的 雷达有效截面的差异，该相干方式导致计算该表面法线角度位置方式， 假设源在目标的持续时间之内移动。另外存在着在两个观察点处同时 发生的斑纹模式的空间位置部分相关的有关信息。同样是接收了两个 不同的信号并且来自两个不同角度的下转换信号被发送到信号处理部 件。推广此原理，能够在不同的角度获得许多信号并将其用作相关阶 段的输入。对信号处理可用的正交和相关信息越多，图像的鉴别就将 变得越好。

图1D运行的步骤：

图1D显示了根据实施例的系统运行步骤。步骤40，以第一发射 机-接收机对的第一角度进行了扫描。在步骤42对不同角度进行了第 二扫描。在步骤44两个信号受到下转换并且在步骤46被变换以产生 频谱，如果这对提取信息是必要的。在步骤48进行了相关以提取该内 容的信息特征。在步骤52这被用于确定视野图像的哪些部分表示给出 镜面反射的内容表面。这使得在步骤54能够在雷达二维扫描的情况下 从该表面的x、y位置进行其真实位置的估计。这给出了离扫描中心线 的偏移量进而给出了偏移角，它能够添加到各自中心线之间的角度， 或者从其减去。

能够以多种方式进行距离估计，比如改变雷达的焦点和检测图像 的清晰度。步骤56涉及对来自不同角度表面的图像进行匹配以将相似 位置或具有其他相似度比如表面特征或相似抖动的表面分组。

在步骤58，能够从在不同角度可见的表面部分和表面的法线方位 的信息建立目标的三维表达。通过在发射机与接收机之间的三角测量 或者例如不同扫描的不同角度之间的三角测量能够确认或调整距离信 息。通过在已知点之间的插值能够填充三维表达，并且通过确定检测 到的目标是什么类型，或者例如与已知目标类型库进行比较，能够帮 助这个过程。

图1E显示了来自目标70弯曲表面两个波束的反射平面图。它显 示了在两个波束的反射点处的表面法线，以及发射机80和接收机90 的中心线。还以虚线显示了反射点之间中的一部分表面，由于来自它 的任何镜面反射都在检测不到的角度，所以没有检测到。一旦建立了 两个反射点的位置和方位，这部分就可能被插值得到。

在接收机收到的两个信号能够分解为若干图像。在第一幅图像 中，峰值镜面反射将显现为中心左侧的区域或直线或点。在第二幅图 像中，峰值镜面反射将显现为接近图像中心的区域或直线或点。

图2，雷达系统实施例的示意图

图2显示了包括发射机和接收机部件以及对发射机锁相的相干解 调器的系统的若干部分。它产生的下转换信号具有时变的相位和振幅 分量，对给定像素包含周期分量，该周期分量取决于该雷达系统视野 中该点的内容。原则上接收机和发射机能够是任何类型的，扫描的或 其他方式的，扫描为例如一维、二维或三维。范围能够是适合该应用 的任何范围，所以车载应用可能需要100m的范围或更多，而对于医 学扫描或材料分析的应用可能需要几米或小于一米的范围。能够以多 种方式实施锁相，以下将更详细地介绍某些实例。

信号处理部件30能够从下转换信号中的相位和振幅信息来区分 有关内容的信息。信号处理能够以任何方式实施，离线或实时，以用 于通用处理器的软件，或以可编程或专用硬件，或者其他常规技术， 以适合每种应用的成本、速度、功耗和其他准则。

图2显示了照明目标70的发射机，而反射由接收机90接收。以 显示为RF₁、RF₂和RF₃的不同亚毫米波长频带进行多次窄带扫描。 解调器110被锁相到发射机，利用了向两个部件都馈送的本机振荡器 100。解调器能够选择地解调多个频带并且输出中频IF信号，例如不 是作为并行数据流就是顺序地以连续线或列或帧的形式。

对于总IF频带的选定部分，频谱分析器150为每个像素输出许 多谱。这些谱可以是频谱也可以是某种其他变换。显示了频谱的三个 “容器”，可能存在数千或数百万个像素，所以为了清楚起见仅仅显 示了它们的几个。频谱150对于RF带1和IF带1。频谱160对于RF 带1和IF带2。频谱170对于RF带2和IF带1等等。

