專利名稱：使用時(shí)域脈沖信號(hào)快速檢測物體的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用時(shí)域脈沖信號(hào)檢測物體的設(shè)備和方法，更具體地涉及一種使用超寬帶(UWB)RF信號(hào)來檢測視覺上被遮擋的物體的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
UWB技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)了幾十年，在過去它一直用于基于雷達(dá)的應(yīng)用。高速交換技術(shù)的發(fā)展使得UWB技術(shù)對(duì)于低成本的用戶通信應(yīng)用來說更有吸引力。許多公司現(xiàn)在正致力于R&D計(jì)劃，這些計(jì)劃在研究把UWB技術(shù)延伸到高速率通信領(lǐng)域中，并且FCC正在設(shè)定發(fā)射極限，這將允許在未經(jīng)授權(quán)的基礎(chǔ)上就可采用UWB通信系統(tǒng)。
UWB無線電設(shè)備是一種RF通信裝置，它使用高帶寬微波脈沖在寬的頻帶頻譜上采用很低的功率密度來發(fā)射數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。這些裝置可以以很高的速率(對(duì)于無線本地局域網(wǎng)應(yīng)用)以及很低的速率(對(duì)于遙測應(yīng)用)來發(fā)射數(shù)據(jù)。在當(dāng)前FCC規(guī)章允許的功率極限內(nèi)，UWB無線電設(shè)備可以以很低的功率在短距離上攜帶大量數(shù)據(jù)。UWB無線電設(shè)備具有攜帶信號(hào)穿過門和其他障礙物的能力，而這些障礙物往往會(huì)反射在更有限的帶寬并且在較高的功率電平上的信號(hào)。如果使用較高的功率電平，則UWB信號(hào)可以傳播顯著更大的范圍。
UWB無線電設(shè)備廣播使用定時(shí)非常精確的數(shù)字脈沖。UWB無線電設(shè)備不使用正弦波。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)高度同步，并且它們用萬億分之一秒的精度發(fā)送和接收脈沖。UWB技術(shù)用在很高分辨率的雷達(dá)和精確(亞厘米)無線電定位系統(tǒng)中。
由于UWB傳輸是高速脈沖而不是正弦波，因此UWB傳輸對(duì)多徑衰落具有高度抗擾性。同時(shí)接收同一正弦波信號(hào)的多次反射所產(chǎn)生的相長干擾和相消干擾稱為多徑衰落。對(duì)多徑衰落的抗擾性使得UWB技術(shù)非常適于在否則將遭受與正弦波傳輸相關(guān)的多徑衰落的環(huán)境中的應(yīng)用。
UWB裝置使用與許多其它系統(tǒng)相同的日益擁塞的無線電頻率。UWB裝置典型地發(fā)出二十億分之一秒的短電磁脈沖，并且緊跟這些脈沖之后的是該長度的大約200倍的間歇。通過把這些脈沖擴(kuò)展在一個(gè)寬的頻譜區(qū)域(大約1GHz)上，UWB裝置使用極低的功率和極寬的總帶寬。UWB技術(shù)的倡導(dǎo)者設(shè)想很多應(yīng)用，例如啟動(dòng)家庭用具的家庭安全以及個(gè)人區(qū)域網(wǎng)。警察和消防部門目前正在測試可以檢測墻后的人的UWB裝置。
政府和私人產(chǎn)業(yè)在UWB技術(shù)方面的興趣正在增加。感興趣的兩種主要UWB應(yīng)用是用相對(duì)小的功率以非常高的速度來傳輸大量的語音和數(shù)據(jù)，以及提供墻后物體的詳細(xì)圖像的穿墻雷達(dá)。軍事、法律實(shí)施以及營救機(jī)構(gòu)對(duì)精確定位系統(tǒng)也感興趣。FCC已經(jīng)批準(zhǔn)生產(chǎn)有限的UWB雷達(dá)以供警察和救護(hù)人員使用。
上述的穿墻UWB系統(tǒng)可以提供墻后或者可見障礙物后東西的視圖或圖像，但是這種系統(tǒng)不能快速并且可靠地確定這些物體是否是感興趣的有潛在危險(xiǎn)的物體。此外，如果該系統(tǒng)提供了墻后東西的可見圖像，那么有可能該裝置的操作員會(huì)誤解該圖像。因此，需要一種UWB檢測系統(tǒng)，它能夠快速并且可靠地確定可見障礙物后面感興趣的有潛在危險(xiǎn)的物體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種UWB檢測系統(tǒng)和方法，它能夠快速并且可靠地確定墻后或者可見障礙物后面感興趣的有潛在危險(xiǎn)的物體。超寬帶RF脈沖信號(hào)用于探測目標(biāo)區(qū)域。接收并處理來自該目標(biāo)區(qū)域的返回信號(hào)。返回信號(hào)的處理包括把這些返回信號(hào)分解為時(shí)間片特征數(shù)據(jù)。指定一個(gè)感興趣的已知物體，該物體的先存簡檔(preexisting profile)已經(jīng)存儲(chǔ)在一個(gè)數(shù)據(jù)庫中。檢測到感興趣的已知物體的可能性基于一個(gè)矢量的幅度，該矢量代表時(shí)間片特征數(shù)據(jù)和具有先存簡檔的感興趣的已知物體的坐標(biāo)之間的距離。當(dāng)該矢量的幅度小于一個(gè)預(yù)定值時(shí)，向該系統(tǒng)的用戶顯示存在該已知物體。


