[发明专利]模块化并行波束形成系统及关联方法

说明书

提供一种包括多个模块化波束形成器（450A，450B）的波束形成系统（400）。模块化波束形成器可在操作上(例如并联地)相互耦合。各模块化波束形成器可包括多个信号生成单元（105A/B/Z，110A/B/Z），其配置成生成数字信号。各模块化波束形成器还可包括多个延迟单元（115A/B/Z），其配置成接收数字信号，并且自适应地延迟数字信号的输出。各模块化波束形成器还可包括指配给延迟单元的多个乘法器（410），以通过将权重自适应地应用于多个延迟单元所输出的数字信号，来生成调节数字信号。各模块化波束形成器还可包括多个加法器（415A/B/C），其配置在组合调节数字信号，以生成相控阵输出信号。

技术领域

一般来说，本公开的实施例涉及传感器阵列的信号处理，以及更具体来说，涉及模块化并行波束形成系统及关联方法。

背景技术

波束形成是一种信号处理技术，其用来创建向/从传感器阵列或者天线阵列所发送/接收的信号的定向或空间选择性。这些阵列能够存在于多种装置中，其传送和接收电磁或声波。相应地，这种技术雷达、声纳、地震学、无线通信、射电天文学、声学、医疗和工业超声技术中具有多种应用。

在常规波束形成中，源可传送波，其根据源取向和阵列几何结构在不同时间传播并且到达阵列的传感器。为了同步在整个阵列的到达时间，阵列的传感器的输出能够被延迟并且然后被聚合以提供波束形成输出。在一些情况下，阵列的传感器的输出能够按照不同权重来应用(例如以降低回波)。波束形成过程也能够用来通过最佳空间滤波和干扰抑制来检测和估计在传感器或天线阵列的输出的感兴趣信号。

传感器阵列能够包括例如话筒阵列或者用于接收声波的超声压电晶体阵列或者用于接收电磁波的天线阵列。波束形成技术能够用来映射声波(例如在声纳系统的情况下)，评估声波，或者使用修改和/或补偿延迟和/或应用各种权重来扩大声波。

图1示出在本领域中称作“延迟相加波束形成器”的示例常规波束形成器100的框图。如从图1能够看到，波束形成器100包括传感器105A-105Z的阵列，其可包括话筒、天线或者其他信号生成装置。相应地，传感器105A-105Z在操作上耦合到模数(A/D)转换器110A-110Z。A/D转换器110A-110Z接收传感器105A-105Z所生成的模拟信号，并且生成对应数字信号供进一步处理。把来自每个A/D转换器110A-110Z的数字信号馈入多个延迟单元115A-115Z。此外，延迟单元115A-115Z在稍微不同的时间延迟从A/D转换器110—110Z所接收的数字信号，使得每一个信号可在基本上相同时间到达输出。在窄带系统中，时间延迟可相当于“相移”，使得在组合所有偏移信号时，所产生输出信号称作“相控阵信号”。

此外，在波束形成器100中，来自每一个延迟单元115A-115Z的信号可通过应用不同“权重”来放大。不同加权模式(例如Dolph-Chebyshev)能够用来实现预期灵敏度模式，改进信噪比，降低震声（blasting），或者改进滤波。权重能够由多个乘法器120A-120Z来施加。因此，延迟单元115A-115Z和乘法器120A-120Z能够根据特定应用执行从传感器105A-105Z所得出的信号的调节。

继续参照图1，从乘法器120A-120Z所输出的调节信号可提供给加法器125。加法器125将所有信号组合为单个相控阵输出信号，其然后能够被分析、处理、播放或者按照任何其他方式由另一个系统或设备使用。波束形成器100可包括硬件组件、软件组件或者其组合。

在各个应用中，输入信号、即由传感器105A-105Z所生成的信号的数量可有所不同。例如，在简单声纳系统中，可使用16个传感器和对应的16个输入信号；但是，在更复杂的超声测试系统中，能够存在数百个输入信号。在这种复杂情况下，波束形成器可使用大量A/D转换器、延迟单元和乘法器，以便处理这类大量输入信号。但是，由于硬件组件的常规限制，能够由常规加法器来组合的输入信号的数量少于十个或数十个。为了解决这个问题，波束形成器可配备有多于一个加法器。