CN110603459A - 个人雷达 - Google Patents

Abstract

一种用于利用多个频率的空间定位天线元件获得发射机或接收机的方向的相控阵无线电系统。还提供了一些用于获得指向无线电来源的角度或方向的无线电系统及方法。

Description

个人雷达

技术领域

本发明的实施例涉及用于检测物体和/或该物体的运动的系统和方法。更具体地来说，本发明的实施例涉及个人雷达、物体存在的检测和物体定位。

相关技术

有着关于某人如何能够检测物体和/或该物体的运动的多种方法。大多数设备利用回音传播时间、线性调频、调频或多普勒雷达来检测物体或该物体的运动。许多人使用可调向天线或相控阵天线来检测那些物体。其他人还通过使用接收信号强度的简单测量来检测一个区域内的运动。这类系统通常是高成本，高耗电，价格昂贵，和/或不精确或不够精确。

简要说明

本文中描述的实施例涉及用于获得指向无线电来源的角度或方向的无线电系统和方法。在一个实施例中，无线电系统包括具有两个或更多个天线的发射机，这些天线被配置为用于以第一频率广播第一信号，以及在随后的时间以不同的第二频率广播第二信号。该无线电设备系统包括具有天线的接收机，该天线被配置为用于接收由该发射机的两个或更多个天线广播的第一信号和第二信号，该无线电设备系统还包括处理单元。该处理单元被配置为用于以第一频率对在该接收机处接收的该第一信号的相位和振幅进行测量，以第二频率对在该接收机处接收的该第二信号的相位和振幅进行测量，以及利用所测量的每个信号的振幅和相位确认指向该发射机的角度或方向。

在另一个实施例中，提供了一种用于获得指向无线电来源的角度或方向的方法。该方法包括：以不同的频率对来自发射机的两个或更多个天线的两个或更多个信号进行广播，在接收机处对以不同频率进行广播的两个或更多个信号进行接收，对在该接收机处接收的每个信号的振幅及相位进行测量，以及利用所测量的每个信号的振幅及相位确认指向无线电来源的角度或方向。

提供该简要说明，旨在以简单的形式对概念的选择进行介绍，其将在下文中的详细的说明书中被进一步地描述。该简要说明并不意在识别所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不意在辅助地确定所要求保护的主题的范围。

附加特征和效果将会在说明书中进行说明，这些附加特征及效果是从说明书中得到的，并且该附加特征及效果的一部分对于本领域普通技术人员来说是显而易见的，或者是能够从本申请说明书中的一些教导的实践而得到了解。可通过在附加的权利要求中特别指出的测量设备或组合来实现或获得在本文中描述的实施例的特征和效果。在本文中描述的实施例的特征将会更加完全显而易见地体现在随后的说明书及附加的权利要求之中。

附图的简要说明

为了描述能够获得本发明的至少一部分效果和特征的方式，将会参照本发明具体实施例对已在上文中作了简要描述的本发明的实施例作出更具体的描述，这些具体实施例在附图中进行了说明。应明白的是，这些附图仅仅示出了本发明的一些典型实施例，因而不应被认为是对本发明的限制。通过附图的使用，利用附加特征和细节对本发明的实施例进行说明和解释。

图1示出了测量系统的一个例子，该测量系统包括两个无线电设备，每个无线电设备均包括一个天线；

图2示出了用该测量系统检测不同类型的物体的例子；

图3示出了穿过两个测距节点或无线电设备之间的路径，具有不同材质的三个不同物体的测量结果；

图4A示出了包含有两个无线电设备的测量系统的一个例子，这两个无线电设备均包括带有两个天线的射频开关；

图4B示出了包含有两个无线电设备的测量系统的一个例子，其中一个无线电设备包括具有多个天线的射频开关，第二个无线电设备包括一个天线；

图5示出了用于执行测量的方法的框图；

图6示出了用于虚拟可调向天线的天线排列的一个例子；

图7示出了当该虚拟天线指向于0度角时所产生的虚拟天线图案；

图8示出了当该虚拟天线指向于45度角时所产生的虚拟天线图案；

图9A及图9B示出了用于利用跳频确定方向或到达角的系统的一个实施例；

图10示出了用于利用跳频确定方向或到达角的系统的一个替代的实施例；

图11示出了在一个实施例中接收机计算到达角；

图12示出在一个实施例中利用不同频率在不同天线上对射频信号进行突发传输；

图13示出了在一个实施例中将指定频率用在多个不同的天线上；

图14示出了用于获得到无线电来源的角度或方向的方法的流程图。

具体实施方式

在下文中，参照附图对本发明实施例进行详细说明，但是本发明并不仅局限于在此列出的实施例。图中示出的相同符号表示相同部件。

在下面的详细的说明书之中，请参考构成了本发明的一部分的说明书附图。在附图中，类似的附图标记通常用于区分类似的组件，除非本文中有特别规定的除外。在具体的说明书，附图和权利要求中描述的示例性的实施例并非限制性的。在不脱离在本文中描述的保护主题的精神或范围的前提下，还可以使用其它一些实施例，或者可以做出其它一些改进。将会容易理解的是，可以采用各种不同的配置对在本文中进行描述及在附图中进行示出的本发明的各个方面进行整理，替换，合并，分离或设计，这些都在本文中作了清晰地说明。