圖1是描述本發(fā)明的設(shè)備的框圖；圖2是一個(gè)建筑物的圖示，該建筑物有一個(gè)房間，該房間有墻并且包括至少一個(gè)感興趣的物體；圖3是一個(gè)說明用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一些應(yīng)用的圖；圖4是一個(gè)說明與本發(fā)明的設(shè)備和方法相關(guān)的定時(shí)模擬的圖；
圖5描述一個(gè)三維坐標(biāo)系統(tǒng)、位于該目標(biāo)區(qū)域中感興趣的物體的實(shí)際坐標(biāo)、以及來自返回信號(hào)的時(shí)間片特征數(shù)據(jù)；以及圖6是一個(gè)描述用于確定指示檢測可能性的矢量D的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參考圖1，框圖描述了本發(fā)明的設(shè)備。該設(shè)備優(yōu)選地包括發(fā)射機(jī)11、用于發(fā)射UWB脈沖的天線12、用于接收返回信號(hào)的天線13、以及用于分析這些返回信號(hào)的信號(hào)處理裝置14、用于處理該信號(hào)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理裝置15和用于顯示這些結(jié)果的顯示器16。來自天線12的脈沖探測感興趣的物體17，并且這些返回信號(hào)被反射到天線13上。
在該系統(tǒng)的原型版本中有一個(gè)發(fā)射機(jī)11，它包括一個(gè)2×2的固態(tài)寬帶天線陣列12。從該天線陣列12發(fā)射輻射脈沖，該脈沖的上升時(shí)間大約是100-500皮秒，以及它的下降時(shí)間大約是5-10納秒。該天線陣列12以5-7千伏/米的量級(jí)在發(fā)射機(jī)11附近產(chǎn)生一個(gè)電場。一個(gè)dc(直流)電池向該發(fā)射機(jī)11供電。用脈沖接收天線13測量反射的返回信號(hào)，該天線13的接收碟形天線的直徑大約為1米。接收信號(hào)被饋送到信號(hào)處理裝置14中，在該原型系統(tǒng)中的信號(hào)處理裝置14包括一個(gè)Tektronics TEK 7404示波器。數(shù)據(jù)處理裝置16優(yōu)選地包括一個(gè)計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)通過使用TCP/IP協(xié)議和以太網(wǎng)總線被連接到該示波器。在計(jì)算機(jī)15中捕捉來自示波器的信號(hào)并且處理這些信號(hào)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理的結(jié)果隨后顯示在計(jì)算機(jī)的顯示器16上。
理想地來說，圖1中所示的系統(tǒng)尺寸可以減小為包括兩個(gè)單元的人可便攜的系統(tǒng)。第一單元將是手持天線13，類似于雷達(dá)槍，用于探測目標(biāo)區(qū)域以尋找感興趣的物體17。第二單元將包括圖1的其余部件，它們被集成到單個(gè)單元中。很可能，對(duì)于單基地操作，這兩個(gè)單元可以組合成由同一天線進(jìn)行發(fā)射和接收的單個(gè)單元。
現(xiàn)在參考圖2，有一個(gè)房間20的圖示，該房間有墻18，并且該房間20包括至少一個(gè)感興趣的物體17，該物體17可以利用本發(fā)明的設(shè)備和方法而被檢測。箭頭19指示了由本發(fā)明的設(shè)備來照明或探測房間20的方向。在房間20中，感興趣的物體放在架子21上。文件柜22、電踢腳板加熱器23、書桌24以及空調(diào)單元25也位于該房間20內(nèi)。這些物體包括被放置來容納感興趣的物體17的支架，也就是架子21。由于架子21可以以不同角度安置或面向本發(fā)明的檢測裝置，因此架子21的取向可能使它的檢測變得更復(fù)雜。
