專利名稱：利用共極化和交叉極化映射的定位系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明 一般地涉及定位系統(tǒng)，尤其涉及一種利用共極化和交叉極 化映射，確定目標相對于定位系統(tǒng)的位置的系統(tǒng)和方法。
背景技術：
本地定位系統(tǒng)正在成為需要導航能力的移動設備中一項重要功能 (enabler)，特別是在自控車輛和精確建筑工具的應用中。諸如GPS 的全球定位系統(tǒng)只提供通常不優(yōu)于10cm的中等精度的定位信息，并且 需要有接近地平線的清晰天空視覺。具有分布在工作空間中的有源或 無源組件的本地定位系統(tǒng)，可以允許進行精確得多的定位(例如定位 精度大于1cm)，并且允許用戶按照需要擴充系統(tǒng)，使其即使在最復雜 的封閉地形中也能運行。常規(guī)的本地定位系統(tǒng)包括聲學和激光測距系統(tǒng)。聲學系統(tǒng)通常利 用無線電應答信標來測量設備網(wǎng)絡內(nèi)部的范圍，其中一些設備被固定 形成本地坐標系統(tǒng)。不幸的是，由于聲音在空氣中傳播的特性，聲學系統(tǒng)只能測量精 度到厘米或更多的距離，并且只能在相對較短的距離上測量。基于激 光的本地定位系統(tǒng)利用設備與 一個或更多諸如棱鏡之類的反射目標之 間的角度和距離的測量，對設備位置進行三角或者三邊測量。然而， 現(xiàn)在的激光系統(tǒng)使用昂貴的瞄準機構，使系統(tǒng)成本達到三萬美元或更 高。能夠確定2D或3D位置達到幾個毫米精度的成本相對較低(例如 低于2000美元)的本地定位系統(tǒng)將會在某些應用領域中帶來大批有潛 力的產(chǎn)品，這些應用領域諸如精確室內(nèi)和室外建筑、采礦、精細農(nóng)業(yè) 和大范圍收割和處理。本發(fā)明克服了常規(guī)的本地定位系統(tǒng)在成本和精 確度方面的局限性。發(fā)明內(nèi)容雷達映射的系統(tǒng)和方法提供一種低成本但是高度精確的本地定位 系統(tǒng)。在方法的一個實施例中，發(fā)射具有載波信號頻率和第一極化的第一電磁脈沖。在一段相應的時間內(nèi)接收第一返回信號。該第一返回信號優(yōu)選地具有第一極化。該第一返回信號包括來自定位系統(tǒng)雷達探測區(qū)域內(nèi)目標的第一返回脈沖。處理該第一返回信號，以便將該第一返回脈沖從該第一返回信號中分離。發(fā)射具有載波信號頻率和第一極化的第二電磁脈沖。在一段相應 的時間內(nèi)接收第二返回信號。該第二返回信號優(yōu)選地具有第二極化。該第二返回信號包括來自定位系統(tǒng)雷達探測區(qū)域內(nèi)目標的第二返回脈沖。處理該第二返回信號，以便將該第二返回脈沖從該第二返回信號中分離。根據(jù)第一返回脈沖和第二返回脈沖的相對信號強度確定目標的特征。在一些實施例中，第一極化是右旋圓極化，第二極化是左旋圓極 化。在一些實施例中，該笫一極化是左旋圓極化，而第二極化是右旋 圓極化。在一個系統(tǒng)實施例中，設備配置為發(fā)射具有載波信號頻率和第一 極化的第一電磁脈沖。該設備配置為在一段相應的時間內(nèi)，接收包括 回信號，其中該第一返回脈沖來自定位系統(tǒng)雷 達探測區(qū)域內(nèi)的目標。該第一返回信號優(yōu)選地具有第一極化。該裝置 配置為處理該第一返回信號，以便將該第一返回脈沖從該第一返回信 號中分離。該設備還配置為發(fā)射具有載波信號頻率和第一極化的第二電磁脈 沖。該設備配置為在一段相應的時間內(nèi)，接收包括來自該目標的第二 返回脈沖的第二返回信號。所接收的該第二返回信號優(yōu)選地具有第二 極化。該裝置配置為處理該第二返回信號，以便將該第二返回脈沖從 該第二返回信號中分離。該設備配置為才艮據(jù)第一返回脈沖和第二返回 脈沖的相對信號強度來確定目標的特征。在一些實施例中，第一極化是右旋圓極化，第二極化是左旋圓極 化。在一些實施例中，該第一極化是左旋圓極化，而第二極化是右旋 圓極化。