本发明的实施例涉及用于检测和/或测量和/或跟踪物体、物体的运动或物体在某一区域内的移动的系统和方法。这些实施例通过使用执行一些高精度测量方法的物体的新颖方式来测量物体或物体的运动。这些高精度测量方法例如使用一个或多个到达角，时差，和/或相差来检测波传播中的变化。根据波传播中的变化能够确定物体的位置及物体的移动。有利的是，也能测量与波传播干扰的物体的位置及移动。

在没有直接视线时，通常难以检测拥挤的区域或位置，如丛林或景区中的物体。根据本发明的实施例，只要两个设备(例如，无线电设备)能够通信并能测量它们之间的有效路径距离，那么，进入到这两个无线电设备的路径中的物体可以通过测量该无线电信号需达到路径中的新物体处所增加的距离来检测。换言之，有效路径距离中的改变作为某个物体已经进入这两个无线电设备之间的路径的指示。

常规方法采用信号强度或链路质量指示器，但这些方法是不可靠的，因为信号强度可根据物体的路径或位置经折射得到增强或变得更弱。此外，传统设备使用回波传输时间，线性调频，频率调制，或多普勒雷达进行检测或检测物体的运动。一些传统设备使用可调向天线或相控阵天线来检测物体。这些传统设备将天线馈电电子器件中的信号进行组合以同时记录多个无线电路径，或使用多个无线电设备。

本发明的一些实施例可以使用设备(例如，能够发送和/或接收信号如电磁信号，比如无线电信号的设备)或一对设备及低成本开关来以一次地从多个天线阵列中选择单个天线。这些实施例包括稳定的系统时钟，并且能够在不同时间测量天线之间的相位，这不同于使用多个无线电路径或多个无线电设备的常规单元。有利地是，本发明的实施例能够以明显更低的成本来实现。

本发明的这些实施例应用了一种新颖的方法，使用上述的高精度测距方法来检测物体或物体的运动，美国专利(申请号：US8,274,426)作为该高精度测距方法的一个示例，该美国专利的全文通过引用的方式被并入本文中。在一个实施例中，可以利用测距方法来获得用于检测波传播中的变化的窄带信号的到达角，时间差和/或相位差。可以确定与该波传播干扰的物体的位置和移动。采用高分辨率传播路径长度测量结果能够克服传统问题，并能显著地提高准确度。

一个实施例使用单个无线电设备和低成本开关来一次地从许多天线阵列中选择单个天线。这是可能的，因为系统包括在彼此的几个赫兹内的紧密同步的时钟。因为系统时钟是稳定的，可以在不同时间测量天线之间的相位，从而以更低的成本获得与常规单元相同的信息。这种稳定性允许在毫米级的极高的分辨率。

以下讨论阐述了本发明的实施例，这些实施例代表了不同平台配置中的实施例。系统可展现出关于检测能力，成本和复杂度的不同特性。与常规系统相比，本实施例提供高分辨率路径长度测量，其允许用于检测电磁波传播的干扰的新方法。

图1示出了包括两个无线电的测距系统的例子。测距系统10不仅能够用于测距应用，还可以被用于能够检测物体的存在以及物体的运动的雷达系统。每个无线电设备包括单个天线，但是，在本实施例中，可以设想测距系统中的每个无线电设备包括其它附加的天线。图1还示出了无线电设备之间在不同频率下的信号的有效路径是不同的。尽管图1示出了两个无线电设备，但是本发明的实施例可以被配置为包括多个无线电设备。例如，在包括多个无线电设备的测距系统中的多对不同的无线电设备的每一对均可使用特定频率。此外，一个无线电设备可以使用不同的频率与其它不同的无线电设备进行通信。

图1示出了包括无线电设备100和无线电设备102的系统，该无线电设备100和无线电设备102经由有效路径110(例如，在一个示例中的视线)进行通信。该无线电设备100和102可以执行如在美国专利US8,274,426中描述的高精度测距，并具有相位测量能力，该美国专利的全部内容通过引用的方式被并入本文中。其中一个无线电设备，例如，无线电设备102包括高精度，高稳定性可控振荡器。在这个示例中，该无线电设备100是主机，并且无线电设备100以比本地振荡器的频率更高的频率发送窄带无线电信号。在一个示例中，这是通过使用包括在无线电设备100(无线电设备102可以被类似地配置)中的锁相环和压控振荡器来实现的。这个较高频率的信号被发送到第二节点或无线电设备102。该无线电设备102使用其锁相环和压控振荡器调谐到较高频率的信号。该无线电设备102还可以将受可控制的高稳定性本地振荡器调整到输入信号。通过这种方式，实现了超高同步系统。

该更高频率有助于以更高的精度调整本地振荡器。有利的是，可以采用在更高频率下的更低分辨率的相位测量，并且由于锁相环的使用，在更高频率下的更低分辨率的相位测量可以与更低频率的时钟晶振相关。

例如，假设低频为16MHz，高频为2.4GHz。提供了乘法器150。如果第二单元(例如，无线电设备102)使用2.4GHz信号来调谐其本地的16MHz信号以实现该本地信号与节点1或无线电设备100的16MHz信号的相位相干性，在2.4GHz信号处的低分辨率相位测量单元足以实现极高的同步稳定性。例如，假设每隔15毫秒对2.4Ghz信号处的10度相位误差进行一次校正，这对应于每隔15毫秒的1/15度校正或每秒4.4度误差(0.012222Hz)的绝对同步稳定性。其相当于万亿分之764的同步稳定性。