本發(fā)明不限于檢測位于墻18后感興趣的物體。本發(fā)明實(shí)際上可以應(yīng)用于所有類型的遮掩或可見障礙物?，F(xiàn)在參考圖3，該圖說明其中可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的各種應(yīng)用40。圖3的圖明確了難度逐漸增加的環(huán)境。最不難的環(huán)境是“穿墻”應(yīng)用以及擁擠控制應(yīng)用41。其次較難的環(huán)境是FAA/國家安全應(yīng)用42。最難的環(huán)境是穿過樹葉的應(yīng)用43。“穿墻”應(yīng)用和擁擠控制應(yīng)用41可以使用地面運(yùn)載工具44、手持/固定站點(diǎn)45、安裝在直升機(jī)上的應(yīng)用46或者自動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用47。FAA/國家安全環(huán)境42典型地包括機(jī)場行李安檢48，并且它包括固定站點(diǎn)應(yīng)用49，其包括核電站、大型集會(huì)場所等。困難的穿過樹葉的環(huán)境43包括用于智能軍需品(munition)的安裝在大型飛行器上的源50和無人作戰(zhàn)飛機(jī)(“UCAV”)51。
現(xiàn)在參考圖4，該圖說明與本發(fā)明的設(shè)備和方法相關(guān)的定時(shí)模擬。在圖4中，有兩個(gè)間隔開來的圓柱形物體61、62，它們正被UWB脈沖信號(hào)63照射或探測，該脈沖信號(hào)在時(shí)間t＝0開始。探測信號(hào)照射圓柱形物體61以產(chǎn)生散射圖樣65，并且它繼續(xù)并照射物體62以產(chǎn)生散射圖樣66。在圖4的底部描述了作為時(shí)間的函數(shù)所繪制的探測信號(hào)63。本發(fā)明利用散射圖樣65、66來檢測物體61、62是否是感興趣的物體。
為了檢測物體是否是感興趣的物體，本發(fā)明利用一個(gè)特征圖(signature)數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)在圖1的數(shù)據(jù)處理裝置15中。以不同的方式產(chǎn)生所關(guān)注的物體的特征圖。優(yōu)選地，用UWB脈沖信號(hào)在測試范圍內(nèi)探測感興趣的物體17來產(chǎn)生特征圖。然后在數(shù)據(jù)處理裝置14中存儲(chǔ)返回信號(hào)數(shù)據(jù)，并且隨后使用它以確定所關(guān)注的物體17的坐標(biāo)。不管一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化物體的取向如何，它的特征圖都將是類似的。作為替換，感興趣的物體的坐標(biāo)可以通過從不同方向?qū)ξ矬w所拍攝的多個(gè)圖像或照片來產(chǎn)生。這些圖像或照片可以被轉(zhuǎn)換為感興趣的物體的三維數(shù)字簡檔，并且該三維數(shù)字簡檔可以用來對(duì)感興趣的物體計(jì)算模擬返回信號(hào)。
但是，如果有人打算有大型目標(biāo)庫并且要求準(zhǔn)實(shí)時(shí)的確定，那么確定感興趣的物體位于現(xiàn)實(shí)的目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的可能性是有時(shí)間限制的。但是，本發(fā)明的設(shè)備和方法可以對(duì)該檢測問題提供一種節(jié)省時(shí)間的解決方案。
現(xiàn)在參考圖5和6，圖示和流程圖描述了用于確定感興趣的物體是否位于該目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的技術(shù)。圖5的圖示描繪了一個(gè)三維坐標(biāo)系統(tǒng)。該坐標(biāo)空間僅僅是一個(gè)“特征”空間的概念表示，它也可以是多于三維的，在下面的段落中將描述該坐標(biāo)空間。在該“特征”空間中示出了感興趣的物體的實(shí)際坐標(biāo)91。從時(shí)域返回信號(hào)的任意部分中，提取出該時(shí)間片特征坐標(biāo)92并且在該圖中也描繪出來了。在該技術(shù)中，確定時(shí)間片特征矢量D。時(shí)間片特征矢量代表感興趣的物體的坐標(biāo)91和從返回信號(hào)中得到的時(shí)間片特征數(shù)據(jù)92之間的距離。較小的矢量D的值指示感興趣的物體位于該目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的可能性較高。
現(xiàn)在參考圖6，流程圖描述了用于確定矢量D的方法。在步驟81中，從信號(hào)處理裝置14中得到主要的返回信號(hào)。在步驟82中，數(shù)據(jù)處理裝置15把該返回信號(hào)分解為N/維特征空間，并且指定感興趣的物體的坐標(biāo)。在步驟83中，每個(gè)時(shí)間片特征矢量與其先存簡檔已經(jīng)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中的感興趣物體的坐標(biāo)相比較。在步驟84，基于該矢量D的幅度確定檢測的可能性。