當結合附圖時，從下述的詳細說明和所附權利要求中，本發(fā)明的 其他目標和特征將變得更加顯而易見。圖1圖解了在一個定位系統(tǒng)的實施例中所實施的操作的流程圖。圖2圖解了所述定位系統(tǒng)的實施例。 圖3圖解了所述定位系統(tǒng)的實施例。 圖4圖解了所述定位系統(tǒng)的實施例。圖5是在所述定位系統(tǒng)的實施例中設備中的典型部件的圖示。 相同的附圖標記在幾個附圖中是指相對應的部分。
具體實施方式
現(xiàn)在詳細地參照本發(fā)明的各實施例，它們的實例被示于附圖中。 在下面的詳細描述中，為了實現(xiàn)對本發(fā)明的全面理解，闡述了大量特 殊細節(jié)。然而，對本領域普通技術人員來說，很明顯地，本發(fā)明可以 在沒有這些特殊細節(jié)的情況下實現(xiàn)。在其它例子中，沒有對公知的方 法、過程、部件和電路進行詳細描述，但這樣不致于使得本發(fā)明的各 個方面不清楚。電磁信號(有時稱作電磁波)具有電場矢量分量和磁場矢量分量。
電磁信號的極化由電磁信號的電場矢量在垂直于電磁信號傳播方向的 平面上的形狀和軌跡確定。電磁信號的極化可以包括線性極化、橢圃極化、右旋橢圓極化、左旋橢圓極化、右旋圓極化(RHCP)和左旋圓 極化(LHCP )。通常，當被目標反射或散射時，電磁信號的極化將會由于電磁信 號的相位改變而變化。散射包括鏡面反射和漫散射。極化在鏡面反射數(shù)之差的結果。正如本領域所公知的，菲涅耳反射系數(shù)是電磁信號波 長、電磁信號入射角、目標和介質(zhì)折射復指數(shù)的函數(shù)，如果有的話， 還是目標和/或介質(zhì)折射復指數(shù)中的各向異性的函數(shù)。極化在漫反射上 的變化包括由目標(例如樹皮)表面的粗糙所造成的多個散射事件， 以及由于穿透目標(例如，樹、樹枝和樹葉)體積的折射系數(shù)中的空 間不均 一 性所造成的多個散射事件。對于初始具有RHCP或LHCP的電磁信號來說，諸如樹的雜波將返 回一個反射的電磁信號，該反射的電磁信號具有基本上相反的圓極 化。相反地，對于初始具有RHCP或LHCP的電磁信號來說，具有基本 上垂直的兩個表面、也稱做二面反射器的角形反射器會引起具有基本 上初始的圓極化的返回電磁信號。一些本地定位系統(tǒng)通過確定從設備到一個或更多具有已知位置的 目標的一個或更多距離來確定該設備的位置。在一些本地定位系統(tǒng) 中，該目標是地標。在一些本地定位系統(tǒng)中，該地標是無源反射器， 例如二面反射器。利用無源反射器的本地定位系統(tǒng)中的一個挑戰(zhàn)是要區(qū)域內(nèi)其它目標的返回電磁信號。另外，區(qū)分自然目標和諸如無源地 標的人造目標通常也很困難。在一些本地定位系統(tǒng)中，地標是有源地標。有源地標接收來自設 備的電磁信號，并且發(fā)射返回電磁信號。在一些實施例中，返回電磁 信號具有極化。返回信號的極化可以與接收信號的極化相同或不同。當從地標和其它目標反射時，電磁信號極化的改變可以用于幫助 區(qū)分來自地標的反射和來自其它目標的反射。特別地，通過發(fā)射具有 相應極化的電磁信號，并比較對應于具有相同的相應極化(共極化) 或正交極化(交叉極化)的返回電磁信號的接收信號的相對信號強度