部件180处理这些频谱以提取由内容抖动、斑纹模式和表层干涉 效应所导致的内容的特有特征。以多幅轮廓图形式的原始结果被存储 在存储器220中，并且可以受到部件200的目标检测和分类。这能够 根据目标模型库210比较其特征或阈值。所期望的内容目标能够被增 强而不期望的杂乱回波能够减少或去除。这能够产生显示内容的图像 230。

图3显示了运行步骤，以扫描视野的扫描步骤240开始。下一步 在步骤250相干地解调所接收的信号。在步骤260，下转换的信号从 时间域被变换以产生频率或类似的谱以突出周期分量中的变化。在步 骤270，例如通过多种类型的相关提取了内容的周期分量特征的若干 特点。在步骤290通过与模型对比能够对目标进行分类，而在步骤300 能够输出这些特点和分类并用于所有目的。某些实例是例如输出图像、 警告或帮助驾驶员控制车辆的控制信号。

图4：根据另一个实施例的系统图

图4显示了具有顶端发射链的亚毫米雷达系统。这包括RF发生 器310，被安排为接收用于不同的亚毫米频带的11-14GHz量级的多种 不同振荡器的频率，并输出350到515GHz的驱动信号以驱动发射机 天线315，该发射机天线可以是例如号角，或者本领域技术人员公知 的其他天线。部件320整形并扫描发射波束以覆盖所述视野。原则上 发射和接收部件可以是广角的而不是扫描的。

部件340整形并扫描视野中的接收波束。接收天线335将在350 到515GHz接收的信号馈入混频器345进行下转换。该混频器可以是 分谐波的混频器，并且由来自本机振荡发生器部件330的本机振荡器 信号馈给，被频率和时间控制部件325锁相到用于发射机同一振荡器 信号。本机振荡发生器部件能够接受11至14GHz的锁相振荡器信号， 并且能够向混频器输出175至258GHz的频率。

混频器向中频处理器部件350输出具有0至11.8GHz范围的下转 换信号。这馈给图像处理部件355，它能够供给用户界面或进一步处 理部件。

图5、图6和图7，频率和时间控制的示意图

图5显示了如何实现图4的频率和时间控制部件325的实例，用 于图1、图2、图3或图4的系统实施例或者其他实施例中。公共或参 考振荡器信号从稳定源被馈送给了分数M/N锁相环375，它输出所述 源M/N频率并且与所述源有固定相位关系的信号。这是拆分并且一个 通道经由另一个锁相环M1/N1380去往RF发生器部件310，以便提 供11至14GHz的信号。另一个通道经由另一个锁相环M2/N2385去 往本机振荡发生器330，以便提供与公共源以及与向发射机提供的信 号有固定相位关系的11至14GHz的信号，以给出相干解调。去往本 机振荡发生器的信号将以稍微不同的频率，使得该差异给出混频器输 出的频带。该差异将取决于值N1、M1、N2、M2的选择，该差异可 以改变的步长将取决于N和M。未显示的雷达系统的控制计算机能够 用于设置或改变这些值。部件375设置若干步长，能够以其改变本机 振荡与RF频率之间的差异。实际上的RF频率是部件375和部件380 的产品，本机振荡是部件375和部件385的产品。M、N的选择产生 了若干步长，发生器380和385输出的频率之间的频率差异能够以其 步进(这种M/N*Fosc取代了在PLL中使用的通常固定的石英参考， 允许更灵活和可编程的RF频带结构)。传递到310和330的频率然 后由下式给出：