该第二无线电设备102将窄带信号发回第一节点或无线电设备100。归因于高同步振荡器，该第二无线电设备102充当几乎完美的有源反射器，这看起来像是输入的无线电波被简单反射回无线电设备100。然后，该第一节点或无线电设备100可以测量其本地的高频信号以及输入的高频信号之间的差异。相位上的差异将对应于路径长度。

如果物体(例如，物体108)的移动经过路径110，则路径110发生改变。也即，路径110的长度在距离上出现变化，这是因为无线电设备100与无线电设备102之间的无线电波或无线电传输在物体108周围移动。因为无线电设备100和102被配置为用于检测准确的范围或距离，因此，距离的变化可以被检测到。距离的改变可以被解释为新物体-物体108的存在。

此外，该物体108的大小和/或速度可以通过查看距离的峰值变化及实现该峰值变化所需的时间来进行测量。该峰值将反映干扰物体的大小，而达到峰值的时间与该物体的速度相关。

此外，使用两个或更多个频率，可以因不同频率下的传播特性不同而快速地推断物体108的大小。例如，与2.4GHz信号相比，900MHz信号将在干扰物体108周围被不同地传输。由于具有高稳定性的本地振荡器和几乎完美的有源反射器，路径中的差异可被测量，因此可以确定物体108的大小。因此，无线电设备100能够以第一频率发射信号104并且以第二频率发射第二信号106。如先前描述，该无线电设备102可以有效地反映这些频率。于是可以确定物体108的大小和物体的速度。

如上所述，当检测到该传输路径110在距离上发生改变时，可以确定物体的存在。该物体的尺寸和/或速度也能被检测到。

图2示出了利用测距系统10检测不同类型的物体的例子，其可以有效地作为一个雷达系统。该雷达系统可以被配置为用于特定区域，并且可以以能够识别和跟踪物体及其运动的方式将无线电设备设置在该区域中(例如，设置在该区域的周边或内部)。图2示出了多种物体，包括铁氟龙体202、钢铁体204和人体胳膊206，物体202、物体204和物体206中的每一个移动到节点或无线电设备100和102的路径之中。

图3示出了所测相位、路径距离及变化。图3示出了跨越两个测距节点(如无线电设备100和无线电设备102)的路径的三种不同材料(或不同材料的物体)的测量结果300。这些材料在被再次移出之前的一段时间内位于路径之中。对不同物体的不同路径变化进行了说明，且不同物体的不同路径变化对应于不同的材料特性，包括尺寸。

该双向无线电系统的一个实施例可用于周界控制，允许通过将多个双向无线电系统放置在某个区域周围来保护该特定区域，其中每个链路限定所要保护的区域的周界。如果外来物体通过了由该多个双向无线电系统建立的多条路径中的任何一条路径，则可以发出警报，识别该路径的已被破坏的地方，以及该物体的尺寸大小。该无线电设备的使用不同频率的能力也能增强控制周界的能力。每条链路(该链路可以包含一对无线电设备，并且每个无线电设备可属于一对以上的无线电设备)可使用相同或不同的频率。

图4A示出用于检测物体的存在或不存在的多天线系统，以及物体穿过电磁波路径的位置的例子。图4A示出了可建立在两个无线电备设备(节点422和节点432)之间的电磁波路径420。节点422可以包括两个或更多个天线(显示为天线424和426)。节点432可以包括两个或更多个天线(显示为天线428和430)。可以以任何距离在空间上对上述天线进行分隔，其中该距离将确定角度分辨率及检测角度宽度。在一个示例中，该距离等于频率波长除以2(λ/2)，因为这提供了180度的检测角度。在另一个示例中，该距离可与正在进行检测的物体的尺寸相关。例如，该距离可以是待检测的物体的尺寸的一半。

如上所述，节点422和432可以参与到高分辨率测距之中，并且可以在天线之间进行切换。因此，可以建立和测量或监控一些无线电路径或一些电磁路径。电磁波路径420可包括路径438，440，442和444，路径438建立在天线424与天线430之间，路径442建立在天线426与428之间，路径444位于天线426和430之间。

通过建立多条路径来进一步地增强跟踪物体或跟踪物体的运动的能力。例如，如果物体434或物体436在两个节点之间交叉，那么，节点422与节点432之间的各条路径420将随时间而具有不同的距离变化。例如，如果物体434和436从下方移动到路径420之中，则它们将以不同的方式影响各条路径。例如，当经由路径440之前的路径438检测物体436时，通过路径438之前的路径440对物体434进行检测，由于任何给定系统中的节点的分布可以是已知的，故可以推断物体跨越节点422和432之间的路径420的位置。

例如，当检测到路径444中的变化时，可以检测物体436的存在。当接下来检测到路径438而不是路径440的改变时，可以推断物体436相对于节点422和432的位置。即使当天线因电磁波的性质而被相对靠近地间隔开时，也可以推断物体的位置。

可以例如在周界警报系统中使用这种一维定位的含义，其中，有用的是，不仅知道物体越过了线或周界，还知道周界中的已被跨越的地方。如果节点之间的距离很大，这是特别重要的。

图4A中所示的两个节点场景的扩展场景是2+节点场景，其中，节点都互相参与到高分辨率测距之中。现在，交叉距离不仅能够仅通过查看信号强度和衰减的变化，还通过无线电路径长度的变化来对观察区域内的物体进行定位。