或信號功率，可確定目標的特征。例如，所確定的特征可以是目標的 粗糙度。該特征使得將無源地標與其它目標區(qū)分開，并且使得將人造 目標與自然目標區(qū)分開。例如，可確定交叉極化(正交極化)的信號強度與共極化(相同 極化)的信號強度之比。該比值對于平滑表面非常低，并且隨著表面 的粗糙度增加，當表面粗糙度的大小大約為電磁信號波長時達到峰 值。相似地，對于由穿透目標體積的折射系數(shù)中的空間不均一性所造 成的多個散射事件，該比值將會很高。然而，對于光滑的無源二面反 射器，該比值將會很低。圖2圖解了一個本地定位系統(tǒng)200的實施例。在一些實施例中， 系統(tǒng)200的雷達探測區(qū)域的最大范圍為50m、 100m、 250m、 500m、 1000m、 5000m或10000m。設備210發(fā)射一個或更多具有載波信號頻 率和第一極化214的電磁脈沖212，在這個示圖中該極化是LHCP。在 其它實施例中，該第一極化214是RHCP。在一個實施例中，電磁脈沖 212持續(xù)1納秒(ns)并且具有6千兆赫茲(GHz)的載波信號頻率。 其它實施例可以利用的電磁脈沖212的持續(xù)時間和載波信號頻率對 是lns和24GHz， 5ns和6GHz，以及l(fā)ns和77GHz。還有很多其它的脈沖持續(xù)時間和載波信號頻率可用于其它實施例中。電磁脈沖212被系統(tǒng)200的雷達探測區(qū)域中的目標反射。目標包 括無源反射器216、植物222和建筑物224。盡管圖2示出了具有一個 設備210和一個無源反射器216的實施例，但是， 一些實施例可以具 有兩個或更多設備、兩個或更多無源反射器，或者兩者皆有。在一些 實施例中，無源反射器216是無源二面反射器或無源角錐反射器。設 備210在一段時間內(nèi)接收包括一個或更多返回脈沖在內(nèi)的一個或更多 返回信號218。諸如返回信號218 - 1或218 - 2的相應返回信號(由 特定目標的初次脈沖反射產(chǎn)生的)的極化220，或者與第一極化214 基本相同，或者具有與第一極化214基本垂直的第二極化。在一些實 施例中，笫一極化214是RHCP，而極化220是LHCP或RHCP。在一些 實施例中，第一極化214是LHCP，而極化220是LHCP或RHCP。通過 比較共極化和交叉極化的返回信號218的相對信號強度或信號功率， 可確定諸如目標粗糙度的目標特征。這就使得將具有光滑表面的無源 反射器216與植物222和建筑物224區(qū)分開。
特別地，為了生成特定區(qū)域(例如，設備210附近或周圍)的雷 達映射，設備210發(fā)射具有載波信號頻率和諸如極化214的笫一極化 的至少第一脈沖，諸如脈沖212-1。該設備接收優(yōu)選地具有諸如極化 "0的第一極化的第一返回信號，諸如返回信號218-1。該第一返回 信號包括至少第一返回脈沖。設備210處理該第一返回信號，以便將 該第一返回脈沖從該第一返回信號中分離。該設備還發(fā)射具有載波信 號頻率和第一極化的至少第二脈沖，諸如脈沖212-2。注意到，圖2 中用于發(fā)射脈沖212和返回信號218的箭頭僅僅是為了解釋的目的， 而不一定非要表示該脈沖和返回信號具有特殊的方向性。在一些實施 例中，該發(fā)射脈沖是各向同性的，而在其它實施例中，它們是方向會 聚的。該設備接收諸如返回信號218 一 2的第二返回信號，該第二返回信 號優(yōu)選地具有基本上正交于該第一極化的第二極化，諸如極化220。該 第二返回信號包括至少第二返回脈沖。該設備210處理該笫二返回信 號，以便將該第二返回脈沖從該第二返回信號中分離。該設備210根 據(jù)該第一返回脈沖和該第二返回脈沖的相對信號強度，確定目標的一 個或更多個特征。