M*M1/(N*N1)*Fosc以及

M*M2/(N*N2)*Fosc

由本机振荡器和RF源最后产生的频率从而由下式确定：

M*M1/(N*N1)*Q*Fosc以及

M*M2/(N*N2)*Q*Fosc

其中输入频率是Fosc，而因子Q由频率倍增器块的固定硬件配置给 出。

选择因子M、N、M1、N1、M2、N2为成对的素数以非常高效 的方式降低相位噪声，因为“相位校验时间”会尽可能不同步。此外 它避免了由信号串扰在同一频率或者分谐波和谐波频率引起的幻影响 应。这种特征受到了特别关注，因为它可用于计算在大的中频范围上 的中频相关，其中(在以上PLL中使用的)若干主频率的至少某些将 被用作中频频率。将主频M*M1/(N*N1)*Fosc、 M*M2/(N*N2)*Q*Fosc、M*M1/(N*N1)*Q*Fosc、M*M2/(N*N2)*Fosc 以及M/N*Fosc从分析的中频区域中移出增大了系统的动态范围。

图6和图7显示了用于实现图5中使用的锁相环发生器380或385 的替代实施例。在图6中显示了锁相环。分频器400将输入频率除以 因子N。它被馈送给相位比较器405的一个输入。输出是相位误差， 被馈送以调节电压控制的振荡器410。它的输出被馈送给分频器415 将该频率除以因子M，并且将其馈送给相位比较器的另一个输入。这 意味着VCO 410的输出将具有输入信号M/N倍的稳定而锁相的频率。 选择的M和N应当不具有公因子并且彼此相对为素数值，使得它们 不会彼此互锁。应当提供不同部件的分开供电以及在时间上平均散布 同样多的更新点，以便在本机振荡器与发射机之间保持良好的相位关 系。

图7显示的替代实施例具有与图6类似的锁相环布局，但是在 VCO 410之后的倍频器411是控制回路的一部分。这种倍增器将频率 乘以因子Q，在某实例中可以为36。倍增器的输出是整体输出，并且 也被反馈给相位比较器的第二输入，经由的环节具有法布里泊罗“锐” 带通滤波器412、功率检测器413、检测滤波和非滤波功率比值的部件 414，后面有另一个VCO 416。提供的第二功率检测器417用于检测 带通滤波器前的功率。整体输出是输入频率QM/N倍的锁相信号。这 有效地将RF或本机振荡发生器的某些倍增阶段合并到分频发生器 中。这能够有助于减少由倍增器引入的相位误差，但是代价为分频发 生器更复杂的构造。在图6或图7的任一幅中，值M和N能够由控 制计算机编程，当使用不得不以不同的RF频率顺序地获得帧的单频 雷达时，判断亚毫米波段的哪个部分正被用于当前的图像。对于真正 的多色系统，为了同时获得不同RF频率的图像，需要几台发射机和 接收机。

配置了特定帧的测量设置后，雷达系统的控制计算机能够安排M 和N的实际值。“简单的”锁相环(PLL)结构在图6中可见：

以相位比较器405开始：该相位比较器产生与输入信号的相位差 成比例的信号。所以如果两个输入的信号具有相同频率从而相位差不 变，它产生不变电压。当两个输入的频率不同，在输入处的相位差将 随时间线性地增长(或收缩)(确切地说，相位差以2π为模获得， 引起锯齿信号)。对这个相位检测器的输出使用滤波器，我们必须确 保如果下输入通道携带的频率低于(高于)上输入通道，相位检测器 输出的平均值将是正的(负的)。将这个信号馈送到电压控制的振荡 器(VCO)410，更大(更小)的输入电压将引起更高(更低)的频 率，引起(在使用分频器415由可编程因子M分频后)相位检测器 405的下输入处频率的提高(降低)，有效地纠正了在第一位置中发 现的频率不合。在稳定的情况下，由VCO 410产生的频率将比在相位 检测器405上输入处所发现频率高M倍。这种上输入的频率自身通过 使用分频器400将输入频率F_in除以N给出。所以在假设锁住了PLL 的情况下输出频率将为M/N*F_in，即相位检测器的输出频率是平滑的 并且在更长的时间不包含任何锯齿串。输出处的频率M/N*F_in(使用 当今的分频器技术)被限于几十GHz。为了产生亚毫米波的频率，我 们必须向这个PLL的输出添加因子为Q的固定倍增器链。从而由倍 增器产生的相位噪声在“环路外”，所以不被PLL滤波器减少。