在關(guān)于如何確定這些特征維和特征值上出現(xiàn)了問題，其中這些特征維和特征值在該N維特征空間中定位一個(gè)已知目標(biāo)的體積。研究者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，來自目標(biāo)的寬帶返回信號(hào)可以表達(dá)為高斯和減幅正弦函數(shù)的某種組合。作為在類似的數(shù)學(xué)函數(shù)表示中實(shí)現(xiàn)這些函數(shù)的一個(gè)例子，如T.K.Sarkar，Briefing在“Target ID Using Half FourierTransform(HFT)，CEM Lab，Syracuse University，F(xiàn)all，2000”中所述的，使用半傅里葉空間。分?jǐn)?shù)傅里葉變換通常寫為下面的形式Xα(u)=∫-∞∞x(t)Kα(t,u)dt]]>x(t)=∫-∞∞Xα(u)K-α(t,u)dt]]>等式1其中x(t)＝原始時(shí)間函數(shù)Xα＝分?jǐn)?shù)傅里葉變換該變換的內(nèi)核如下
Kα(t,u)=1-icotα2πei(t2+u2)cotα2e-iutcscα]]>K-α(t,u)=1+icotα2πe-i(t2+u2)cotα2eiutcscα]]>等式2注意，對(duì)于α＝π/2，這可以簡化為常見的傅里葉變換，或者Kπ2(t,u)=12πe-iut]]>K-π2(t,u)=12πeiut]]>注意，對(duì)于半傅里葉變換，α=π4,]]>cot(π4)=1,]]>csc(π4)=2]]>等式3Kπ4(t,u)=1-i2πei(t2+u2)2e-iut2]]>K-π4(t,u)=1+i2πe-i(t2+u2)2eiut2]]>等式4現(xiàn)在，如果我們假定我們的寬帶返回信號(hào)可以通過下述級(jí)數(shù)來表征x(t)=Σn=0∞anhn(t)]]>其中，用下式得到常數(shù)anan=∫-∞∞x(t)hn(t)dt]]>并且我們巧妙地選擇hn(t)，以便∫-∞∞hn(t)Kα(t,u)dt=λnhn(u)]]>
從而分?jǐn)?shù)傅里葉變換變?yōu)閄α(u)=Σn=0∞anλnhn(u)]]>等式5Sarkar表明，當(dāng)使用Hermite多項(xiàng)式Hn(t)時(shí)，∫-∞∞e-t22Hn(t)Kα(t,u)dt=e-inαe-u22Hn(u)]]>這進(jìn)一步建議，當(dāng)我們根據(jù)這些多項(xiàng)式表達(dá)我們的時(shí)域函數(shù)時(shí)，那么hn(t)=e-t22Hn(t)]]>λn＝e-inα等式6其中，通過通常的遞歸關(guān)系來得到Hermite多項(xiàng)式H0＝1，H1(x)＝2x，Hn+1(x)＝2xHn(x)-2nHn-1(x)現(xiàn)在，檢查等式5和6，我們了解對(duì)于一組已知目標(biāo)可以如何定義和規(guī)定n維“特征”空間的定義。特征空間的維數(shù)N變?yōu)榫_表達(dá)高斯或減幅正弦函數(shù)所需要的Hermite函數(shù)的數(shù)量，其中該函數(shù)用于模擬該寬帶返回信號(hào)(在規(guī)定的誤差內(nèi))。然后，常數(shù)αn的值與它們相應(yīng)的誤差Δαn為庫中的目標(biāo)特征定義N-維“形狀”，該形狀的體積從對(duì)αn的點(diǎn)的說明中的誤差來產(chǎn)生。
當(dāng)然，有可能用除了上述之外的特定形式來具體實(shí)施本發(fā)明，而不背離本發(fā)明的精神。因此，上述的實(shí)施例僅僅是說明性的，無論如何不應(yīng)認(rèn)為是限制性的。本發(fā)明的范圍由下面的權(quán)利要求而不是前面的描述來確定，并且處在權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有變化和等效方式都應(yīng)包含在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種使用超寬帶(UWB)RF信號(hào)檢測在目標(biāo)區(qū)域中感興趣的物體的方法，包括以下步驟a)用該超寬帶RF脈沖信號(hào)來探測該目標(biāo)區(qū)域；b)從該目標(biāo)區(qū)域接收多個(gè)返回信號(hào)；c)通過把這些返回信號(hào)分解為時(shí)間片特征數(shù)據(jù)來處理這些返回信號(hào)；d)指定感興趣的一個