在一些實施例中，該特征是目標至少一個表面的粗 糙度。在一個示例性實施例中，第一極化是RHCP，而第二極化是LHCP。 在另一個示例性實施例中，第一極化是LHCP，而第二極化是RHCP。在 又一個實施例中，響應發(fā)射脈沖，基本上同時接收具有兩個極化的返 回信號。在本地定位系統(tǒng)200的變型中，目標可以包括至少一個可選有源 地標226。該有源地標226返回具有載波信號頻率的電磁脈沖228。該 返回電磁脈沖的極化220與第一極化214基本上相同，或者具有基本 上正交于第一極化214的第二極化。在一些實施例中，該返回電磁脈 沖228具有與該載波信號頻率不同的第二載波信號頻率。在一些實施 例中，返回電磁脈沖226是幅度或頻率調(diào)制的。在一些實施例中，返 回電磁脈沖226是方波。在一些實施例中，返回電磁脈沖226是被編 碼的。例如，該返回電磁脈沖可以利用如下方式編碼開關鍵控、正 交幅度調(diào)制、連續(xù)相位頻移鍵控、頻移鍵控、相移鍵控、差分相移鍵 控、正交相移鍵控、最小移位鍵控、高斯最小移位鍵控、脈沖位置調(diào) 制、脈沖幅度調(diào)制、脈沖寬度調(diào)制、Walsh碼調(diào)制、Gold碼調(diào)制、Barker
碼調(diào)制、偽隨機噪聲序列調(diào)制或dc-free碼，該dc-free碼在零時間 偏移上具有1的自相關，并且在非零時間偏移上具有基本上接近零的 自相關。有源地標226的使用使得將返回電磁脈沖228在距離本地定 位系統(tǒng)200中的設備210更遠的距離上區(qū)分開。圖1圖解了具有共極化和交叉極化雷達映射的定位系統(tǒng)中操作實 施例的流程圖。在112，發(fā)射具有第一極化的第一脈沖。在114，接收 包括至少第一返回脈沖的笫一返回信號。在116，處理該第一返回信 號，以便分離該第一返回脈沖。在118，發(fā)射具有第一極化的第二脈沖。 在120，接收包括至少第二返回脈沖的第二返回信號。在122，處理該 第二返回信號，以便分離該第二返回脈沖。在124，根據(jù)該第一返回脈 沖和該第二返回脈沖的相對信號強度來確定目標特征。圖3是定位系統(tǒng)實施例300的圖解。設備310包括多個發(fā)射器312 和一個接收器320。設備310發(fā)射至少第一組脈沖314。脈沖314被目 標316散射。設備310接收返回信號318。圖4是定位系統(tǒng)實施例400的圖解。設備410包括一個發(fā)射器412 和多個接收器420。設備410發(fā)射至少第一脈沖414。脈沖414被目標 416散射。設備410接收一組返回信號418。圖5是定位系統(tǒng)實施例中諸如設備210、設備31G和設備410之 類的典型設備510中各部件的圖解。設備510中的一個或更多發(fā)射器 和一個或更多接收器都未示出。該設備包括至少一個天線508。在一些 實施例中，設備510可以包括至少一個圓極化天線。在一些實施例中， 設備510可以包括用于發(fā)射和接收的至少一個極化天線。在一個實施 例中，設備510包括兩個天線， 一個用于發(fā)射和接收RHCP信號，另一 個用于發(fā)射和接收LHCP信號。設備510包括前端電路512和用于改變一個或更多信號的信號處 理器514。該改變可以包括放大、濾波和/或去除調(diào)制編碼。設備510 包括一個或更多處理單元(CPU) 516、存儲器520以及一個或更多用 于連接這些部件的通信總線518。在可替換實施例中，設備510的某些 或全部功能可以在一個或更多專用集成電路(ASIC)中實施，由此消 除對處理單元516的需要，或者減少處理單元516的任務。存儲器520 可以包括高速隨機存取存儲器，還可以包括非易失性存儲器，諸如一 個或更多磁盤存儲設備。存儲器520可以包括位于遠離處理單元520
