模塊化并行波束形成系統(tǒng)及關聯(lián)方法
【技術領域】
[0001]一般來說，本公開的實施例涉及傳感器陣列的信號處理，以及更具體來說，涉及模塊化并行波束形成系統(tǒng)及關聯(lián)方法。
【背景技術】
[0002]波束形成是一種信號處理技術，其用來創(chuàng)建向/從傳感器陣列或者天線陣列所發(fā)送/接收的信號的定向或空間選擇性。這些陣列能夠存在于多種裝置中，其傳送和接收電磁或聲波。相應地，這種技術雷達、聲納、地震學、無線通信、射電天文學、聲學、醫(yī)療和工業(yè)超聲技術中具有多種應用。
[0003]在常規(guī)波束形成中，源可傳送波，其根據(jù)源取向和陣列幾何結構在不同時間傳播并且到達陣列的傳感器。為了同步在整個陣列的到達時間，陣列的傳感器的輸出能夠被延遲并且然后被聚合以提供波束形成輸出。在一些情況下，陣列的傳感器的輸出能夠按照不同權重來應用(例如以降低回波)。波束形成過程也能夠用來通過最佳空間濾波和干擾抑制來檢測和估計在傳感器或天線陣列的輸出的感興趣信號。
[0004]傳感器陣列能夠包括例如話筒陣列或者用于接收聲波的超聲壓電晶體陣列或者用于接收電磁波的天線陣列。波束形成技術能夠用來映射聲波(例如在聲納系統(tǒng)的情況下)，評估聲波，或者使用修改和/或補償延遲和/或應用各種權重來擴大聲波。
[0005]圖1示出在本領域中稱作“延遲相加波束形成器”的示例常規(guī)波束形成器100的框圖。如從圖1能夠看到，波束形成器100包括傳感器105A-105Z的陣列，其可包括話筒、天線或者其他信號生成裝置。相應地，傳感器105A-105Z在操作上耦合到模數(shù)(A/D)轉換器110A-110Z。A/D轉換器110A-110Z接收傳感器105A-105Z所生成的模擬信號，并且生成對應數(shù)字信號供進一步處理。把來自每個A/D轉換器110A-110Z的數(shù)字信號饋入多個延遲單元115A-115Z。此外，延遲單元115A-115Z在稍微不同的時間延遲從A/D轉換器110 — IlOZ所接收的數(shù)字信號，使得每一個信號可在基本上相同時間到達輸出。在窄帶系統(tǒng)中，時間延遲可相當于“相移”，使得在組合所有偏移信號時，所產生輸出信號稱作“相控陣信號”。
[0006]此外，在波束形成器100中，來自每一個延遲單元115A-115Z的信號可通過應用不同“權重”來放大。不同加權模式(例如Dolph-Chebyshev)能夠用來實現(xiàn)預期靈敏度模式，改進信噪比，降低震聲(blasting)，或者改進濾波。權重能夠由多個乘法器120A-120Z來施加。因此，延遲單元115A-115Z和乘法器120A-120Z能夠根據(jù)特定應用執(zhí)行從傳感器105A-105Z所得出的信號的調節(jié)。
[0007]繼續(xù)參照圖1，從乘法器120A-120Z所輸出的調節(jié)信號可提供給加法器125。加法器125將所有信號組合為單個相控陣輸出信號，其然后能夠被分析、處理、播放或者按照任何其他方式由另一個系統(tǒng)或設備使用。波束形成器100可包括硬件組件、軟件組件或者其組合。
[0008]在各個應用中，輸入信號、即由傳感器105A-105Z所生成的信號的數(shù)量可有所不同。例如，在簡單聲納系統(tǒng)中，可使用16個傳感器和對應的16個輸入信號；但是，在更復雜的超聲測試系統(tǒng)中，能夠存在數(shù)百個輸入信號。在這種復雜情況下，波束形成器可使用大量A/D轉換器、延遲單元和乘法器，以便處理這類大量輸入信號。但是，由于硬件組件的常規(guī)限制，能夠由常規(guī)加法器來組合的輸入信號的數(shù)量少于十個或數(shù)十個。為了解決這個問題，波束形成器可配備有多于一個加法器。
[0009]圖2示出包括多個波束形成器205A-205Z的示例常規(guī)波束形成系統(tǒng)200的框圖。如圖所示，波束形成器205A-205Z串聯(lián)耦合，使得將第一波束形成器205A的第一輸出信號提供給第二波束形成器205B，其中第一輸出信號與第二輸出信號相結合，等等，直到最后一個波束形成器205Z生成相控陣輸出信號。