在另一个示例中，该测距系统可以包括单个无线电设备，该无线电设备包括多个天线和单个发射器。基站可以包括一个具有相位测量能力的接收机无线电设备(或收发器)和多个天线。例如，作为一个示例，图4B示出了包含一个接收机无线电设备(或收发器402)和多个天线404的基站402。在该示例中，该天线404使用天线开关406的网络连接到一个无线电设备402。在该示例中，在一个实施例中，尽管该开关406可以被配置为用于每次将多于一个天线连接到该无线电设备，无线电设备402每次可以被连接到天线404中的其中一个天线。第二单元，称为发射器408，包括发射机无线电设备(或收发器)，并且仅需要一个天线410。该第二单元或发射器408发出窄带信号，照明环境400。

归因于上述高稳定性本地时钟，基站402可以在不同的天线404之间进行切换，并且测量不同的接收信号之间的差异。基站402可以使用微控制器单元(例如，处理设备)重新组合这些信号并创建虚拟可调向天线。该可调向天线可被用于对不同路径413，414进行“映射”，信号从发射器408传输到基站402，基本上产生了一个信号强度对角度的映射。物体，例如物体411或物体412将来自发射器408的信号反射回基站402。然后，虚拟可调向天线将在物体411的方向上提供较高的信号强度，并在物体412的方向上提供另一个较高的信号强度。这增加了在那些作为物体的指示的方向上的信号强度，因此可以确定物体的角度。除了检测物体之外，还可以对移动的速度和/或方向进行确定及跟踪。在一个示例中，物体的历史数据也可存储于存储器中。

可以通过测量路径413和414的路径长度来获得物体的距离。可以使用可调向天线并利用高精度射频测距结果来确定该路径长度。知道了发射器408、基站402和被检测物体的角度的位置，可以通过获得给定路径长度的位置来对该物体进行三角测量。该位置不必是唯一的，因为可能存在镜像解决方案。添加多个基站或者限制检测区域可以解决这些次要位置，导致唯一的物体位置。

该系统可以通过随时间测量物体的位置来进一步地跟踪物体。假设仅存在物体411的场景，并且基站402利用前述方法对该物体进行定位。经过一段时间之后，物体411移动到物体412的位置。由于信号强度已从先前角度消失，基站402现将发现物体411不再处于它的旧位置，取而代之的是，目前存在来自路径414的角度的较强信号。因此，已跟踪到物体411已经从位置411移动到位置412。在一个示例中，可以例如通过测量物体的尺寸来识别物体。

如图4A和/或4B所示的测距或雷达系统还可用于获得距离(使用相位，类似于先前描述的示例)和方向(角度)。在一个示例中，可以使用两个或更多个基站402。在这种情况下，使用方向(角度)测量还可以使用两个或更多个基站，并且使用方向(角度)测量，能够对发射节点的位置进行三角测量。

此外，无线电设备可以跳频到不同的频率以便利用传播特性中的差异。无线电设备408可以跳频到不同的频率，以便利用传播特性中的差异。

常规雷达系统采用射频线性调频或常规调频雷达，以便检测无源射频信号反射物体。实施例可以通过观察多个频率上的相位变化来使用跳频高分辨率测距系统来实现类似的结果。这提供了一种使用高跳频高分辨率测距系统的雷达系统。

检测无源射频反射组件包括测距系统中的多路径分量的检测。如果目标是测量两个系统之间的距离，则多路径是不期望的，因为多路径将影响距离的准确测量。但是多路径来自位于不同位置的射频信号反射物体，并且因此引入新的路径长度。如果发射机和接收机的位置是已知的(例如，要么通过现场勘测要么通过使用射频定位系统)，那么多路径的改变指示射频信号反射物体的移动，因此，系统变成有源个人雷达系统。

个人雷达系统可以包括参与高分辨率测距的两个或更多个发射及接收对。发射机和接收机使用一个(或多个)窄带载波频率来同步它们的时钟，然后在一个示例中的一个或多个次级非连续频率载波上进行跳频。不同频率的载波彼此具有不同的波长，因此接收机将测量不同频率上的相位变化。此外，多路径将对不同的频率作出不同的影响。接收节点现可以通过对所测相位进行快速傅里叶变换来从相域进入时域图。不同的多路径分量现将在快速傅里叶变换的结果中显示为不同的峰值。通过保持跟踪不同的多路径长度，只有一个发射机和一个接收机的系统可以映射环境中的变化，并且检测新物体是否进入或离开环境。

组合一些发射/接收对的结果，并且知道这些发射/接收对的位置允许对实际的反射器位置进行三角测量。当存在更多的节点对时，三角测量进行得更好。

图5示出了用于执行测距方法的方法。测距方法的一些示例包括但不限于确定到物体的距离、跟踪物体的运动、确定物体的尺寸、识别系统中的发射机的位置、建立周界、在区域中执行雷达等、或它们的任何组合。

在本文中讨论的系统和方法可以使用无线电信号和这些无线电之间的传播路径。通过将一个无线电与另一个无线电进行同步，实现高精度测距，并且所检测到的路径距离的改变可以指示物体的存在。

方法500开始于框502中的发射信号。该信号通常从一个无线电设备发射到另一个无线电设备(这些无线电设备可被类似地配置)。该信号使得两个无线电设备变得高度同步，在框504中无线电设备同步。这可以是一个继续同步从一个无线电设备发射出的并且被另一个无线电设备有效反射的信号的持续不断的过程。

在框506中，执行测量。执行测量可以包括确定到物体的距离，确定物体的存在，确定物体的大小和/或速度和/或方向。当附加的无线电设备被添加到系统或当天线被添加到单个无线电设备时，扩展了系统的能力。如先前所讨论的，虚拟可调向天线可以用于确定检测到的物体的方向。