图7的替代方式实际上是锁频环(FLL)，因为相位不是直接被 锁定，仅仅通过锁频间接地锁定。注意，当使用这样的FLL发生器模 式时，输入与输出频率之间的相位关系在较长时间上缓慢滑动。所以 人们不得不提供参考通道并且不得不将下转换级加倍。然后参考相位 和测量相位可用，其差异产生了到该目标的相位延迟。这里VCO 410 的输出在倍增器411中乘以因子Q。分析这种输出信号所使用的锐带 通滤波器的中心在所关注的RF频率区间之外。使用功率检测器417 将来自锐带通滤波器的信号与整体输出进行对比，“锐”与“宽”或 非滤波输出的比值产生了随RF频率升高而上升的控制电压。这种依 赖于频率的电压被传递到第二VCO 414，在那里产生了下参考频率， 它以与图6类似的方式闭合了回路。存在着一组基本差异：(在413 中)使用仅仅依赖于总吸收能量的低通滤波变量破坏了输入频率与输 出频率之间的相位关系。

图8、图9射频发生器部件和本机振荡发生器部件的系统实施例

图8显示了图4或其他实施例中使用的RF发生器部件310的可 能实现。锁相振荡器信号被馈入12GHz输入放大器450。它将10-16 GHz的信号馈入串联的×2×2倍增器和放大器455以及给出三级×2的 进一步频率倍增的倍增器460。最后波导滤波器465获得了 320-512GHz的信号，并且施加了350GHz的截断。可以使用其他值产 生其他的亚毫米波段。

图9显示了本机振荡发生器部件的示意图，具有相似环节中的对 应部件，但是具有一半频率的端点输出，如果使用分谐波混频器这是 适宜的。锁相振荡器信号被馈入12GHz输入放大器480。它将10-16 GHz的信号馈入串联的×2×2倍增器和放大器485以及给出两级×2的 进一步频率倍增的倍增器490。最后波导滤波器495获得了 160-256GHz的信号，并且施加了175GHz的截断。可以使用其他值解 调其他的亚毫米波段。

图10和图11，用于相同系统实施例的中频处理部件350

图10显示的实现包括向IQ混频器505馈送的本机振荡2发生器 500。来自混频器345的信号也经由输入放大器515被串联跟随的输入 放大器510馈入混频器的第二输入。IQ混频器的输出是65MHz的合 成信号，馈入中频2处理器520，在图11中更详细地显示它。图10 和图11中所示的部件能够在数字域中实现，如果在电路中的合适点包 括了采样器。

图11显示了中频2处理器520的可能实现。输入被馈入65MHz 范围选择器560，然后它经由输入滤波器555馈入另一个IQ混频器 580。到这个混频器的另一个输入来自本机振荡2发生器550，提供的 信号具有0-65MHz的范围。混频器将频率范围为44.1kHz的信号输出 到用于通过降采样和平滑以降噪的有限响应滤波器565。适合的集成 电路实例是Analog Devices的AD 6620芯片。这馈入实现对输入信号 的完全积分解调所需要的进一步的有限响应滤波器570，它又馈入用 于降采样和噪声压制的自相关器575。这种模式相当传统并用在如 GSM移动站中。数据降采样的目的是增加由AD转换器提供的有效位 数。使用这种三重滤波器的模式允许物理上的12位转换器产生22位 的合成数据。这些FIR滤波器的第三个可以另外用于上下边带信号的 去相关，只要这些边带被进行了相关(正如在具有零净频率位移的植 被回波的微动中)。

图12和图13：图像处理部件的实现

图12和图13显示了用于图4中系统或其他实施例的图像处理器 355的部分实现。来自中频2处理器的原始中频信号是一序列的频率 域信号，表示序列中每个像素处的频谱。原始中频信号被馈入二维帧 发生器600中，以便构造目标的图像“帧”。为了这个目的，帧发生 器600接收定时和同步信号，表明在给定时间雷达波束已经被指向了 何处，以及该雷达经由所述“同步和状态通道”已经以哪个RF频率 运行。这就允许将像素坐标分配给从中频2处理器到达的测量数据。 对于发射机和接收机波束的完整扫描，该目标的完整帧可用。