處的大容量存儲器。
存儲器520存儲操作系統(tǒng)522，該操作系統(tǒng)522包括用于處理各 種基本系統(tǒng)服務以便實施依賴于硬件的任務的程序。存儲器520還存 儲一個或更多程序模塊524。該程序模塊524包括脈沖分離模塊或指令 集526，以便將一個或更多脈沖從返回信號中分離。程序模塊524還包 括目標特征確定模塊或指令集528，以便根據(jù)共極化和交叉極化的返回 信號的相對信號強度來確定目標特征。
存儲器520中的模塊或指令集由處理單元516執(zhí)行。另外，設備 510可以包括可執(zhí)行程序、子模塊、表格或者其它數(shù)據(jù)結構(未示出)。 在一些實施例中，可以使用附加的或不同的模塊和數(shù)據(jù)結構，也可以 不使用上面列出的一些模塊和/或數(shù)據(jù)結構。在一些實施例中，設備510 的功能可以更多地用硬件而更少地用軟件實施，或者更少地用硬件而 更多地用軟件來實施，這在本領域是公知的。
為了便于解釋，上面的說明使用了特殊術語，以便徹底理解本發(fā) 明。然而，對本領域技術人員來說很明顯的是，不需要特殊細節(jié)以便 實現(xiàn)本發(fā)明。為了最好地解釋本發(fā)明的原理及其實際應用，選擇這些 實施例進行描述，由此使其他本領域技術人員能夠最好地利用本發(fā)明 和各種實施方式，這些各種實施方式具有各種適于特殊應用的改變。 因此，前面的公開并不力求詳盡，也不旨在將本發(fā)明限制到所公開的 精確形式。考慮到上述教導，可以進行很多修改和變化。
本發(fā)明的范圍意由下面的權利要求及其等價形式來限定。
權利要求
1、一種本地定位系統(tǒng)中的雷達映射的方法，包括從設備發(fā)射至少第一電磁脈沖，該第一電磁脈沖具有載波信號頻率和第一極化；在一段相應時間內(nèi)，接收第一返回信號，其中該第一返回信號包括來自定位系統(tǒng)雷達探測區(qū)域內(nèi)目標的至少第一返回脈沖，并且該接收包括優(yōu)選地接收具有該第一極化的信號；處理該第一返回信號，以便將該第一返回脈沖從該第一返回信號中分離；從設備發(fā)射第二電磁脈沖，該第二電磁脈沖具有載波信號頻率和第一極化；在一段相應時間內(nèi)，接收第二返回信號，其中該第二返回信號包括來自定位系統(tǒng)雷達探測區(qū)域內(nèi)目標的第二返回脈沖，并且該接收包括優(yōu)選地接收具有第二極化的信號；處理該第二返回信號，以便將該第二返回脈沖從該第二返回信號中分離；根據(jù)該第一返回脈沖和該第二返回脈沖的相對信號強度來確定目標特征。
2、 根據(jù)權利要求l的方法，其中第一極化是右旋圓極化，而第二 極化是左旋圓極化。
3、 根據(jù)權利要求l的方法，其中第一極化是左旋圓極化，而第二 極化是右旋圓極化。
4、 根據(jù)權利要求l的方法，進一步包括使用相同的極化天線進行 發(fā)射和接收。
5、 根據(jù)權利要求1的方法，其中使用一個發(fā)射器從該設備發(fā)射， 并且使用多個接收器在該設備中接收。
6、 根據(jù)權利要求l的方法，其中使用多個發(fā)射器從該設備發(fā)射，并且使用 一個接收器在該設備中接收。
7、 根據(jù)權利要求l的方法，其中該目標是有源地標。
8、 根據(jù)權利要求l的方法，其中該目標是無源反射器。
9、 根據(jù)權利要求l的方法，其中目標特征是該目標至少一個表面 的粗糙度。