测距系统10可以通过网络连接到服务器计算机。然后，可以简单地发送由测距系统10收集的数据以进行远程分析。

图6示出了用于计算虚拟可调向天线的多天线设置的示例。多个天线可以扩展个人雷达系统或本文公开的示例的能力。组合每个天线处测量的相位允许创建一个可以指向不同方向的虚拟可调向天线。

图6示出了这样的天线阵列的示例，在该布置中，天线位置如下：天线1：0/5.9，天线2：5.2/3.0，天线3：5.2/3.0，天线4：0/-5.9。知道天线位置可以决定或确定虚拟天线位置。例如，虚拟天线可以集中于中心0/0到右(0度)。给定期望的信号的波长频率，可以计算出用于不同天线的预期相移。在图6中，假定频率为2.5GHz，则天线1处的相移为0，天线2处的相移为2.7，天线3处的相移为2.7，以及天线4的相移为0弧度。

知道这些值，可以从在高分辨率测距操作期间测量的相位中减去这些值。这样有效地将天线集中到0度方向上。图7描绘了所得到的虚拟天线图案。

到物理调谐相控阵的虚拟天线的优点在于可以同时查看所有方向。例如，以从45度方向(参见图6)观察信号，相移可以计算为天线1：2.2，天线2：3.0，天线3：0.8和天线4：-2.2拉德。再次，对该信号方向作出假设，并且观看在图8上示出的图案中的虚拟天线图案结果。

使用一个载波频率上的虚拟天线将提供不同的多路径分量的峰值功率和角度信息。然而，使用高分辨率测距并且在多个频率上跳频现允许计算指向每个单个虚拟天线方向的上述快速傅里叶转换。这给出了多路径距离的附加信息。

由于可以确定每个多路径分量的角度、功率和距离，具有到多个天线的射频开关的高分辨率测距系统对常规系统作出了改进。

本申请创新现在可以与具有不同天线图案(线、圆、十字、二维阵列、三维立方体等)的多个不同的接收及发射组合进行组合。该天线阵列还可以仅设置在发射机上，具有单个天线接收机，或者设置在接收机上，具有单个天线发射机。协调可以负责天线切换，使得两端都可以计算多路径分量的角度、距离和功率信息。组合这些实例化中的信息将允许有稳健的雷达系统，能够在该雷达系统中定位和跟踪射频反射物体。

本申请创新的一个一般优点是对频谱的其他用户的友好性。因为跳频不一定非得是连续的，并且可以随机的方式发生，其他用户可以同时使用该频谱，而不受测距过程的影响。跳频还具有以下优点：显著干扰的特定频率可以被阻止并且在频率上来回地跳频。

实施例涉及测距系统，包括集成测距系统，该集成测距系统能够提供具有最小带宽利用的精确测量。实施例提供有源反射器或转发器类型射频测距系统，在该系统中，在生成测量数据的期间，可以精确地建立主设备和从设备之间的相位和频率的一致性。

本发明实施例使得能够在多个频率上进行不连续传输，以便优化可用带宽的使用，并且避免被用于不相关传输或具有噪声的波束集的信道。

本发明实施例可以提供游标测量的系统，由此可知，距离是根据整数个波长加上由不同频率处的两个传输之间的相位角差确定的波长的分数进行测量的。在一些示例中，本发明实施例消除了来自测距计算的多路径数据。

在一个示例中，高分辨率有源反射器射频测距系统包括至少两个射频收发器(例如，设备或节点)。其中一个收发器，作为主设备，向作为从设备和有源反射器的至少一个其它指定收发器发送射频突发脉冲。从设备主动地匹配输入信号的相位和频率，并且根据匹配的相位和频率重传信号。从设备可以在向主设备重传信号之前将其接收的相位和频率数据保留一段时间。在网络内，主和从的指定是任意的，因为那些角色可以根据需要被临时分配。实际上，发起测距操作的任何设备都可以是主设备。每个收发器设备或节点可以被分配唯一的地址。当系统支持具有多个从设备的主设备时，启用点对点测距以及点对多点测距。

现在对高分辨率有源反射器射频测距系统的运行进行描述。第一设备(充当主设备)发送请求测距的射频突发脉冲。第二设备(充当从设备)默认地或通过解码读取的范围数据分组来确定它是正在接收主设备的测距请求的设备。在得到肯定的确认之后，所充当的从设备测量输入载波的相位和/或频率漂移并且对自己的振荡器或时钟进行对准，以实现与输入信号的频率和相位相干性的共同性。可以通过发送多个数据包来增强从单元内的振荡器对准的准确性。在一个示例中，从设备从每个数据包中提取相位和频率数据，或者使用相位信息单元来确定相位和频率数据，并且对结果求平均值。随时间接收到的数据包越多，则输入的载波的相位和频率的计算以及对从设备的内部时钟或振荡器的重新调整越精确。

对于本发明的实施例，采用自适应环路来测量来自主设备的随机输入数据包的相位并且调整从单元的振荡器，使得从设备的振荡器与主单元的振荡器具有相位相干性。不需要连续波传输。实际上，输入的射频信号可以在不同时期在多个频率上发送多个数据包。本发明的优选实施例还可以包括三角积分锁相环，该三角积分锁相环保持从单元的振荡器与输入信号的相位相干性，而不管其频率如何。从单元上的软件被用于处理并重构输入信号信息以便保持从单元的振荡器与主单元的振荡器的相位锁定。该特征有助于实现被用于确定主单元和从单元之间的绝对距离的测量的跳频。