从而二维帧发生器用每个像素的频谱信息填充了帧存储器610中 的相关位置。每个频谱在一定数量帧的时窗上确定，并且这个时窗在 时间上滑动一帧的时间用于确定下一帧的频谱。帧存储器由现在将解 释的许多相关器件存取。中频相关器615在中频中寻找多普勒频移， 它将指示目标在波束轴中的运动，假设所有运动的周期都低于帧的间 隔。这涉及来自先前帧的同一像素频谱的自相关，以便确定频谱中峰 值的频率，以及确定该峰值是否以内容抖动的具体频率特征正在移动。 这就提供了穿过自适应滤波器635的输出，一旦全部像素都被处理便 建立伪彩色图像，以显示具有共同特征抖动频率的图像区域。

空间相关由像素相关器620使用当前像素周围的移动64×64网格 像素进行，随后是建立图像滤波的实践，尽管在这种情况下它是每个 像素频谱的空间滤波，但是它不仅仅是每个像素的振幅信息。接着这 个的是自适应滤波器640，一旦全部像素都被处理便创建另一幅伪彩 色图像，以显示频谱中具有共同的和特征的空间变化的图像区域。这 个数据场而允许在相邻像素之间进行对比，并且以与人类视觉系统中 视网膜类似的方式作用。

帧相关部件625提供了时间相关，它寻找时域的重复或模式作为 给定像素在时间上变化的频谱。接着这个的是自适应滤波器645，一 旦全部像素都被处理便创建另一幅伪彩色图像，以显示频谱中具有共 同的和特征的时间变化的图像区域。这样的操作需要先前帧与现行帧 之间的相关，引起这个单元的别名“存储器”。比较时间上多帧所发 现的时间变化由斑纹引起，它趋向对于在给定距离处且具有特定速度 的目标特定的速率变化，从而将引起给定时间区间范围内的相关峰值。 依赖时间变化的其他来源是来自薄层比如树叶的干涉条纹，它将以给 定周期在风中抖动。其他相关能够由非本征帧相关器630执行，并且 被总结为术语“三维摄像头”，而且能够包括若干帧之间的相关，这 些帧使用了例如不同的亚毫米波段、中频范围的不同部分、不同的照 明深度或照明方向，如果发射机能够实现它，以及不同的聚焦位置， 正如图1A至图1E的实施例所示。接着这个的是自适应滤波器650， 一旦全部像素都被处理便创建另一幅伪彩色图像，以显示频谱中这些 因素中任何一种具有共同的和特征的变化的图像区域。

在图13中显示了图像处理器的这种可能实现的部件B。它显示 了使用多种伪彩色二维图像的多种方式。轮廓提取部件665由许多伪 彩色图像经由加权函数660供给。加权后的伪彩色图像能够被重叠或 结合，并且施加了阈值或其他滤波以输出增强的二维图像，或者简单 地提供元数据以添加到这些图像。例如对于轮廓提取，最大权可能给 予“视网膜”图像，某种权给予多普勒图像，而较小权给予存储器和 三维图像。由轮廓提取施加的处理可以根据来自内容特征库的输入而 进行，它能够提供已知的形状作为模板，以使得能够填满间隙或者例 如识别出形状。

区域提取部件670能够以类似的方式运行，但是可能具有来自多 普勒图像的重加权，以识别出若干目标比如车辆，并且可能使用来自 内容特征库的信息，以便识别出例如表面振动和形状。环境参数提取 部件675可以具有适宜的加权，例如为了识别出雨并在其他图像中对 其进行补偿，或者识别出路面上的冰。

还显示了距离提取部件680，它可以结合来自确定距离多种方式 的信息，比如可识别目标的尺寸，在接收波束的不同聚焦位置处对比 响应以确定哪里的聚焦最清晰，以及通过使施加到发射机的噪声调制 与接收信号中的可检测物进行相关、根据测量的往返时间进行距离修 正。所述噪声调制可以在不同的亚毫米波段之间随机地跳跃。对于例 如在繁忙交通中避免不同车辆上相似雷达之间的干扰，这可能是有用 的。