[0010]圖3示出包括多個波束形成器的另一個示例常規(guī)波束形成系統(tǒng)300的框圖。在常規(guī)系統(tǒng)300的這個示例中，各波束形成器310A、310B等包括一個以上加法器。如圖3所示，延遲單元115A-115Z可生成多個信號，其被延遲各種時間周期，然后單獨提供給乘法器并且隨后提供給加法器305A-305N，使得各加法器305A-305N組合對其應用相同權重的信號。波束形成器310A、310B等互連成使得各波束形成器310A、310B等的加法器305A-305N如圖3所示串聯(lián)地互連。因此，與波束形成器310A、310B等的第一加法器305A的組合信號被相加并且輸出到后處理單元315。類似地，第二加法器305B的相加信號和其余乘法器的相加信號如圖3所示輸出到同一后處理單元315中。后處理單元315可處理所有這類信號，以生成預期相控陣輸出信號供進一步分析。
[0011]圖2和圖3所示的常規(guī)波束形成系統(tǒng)的缺點可包括無法適合各種目的，因為這些波束形成系統(tǒng)可以僅配置成處理傳感器105A-10Z所生成的預定數(shù)量的信號。因此，常規(guī)波束形成系統(tǒng)可要求對傳感器的變化目的和數(shù)量的重大重新配置。

【發(fā)明內容】

[0012]上述需要和/或問題的部分或全部可通過本公開的某些實施例來解決。按照一個示例實施例，能夠提供模塊化波束形成器及關聯(lián)方法。模塊化波束形成器可包括多個信號生成單元，其配置成生成數(shù)字信號。信號生成單元可包括超聲傳感器和/或A/D轉換器。模塊化波束形成器還可包括多個延遲單元。延遲單元可配置成接收數(shù)字信號，并且自適應地延遲數(shù)字信號。模塊化波束形成器還可包括與多個延遲單元關聯(lián)的多個乘法器。乘法器可配置成通過處理由多個延遲單元所延遲的數(shù)字信號，來生成調節(jié)數(shù)字信號。該處理可包括將權重動態(tài)應用于多個延遲單元所延遲的數(shù)字信號。模塊化波束形成器還可包括多個加法器，其配置在組合調節(jié)數(shù)字信號，以生成相控陣輸出信號。
[0013]按照另一個示例實施例，提供一種波束形成系統(tǒng)。該波束形成系統(tǒng)可包括多個模塊化波束形成器。模塊化波束形成器可在操作上相互耦合(例如相互并聯(lián)地)。多個模塊化波束形成器的各模塊化波束形成器可包括多個信號生成單元，其配置成生成數(shù)字信號。多個模塊化波束形成器的各模塊化波束形成器還可包括多個延遲單元，其配置成接收數(shù)字信號，并且自適應地延遲數(shù)字信號的輸出。多個模塊化波束形成器的各模塊化波束形成器還可包括指配給延遲單元的多個乘法器。各乘法器可配置成通過將權重自適應地應用于多個延遲單元所輸出的數(shù)字信號，來生成調節(jié)數(shù)字信號。多個模塊化波束形成器的各模塊化波束形成器還可包括多個加法器，其配置在組合調節(jié)數(shù)字信號，以生成相控陣輸出信號。
[0014]按照又一個示例實施例，提供一種用于信號波束形成的方法。該方法可包括由多個信號生成單元來生成數(shù)字信號。該方法還可包括由多個延遲單元自適應地延遲數(shù)字信號的輸出。該方法還可包括由指配給各延遲單元的多個乘法器通過將一個或多個權重自適應地應用于多個延遲單元所輸出的數(shù)字信號，來生成調節(jié)數(shù)字信號。該方法還可包括由多個加法器來組合多個乘法器所輸出的調節(jié)數(shù)字信號，以生成相控陣輸出信號。各加法器可通過多個延遲單元來組合延遲的調節(jié)數(shù)字信號。
[0015]通過本公開的各個實施例的技術，認識到其他系統(tǒng)、方法、設備、特征和方面。本文詳細描述并且作為要求保護的本公開的一部分來考慮本發(fā)明的其他實施例和方面。參照描述和附圖能夠理解其他實施例和方面。
【附圖說明】
[0016]通過這樣一般地描述了本公開，現(xiàn)在將參照附圖，附圖不一定按比例繪制，并且包括:
圖1示出示例常規(guī)波束形成器的框圖。
[0017]圖2示出包括多個波束形成器的示例常規(guī)波束形成系統(tǒng)的框圖。
[0018]圖3示出包括多個波束形成器的常規(guī)波束形成系統(tǒng)的另一個示例的框圖。
[0019]圖4示出按照一示例實施例的波束形成系統(tǒng)的框圖。
[0020]圖5示出按照一示例實施例的波束形成系統(tǒng)的另