在一个实施例中，采用了热绝缘基准振荡器，该热绝缘基准振荡器既不需要随时间的高度稳定，也不需要在额定温度下的高精度。然而，该热绝缘振荡器在相当短的一段时间内是非常稳定的，该段时间与主单元发送突发脉冲信号及作为响应而接收突发脉冲信号所需的时期，或者从单元接收、分析及重传信号突发脉冲所需的时期是相当的。热绝缘石英晶体振荡器可以采用将振荡器封装在气凝胶绝缘层内的方式进行制造。气凝胶是用于应用的理想绝缘体，因为它具有与石英的膨胀系数几乎相同的膨胀系数。因此，在有从单元的情况下，对从单元的热绝缘基准振荡器的频率及相位进行调节，以便与从主单元接收的载波的那些对应特性相匹配，并且将信号重传到主设备。该过程在如此短的时间段内发生，使得热绝缘基准振荡器中的任何频率漂移均是可忽略的。热绝缘基准振荡器相比于有源振荡器，在成本和能耗方面具有优势。对于电池供电的设备而言，温控振荡器是非常不切实际的，这是因为即便在不实际使用的情况下仍必须保持对这些温控振荡器进行加热，以便维持其稳定性。开发用于原型高分辨率有源反射器射频测距系统的16MHz热绝缘基准振荡器在一秒的周期内展现出了小于每10亿分之2.5的漂移特性。这种类型的基准振荡器的使用，使该系统能够实现优于0.125mm的测距精度。

当主单元以特定频率向从单元发送射频突发脉冲时，该信号由从单元进行接收，与至少一个本地振荡器信号混合以产生误差信号，该误差信号被馈送到由中央处理单元或状态机组成的数字控制系统。来自该数字控制系统的输出被馈送到基准振荡器，该基准振荡器控制三角积分锁相环，该三角积分锁相环反向控制本地振荡器。由于单个突发脉冲可能因太短而不能产生精确的相位和频率误差确定结果，可能需要几个突发脉冲来实现从单元的基准振荡器的最佳锁定。因此，热绝缘基准振荡器保留输入的相位和频率信息，使得无论锁相环被最初设定在哪条信道，锁相环从基准振荡器获得其相位信息。因此，当热绝缘基准振荡器设置锁相环的相位及频率时，该热绝缘基准振荡器还对从单元的发射机及本地振荡器的频率进行有效设置。

存在着与整数分频锁相环相关联的两个主要问题。第一个问题是如果将足够带宽分配给用于所需调制范围的低通滤波器，对于频率生成和频率调制，步进分辨率存在不足。第二个问题是如果使用较小的频率步进，则在低通滤波器处存在不足的带宽。开发分频锁相环(也称为三角积分锁相环)来精确地解决这些问题。例如，在本发明的一个实施例中，分频锁相环针对16MHz基准振荡器的每个周期生成本地振荡器的64个时钟周期相位关系(差)。然而，当使用分频锁相环时，所生成的信号的波形边沿可能不会与基准振荡器直接地对准。这个在发射和接收信号之间的相位关系的同步性对于有意义的距离测量是必要的测距系统中，是很有问题的。此外，如果突发脉冲模式操作或跳频是预期的，或者为了电路简化和功耗最小化的目的，本地振荡器在发送和接收功能之间共享，始终建立所发送的信号和所接收的信号之间的相位关系是至关重要的。在实施例中，可以采用相位关系计数器，该相位关系计数器把分频相位锁定环的分数时间帧的跟踪作为基准振荡器的函数。该相位关系计数器提供广播/接收频带内的任何信道上的输入突发脉冲的绝对相位信息，从而使得系统能够几乎瞬时地建立或重建本地振荡器的相位关系，以便与基准振荡器同步。该相位关系计数器与用于确保在短期内具有可忽略的频移的主基准振荡器和从基准振荡器的同步性的热绝缘振荡器耦合，允许系统：在其不接收或发送信号时，通过切断除基准振荡器和相位关系计数器之外的所有设备的电源来实现功耗最小化；利用普通电压控制的本地振荡器来进行接收操作和发送操作；并且在本地振荡器和所接收的信号之间保持可预测的相位关系，以用于相同频率的不连续的突发脉冲和不同频率的突发脉冲(跳频)。跳频大大增强了系统的有用性，这是因为跳频可以避免有噪声的信道，并且可以从测距计算中检测及消除多路传输的存在。跳频可以与提供足够带宽的任何无线电技术一起使用。

用于实现实施例的射频收发器可以采用正交相位调制。类似于所有调制方案，正交相位调制作为对数据信号的响应，通过改变载波信号的一些方面或载波(通常为正弦曲线)来传送数据。在正交相位调制的情况下，载波的相位被调制为表示数据信号。尽管本发明可以通过计算输入数据包的相移来实现，但本发明还可以通过解调正交相位调制数据包的相移并且使用所得到的数据计算距离的方式来实现。