10、 一種本地定位系統(tǒng)，包括一種設備，其被配置為發(fā)射具有栽波信號頻率和第一極化的至少 第一電磁脈沖，在一段相應時間內(nèi)，從位于定位系統(tǒng)雷達探測區(qū)域內(nèi) 的目標接收包括至少第一返回脈沖的第一返回信號，處理該第一返回 信號以便將該第一返回脈沖從該第一返回信號中分離，發(fā)射具有載波 信號頻率和第一極化的至少第二電磁脈沖，在一段相應時間內(nèi)接收包 括來自目標的第二返回脈沖的第二返回信號，處理該第二返回信號以 便將該第二返回脈沖從該第二返回信號中分離，才艮據(jù)該第一返回脈沖 和該第二返回脈沖的相對信號強度來確定目標特征，其中該設備優(yōu)選地接收具有第 一極化的第 一返回信號和具有第二 極化的第二返回信號。
11、 根據(jù)權利要求10的定位系統(tǒng)，其中第一極化是右旋圓極化， 而第二極化是左旋圓極化。
12、 根據(jù)權利要求10的定位系統(tǒng)，其中第一極化是左旋圓極化， 而第二極化是右旋圓極化。
13、 根據(jù)權利要求10的定位系統(tǒng)，其中該目標是有源地標。
14、 根據(jù)權利要求10的定位系統(tǒng)，其中該目標是無源反射器。
15、 根據(jù)權利要求14的定位系統(tǒng)，其中該無源反射器選自由二面角和角隅棱鏡組成的組中。
16、 根據(jù)權利要求10的定位系統(tǒng)，該設備進一步包括至少一個圓 極化天線。
17、 根據(jù)權利要求10的定位系統(tǒng)，該設備進一步包括至少一個極 化天線，其中該設備利用該極化天線來發(fā)射和接收。
18、 根據(jù)權利要求10的定位系統(tǒng)，該設備進一步包括一個發(fā)射器 和多個接收器，其中該設備利用該發(fā)射器來發(fā)射，且該設備利用該多 個接收器來接收。
19、 根據(jù)權利要求10的定位系統(tǒng)，該設備進一步包括多個發(fā)射器 和一個接收器，其中該設備利用該多個發(fā)射器來發(fā)射，且該設備利用 該接收器來接收。
20、 根據(jù)權利要求10的定位系統(tǒng)，該設備進一步包括處理器，其 中該處理器處理該第一返回信號以l更分離該第一返回脈沖，處理該第 二返回信號以便分離該第二返回脈沖，并且4艮據(jù)該第一返回脈沖和該 第二返回脈沖的相對信號強度來確定目標的特征。
21、 根據(jù)權利要求10的定位系統(tǒng)，該設備進一步包括處理器、存 儲器和至少一個程序模塊，該至少一個程序模塊包含用于如下目的的 指令將第 一返回脈沖從第 一返回信號中分離； 將第二返回脈沖從第二返回信號中分離；根據(jù)該第一返回脈沖和該第二返回脈沖的相對信號強度來確定目 標特征。
22、 根據(jù)權利要求10的定位系統(tǒng)，其中目標特征是該目標至少一 個表面的粗糙度。
全文摘要
提供了一種利用共極化和交叉極化雷達映射的本地定位系統(tǒng)。在一個方法實施例中，發(fā)射具有第一極化的至少第一電磁脈沖。在一段相應時間內(nèi)接收優(yōu)選地具有第一極化的第一返回信號。處理該第一返回信號，以便將對應于定位系統(tǒng)雷達探測區(qū)域內(nèi)目標的第一返回脈沖分離。還發(fā)射具有第一極化的至少第二電磁脈沖。在一段相應時間內(nèi)接收優(yōu)選地具有第二極化的第二返回信號。處理該第二返回信號，以便將對應于該目標的第二返回脈沖分離。目標的特征根據(jù)該第一返回脈沖和該第二返回脈沖的相對信號強度來確定。
文檔編號G01S13/75GK101156082SQ200680011749
公開日2008年4月2日 申請日期2006年3月14日 優(yōu)先權日2005年4月11日
發(fā)明者S·A·斯蒂芬斯 申請人:納夫科姆技術公司