(gè)已知物體的坐標(biāo)，該已知物體的先存簡檔已經(jīng)存儲(chǔ)在一個(gè)數(shù)據(jù)庫中；e)基于矢量的幅度來確定檢測到一個(gè)感興趣已知物體的可能性，該矢量的幅度代表該時(shí)間片特征數(shù)據(jù)和一個(gè)具有先存簡檔的感興趣的已知物體的坐標(biāo)之間的距離；以及f)當(dāng)該矢量的幅度小于一個(gè)預(yù)定值時(shí)，顯示存在該已知物體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述已知物體的坐標(biāo)被存儲(chǔ)在一個(gè)特征圖數(shù)據(jù)庫中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中感興趣的物體位于墻后。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中感興趣的物體被藏在人身上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中感興趣的物體被樹葉遮掩。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中從運(yùn)載工具中檢測感興趣的物體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該確定步驟包括半傅里葉變換的使用。
8.一種使用超寬帶(UWB)RF信號(hào)檢測在目標(biāo)區(qū)域中感興趣的物體的設(shè)備，包括以下步驟a)發(fā)射機(jī)，用于使用該超寬帶RF脈沖信號(hào)來探測該目標(biāo)區(qū)域；b)接收機(jī)，用于從該目標(biāo)區(qū)域接收多個(gè)返回信號(hào)；c)信號(hào)處理器，用于通過把這些返回信號(hào)分解為時(shí)間片特征數(shù)據(jù)來處理這些返回信號(hào)；d)用于指定感興趣的一個(gè)已知物體的坐標(biāo)的裝置，該已知物體的先存簡檔已經(jīng)存儲(chǔ)在一個(gè)數(shù)據(jù)庫中；e)基于矢量的幅度來確定檢測到一個(gè)感興趣已知物體的可能性的裝置，該矢量幅度代表該時(shí)間片特征數(shù)據(jù)和一個(gè)具有先存簡檔的感興趣的已知物體的坐標(biāo)之間的距離；以及f)顯示器，用于當(dāng)該矢量的幅度小于一個(gè)預(yù)定值時(shí)顯示存在該已知物體。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中該發(fā)射機(jī)包括一個(gè)天線。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中該接收機(jī)包括一個(gè)天線。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中該接收機(jī)和發(fā)射機(jī)共享單個(gè)天線。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中該設(shè)備被安裝在地面運(yùn)載工具中。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中該設(shè)備被安裝在空中運(yùn)載工具中。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中該設(shè)備是一個(gè)手持單元。
全文摘要
公開了一種使用超寬帶(UWB)RF信號(hào)檢測在目標(biāo)區(qū)域中感興趣的物體的方法和系統(tǒng)。發(fā)射機(jī)和天線陣列產(chǎn)生超寬帶RF脈沖信號(hào)，這些信號(hào)用來探測可能包括感興趣的物體的目標(biāo)區(qū)域。天線和信號(hào)處理器從該目標(biāo)區(qū)域接收返回信號(hào)，并處理這些返回信號(hào)以產(chǎn)生一組坐標(biāo)。所處理的返回信號(hào)的坐標(biāo)與一個(gè)預(yù)先存在數(shù)據(jù)庫中的多個(gè)已知物體的坐標(biāo)相比較，以便確定在該返回信號(hào)和一個(gè)已知物體之間是否匹配。當(dāng)有匹配的指示時(shí)，就向該系統(tǒng)的操作員顯示存在該已知物體。
文檔編號(hào)G01S13/93GK1788213SQ200480006704
公開日2006年6月14日 申請(qǐng)日期2004年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月12日
發(fā)明者D·P·麥克萊莫爾 申請(qǐng)人:Itt制造企業(yè)公司