游标测量技术可用于增强本发明的距离计算的准确度。尽管游标测量已经在调频雷达系统中得到使用，但是那些系统通常依赖于不同频率下的两个或三个信号的同时传输。另一方面，实施例的特别之处在于，可以使用随机选择的信道内的随机选择的频率来实现游标测量，在随机选择的时间间隔内发送随机选择的频率。这是因为与从单元的分频锁相环相关联的相位关系计数器允许将任何接收到的信号的相位关系建立为从基准振荡器的函数，该从基准振荡器可以被认为在相对短的时间段内与主基准振荡器同步。通过以下方式进行游标测量：在不同频率上传输在传输点处同相的至少两个信号。可以通过测量信号之间的相位差来进行距离的粗略测量。如果两个频率将不会在所测量的距离上共享公共零点，则这两个频率就足够了。对于双信号测量，所需的带宽取决于两个信号之间的相位差的测量精度。如果测量精度为3度，则带宽可以是400MHz频带的0.833％，该带宽是3.33MHz的宽频带或者是带宽为3.33MHz的两个信道。如果测量精度为1度，则带宽可以是0.277％，或者是同一个频带的1.11MHz。游标测距可以在电器和电子工程师协会规范802.15.4-2006下的北美无线个域网指定的频带上轻松地实现，因为该频带在(902-928)MHz的带宽内提供了30个信道。如果接收机的分辨率小于1个波长，则可以测量接收信号的相位。粗略测量提供来自发射机的波长的数目。通过计算接收信号的绝对相位，然后可以将波长的分量添加到来自发射机的波长数之中以用于更精确地计算距离。根据本发明，可以建立能够将接收到的信号的相位降低到低至0.1度的无线电设备。利用这种无线电设备，可以容易地解决窄带内的两个相邻频率之间的相位差。在具有12cm的波长的频带中，用于测距的理论分辨率可以优于.005cm。

如先前所述，两个频率可用于对远到第一零位点的距离进行测距计算(即，两个频率再次彼此瞬时同相)。不同频率下的两个无线电信号将在距信号源的某个距离处最终彼此消除，从而使得超过该点的测量变得模糊。因此，需要至少三个频率来避免模糊测量。如果第三频率和其它两个频率中的一个不具有除以n的关系，这是特别有用的。本发明的测距系统利用具有相位关系计数器的分频锁相环，可以采用随机跳频。例如，当在902-928MHz的频带中进行操作时，本发明可以随时间随机地采用30个信道中的任何三个或更多个信道。

本发明的主要优点在于它解决了由多路传输引起的测距不准确性。尽管通过导体或与激光器进行传输，则多频率测距系统工作良好，通过空间的无线电传输通常导致传输的波前的反射，从而导致多路径的传输路径。由于在发射点和接收点之间的直线之外的任何路径必须具有更长的距离，提供用于精确测距的正确相移的信号将伴有已被传输更远距离的信号，因而显示更大的相移量。根据本发明构造的测距系统以不同频率发射至少三个无线电信号，并比较不同频率之间的距离-相位关系。本发明的测距系统利用跳频方法来识别多条路径，选择最短路径，计算最短路径的距离。这通过唯一地构造测量相位和振幅对至少三个频率的表来完成，可以随机地选择上述至少三个频率，旨在既避免噪声信道，又在给定时间利用可用带宽的一小部分。模数转换器以频率顺序将相位-振幅数据输入到表中。该数据经过傅里叶变换，优选地使用计算机系统执行计算。所得到的拍频峰值与各种检测到的路径对应。具有最低拍频的路径是系统主单元和从单元之间的最短和实际距离。使用数字信号处理，如果对傅里叶变换数据执行傅里叶逆变换，则傅里叶逆变换数据可以用于计算不同频率的相位关系中的变化，以及当主单元和从单元相对于彼此移动时，对由多条反射路径引起的失真进行校正。

游标距离测量，多路径检测和校正工作协同进行。该过程是通过使用以下步骤顺序来执行的：首先，使用至少涉及频率f1，f2和f3的跳频，确定各个频率对之间的相位差(即，频率对f1和f2之间的相位差，频率对f1和f3之间的相位差，以及频率对f2和f3之间的相位差)。其次，执行多路径校正来消除多路径数据并确定为实现最短路径而将主单元天线和从单元天线进行分离的那些频率中的其中一个频率的整数个波长。第三，系统切换到相位累加模式，计算每个接收到的频率的绝对相位，从而提供用于计算部分波长的数据，该部分波长必须被添加到整数个波长距离以用于精确测量。因此，本发明的测距系统提供了具有低带宽利用率的高分辨率测距。尽管初始距离的计算需要多个频率的传输，只要物体在测量计算之间的移动距离不超过一个半波长，则可以使用单个频率来跟踪物体。在游戏系统中，例如，一旦实现了位置获取，则在天线对之间的单个频率的使用将极大地降低计算负荷。

本发明的独特性以主单元和从单元的基准振荡器的同步，以及使用热绝缘基准振荡器和锁相环在所有频率上建立及保持主单元和从单元之间的相位相干性作为基础，而与频率无关。此外，跳频的使用不仅能够随机选择低噪声信道，还能够消除多路径数据，从而提供具有最小带宽要求的高分辨率测量。

本领域技术人员将会理解，在不脱离本发明的基本原理的情况下，可以对上述实施例的细节作出许多改进。因此，本发明的保护范围应由后面的权利要求进行确定。

在示例性的实施例中，本文中所描述的任何操作，过程等可以被实现为存储在计算机可读介质上的计算机可读指令。射频E可以包括处理器和/或存储器，以便处理信号并执行如本文中所讨论的测量。该计算机可读指令可以由移动单元，网络元件和/或任何其它计算设备的处理器来执行。