另一方面，在某些实施例中可以故意地操纵中频信道的频率内 容，方式为对目标应用其他的低频源(如超声)，引起在RF信号上 产生边带，其自身作为中频频道中的频移又是可见的。这样的实施例 可用于提供结构的振动分析，例如检测隐藏的裂缝。使用相干解调给 出了更好的深度分辨率，并且实际上提供了全息数据。这使得任何RF 调制都能够得到重建。

使用这些相关，比仅仅添加伪彩色能够产生更多的信息。例如， 变化快的物品(树叶、灌木丛)在彩色图像中产生“白噪”，在目标 区域上具有重复、稳定相位关系的任何其他目标都将具有稳定的、不 变化的颜色，具有表明其相位稳定性的颜色饱和度。

通过对在相关时间(在此期间该目标来不及改变)内已经得到的 部分图像进行伪彩色配对以及通过对在更长的相关时间得到的部分图 像进行配对，提取了“持久性”或“相关时间”参数，它是被成像目 标的专有特征。

对于车载雷达应用，提供适合基于计算机模式提取的图像是有用 的，而不必对观察人最优化。所以概念“伪彩色”(它已经被用于演 示若干能力)不限于三原色，而是为了对在同一时间与一定的时间偏 差所得到的一组(可能大于10)不同的部分图像进行相关。

图14：使用脱机中频处理和图像处理的替代实施例

这幅图显示了与图4部件类似的若干部件并对以上对应说明进行 了参考。在这种情况下中频和图像处理部件被数据采集部件700替换， 它供给数据存储部件710。脱机图像处理部件755能够执行的功能类 似于图4的中频处理和图像处理部件的功能。

图15和图16用于雷达系统实施例的波束整形和扫描部件

图15显示了用于发射机的机械波束扫描的部件。这有可能被电 子波束扫描替换。在发射波束通道上跟随第一离轴抛物线反射镜800 的是旋转平面反射镜810以提供x偏转(球坐标中也称为φ偏转)。 跟随它的是波浪形圆柱反射镜820以给出y偏转(球坐标中也称为θ 偏转)，后面是固定的第二抛物面反射镜830以提供椭圆波束。提供 的定时控制部件840是为了控制移动部件。聚焦控制由第一反射镜提 供。如果提供了多条波束那么它们的相位可能相接以便具有一条可操 纵波束的效果。典型的波束直径约10厘米。

图16显示了用于接收波束扫描的若干类似部件。在波束通道上 的第一元件是固定的第二抛物面890，随后是波浪形平面反射镜870 以给出y偏转。跟随它的是旋转平面反射镜860以给出x偏转，然后 是离轴抛物线反射镜850可移动以提供聚焦控制。再次提供了定时控 制部件900以便控制三个移动部件的运动并使其同步。

图17至图23，内容抖动和斑纹效应如何能够提供所收到信号频谱中的可检测信息

图17显示了指向给定目标时，给定像素中频信号的时间信号特 征实例的曲线图。时间信号特征包含了中频振幅以准周期方式变化的 序列，由雷达信号在运行时的变化引起。由于在发射机与接收机天线 之间存在着驻波，所以半波长运行时的变化引起驻波从相长干涉情况 变化到相消干涉情况。关于雷达系统具有不变速度的任何目标都将引 起周期性斑纹。具有更随机速度的目标将引起准周期斑纹，其中准周 期序列的时间长度取决于速度的变化率。信号特征的第一部分显示了 较慢速度目标的影响，而第二部分显示了较快速度目标的影响。

图18显示了指向选定类型的目标时，给定像素的中频信号的频 率内容的曲线图，表明了用于目标分类的频率窗口。窗口1被用于移 去背景，窗口2用于标识受关注的目标而窗口3用作移去植被的目的。

粗实曲线显示了对快速移动目标(如植被)得到的中频频率内容。 粗虚曲线显示了为缓慢移动目标(如行人)得到的中频频率内容。它 表示图19所示的时间信号的频谱。细虚曲线显示了从固定背景中返回 信号中得到的中频频率内容。它表示图20所示的时间信号的频谱。

表1显示了从图18表示的窗口上取得的FFT绝对值的平均值表。 括号中的值是相对于窗口1的内容。

表1

现在将解释这张表：

移动快的目标当然在窗口3中贡献最大。背景在此几乎不起作用， 而移动慢的目标在此贡献相当小。考虑相对值，窗口2和窗口3显示 了相似的行为。对于植被以及对于行人，窗口1和窗口2行为相似。 对于背景，在窗口1和窗口2中能够发现的不多。

图21显示了某帧全部像素的原始振幅数据图，以与图22和图23 所示的处理后图像进行对比。正是在频率窗口中对每个像素获得的这 些平均值，才能对所有像素绘图以获得图22和图23所示的处理后图 像。图22显示了窗口3所对应的处理后图像，其中突出了移动快的植 被，正如以上关于图18的解释。图23显示了窗口2与窗口3之间的 差异所对应的处理后图像，其中突出了行人并且使移动快的植被和静 态背景最小化，因为如图18所示，行人在窗口2与窗口3之间具有最 大的差异。

图22描述了与图21相同情况的最快频率窗口(#3)中的振幅。 图23显示了由适当常数加权后的较慢(#2)与最快频率窗口(#3)之 间的差异。全部图形都是在该图形的最大和最小值之间进行了规格化 的等值线图。跨越一条等值线对应于1％数值范围的变化。

为了辨别若干特征能够获得其他处理后的图像，例如通过把强度 乘以因子3或某个其他因子能够获得增强“慢”分量的图像。

图24和图25，引起RF中法布里泊罗效应的薄电介质层

图24和图25显示了薄电介质层的存在如何影响了雷达信号的 RF频率依赖性。这些图形显示了振幅对RF频率的曲线图，以显示某 金属在RF中的法布里泊罗效应。在这些图形中，实线表示反射能量 的实部。虚线表示反射能量的虚部。

图24显示了来自没有涂层的金属表面的掠反射(以低入射角， 几乎平行于表面)。图25显示了现在涂有2毫米厚塑料层的类似金属 表面的掠反射，使得通过该层的波束通道长度约为60毫米。根据这些 图形的对比，可见在图25中的响应不同主要在于左侧大的且周期的变 化，它们对应于随频率变化的相长和相消干涉。因此这能够用于区别 该目标具有给定厚度的表层，或者如果该厚度已知，就能够导出有关 入射角的信息。周期变化出现的频率范围由于第二效应可以变化，但 是周期变化的存在是该表层的特征。

本发明的信号处理器可以实施为硬件、计算机软件或二者的结 合。信号处理器可以包括为执行本文说明的功能而设计的通用处理器、 嵌入式处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA) 或其他可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑、分立硬件组件或者任 何组合。信号处理器还可以实施为计算设备的组合，比如FPGA与微 处理器的组合、多个微处理器、连同FPGA的一台或多个微处理器， 或者任何其他这样的配置。

本发明还包括计算机程序产品，当在与相关硬件结合的计算机设 备上执行时，提供了根据本发明的任何方法的功能。根据本发明的软 件当在处理引擎上执行时，能够包含若干代码段，它们提供了使用亚 毫米波长主动雷达系统的方法，所述软件用于使用发射机照明视野的 系统，所述软件适于允许对来自该系统视野中内容的信号进行接收和 下转换，通过具有多个照明或接收位置，所述下转换信号包括来自不 同照明或接收角度的信号。所述软件也适于处理下转换信号以确定有 关内容的信息，以及使用从来自两个或更多个角度的信号所确定的信 息判定所述内容的位置和方位。

所述软件可以适于确定来自不同角度的下转换信号的哪些部分 对应于内容中的同一目标，以及通过三角测量确定该目标的位置。

在权利要求书的范围内能够想象其他变化。