前述详细描述内容已通过框图，流程图和/或示例的使用阐述了设备和/或过程的各种实施例。只要这些框图，流程图和/或示例包含一个或多个功能和/或操作，本领域技术人员应该理解，这些框图，流程图和示例中的每个功能和/或操作，软件，固件或其实质上任何组合可以单独和/或共同地实现示例。本领域技术人员将认识到，本文所公开的实施例的一些方面可以全部或部分地在集成电路中等效地实施，作为在一个或多个计算机上运行的一个或多个计算机程序(例如，作为在一个或多个计算机系统上运行的一个或多个程序)，作为在一个或多个微处理器上运行的一个或多个程序(例如，作为在一个或多个微处理器上运行的一个或多个程序)，作为固件，或者实际上作为它们的任何组合，在本文公开内容的启示下，在本领域技术人员的技能范围内，本领域技术人员会很好地设计电路和/或编写用于软件和/或固件的代码。另外，本领域技术人员将认识到，本文所描述的主题的机制能够被发布成各种形式的程序产品，并且应用本文中所描述的主题的说明性的实施例，而不管用于实际执行发布的信号承载介质的特定类型。信号承载介质的示例包括但不限于下述的：可记录类型的介质，例如软盘，硬盘驱动器，光盘，数字化视频光盘，数字磁带，计算机存储器等；以及传输类型介质，例如，数字和/或模拟通信介质(例如光纤电缆，波导，有线通信链路，无线通信链路等)。

本领域技术人员将会理解，在本领域中常见的是以本文中阐述的方式描述设备和/或过程，并且此后使用工程实践来将这样描述的设备和/或过程集成到数据处理系统中。即，本文描述的设备和/或过程的至少一部分可通过进行合理次数的实验被集成到数据处理系统中。本领域技术人员将会理解，典型的数据处理系统通常包括系统单元壳体，视频显示设备，诸如易失性和非易失性存储器之类的存储器，诸如微处理器和数字信号处理器之类的处理器，诸如操作系统、驱动器、图形用户接口和应用程序之类的计算实体，诸如触摸板或屏幕之类的一个或多个交互设备，和/或包括反馈回路和控制马达的控制系统(例如，用于感测位置和/或速度的反馈；用于移动和/或调整部件和/或量的控制马达)。典型的数据处理系统可以利用任何合适的市售组件，例如通常在数据计算/通信和/或网络计算/通信系统中获得的那些组件来实现。

现在将分别参照实施例900A，900B和1000来讨论图9a，图9b和图10，在实施例中，使用相控天线阵列。在实施例900A和900B中，发射机901具有多个天线908a-908c。发射机901可以被配置为用于使用控制开关904a-904c的CPU907来控制天线908a-908c的操作。发射机CPU907可以控制将哪些天线在任何给定时间进行导通，并且可以控制将哪些频率供于那些天线进行使用。在一些情况下，发射机901可以使用不同的频率在不同时间对不同的天线进行初始化(即，发射机可以实现跳频)。这将在下面作出更详细地解释。

相控阵天线系统通常用于跟踪无线电信号和物体。这些系统使用组合成波束的天线图案来形成用于发射或接收的天线。在接收模式中，可以在数字域或射频域中进行组合。如果组合是在数字域或在计算机系统中完成的，则可以使用相同的数据来计算许多不同的组合，从而允许同时处理许多虚拟天线结构。这种系统的一个示例是位于新墨西哥州的巨大的阵列，其被用作天文无线电观察。相同类型的处理可以用于从同一阵列发送多个定向波束。这允许将能量引导至具有来自同一根天线的不同数据的不同位置。

当在建筑物内或在多个物体周围使用这些类型的系统时，无线电波的反射可能导致错误，使得获得无线电来源的位置变得困难。这已使其成为室内定位系统和实时定位系统的问题，无论是否存在反射信号的多个物体。本文描述的实施例描述了识别用于定位系统的直接信号和反射信号的各种方式。

本发明的实施例提供一种用于低成本地获得无线电波方向和/或到达角的系统。系统使用相位角技术和跳频来提供高度准确的方向和到达角度测量。本发明的实施例使用两个或更多个收发器，每个收发器均具有多个天线。尽管本文描述了接收机和发射机，本领域技术人员将认识到，这些接收机和发射机可以是单功能设备，或是双功能收发机。在一些实施例中，发射机具有多个天线，并且接收机具有单个天线(例如，在图9A和9B中)。在其它实施例中，发射机具有单个天线，并且接收机具有多个天线(例如，在图10中)。可以通过从一个天线发射到多个接收天线，或者从多个发射天线发射到一个接收天线的方式来获得到达角。因为信号在发射机和接收机之间进行传输，可以使用相控阵或相位差技术获得包括到达角的无线电来源(即发射机)的方向或角度。

本发明实施例中的改变无线电波传输的频率，然后重复相位测量被添加到本文中。所得的相位数据是相位和增益归一化的，然后将来自先前测量值中的相位数据添加到相控阵数据之中。由于对不同的频率进行求和，所以移动更快的相位数据经过滤波，从而减小了更长的信号路径的影响。这样，留下最短路径作为主导路径。然后，由CPU907(或由另一本地或远程计算机系统907)处理的软件使用经滤波的相位数据计算高精度的到达角。在一些情况下，可以通过数学地调整所测量的相位来使用更少数量的天线。

在一个实施例中，提供了无线电系统(例如，图9A的900a)，该无线电系统包括下述的：具有两个或更多个天线908A-908C的发射机901，天线908A-908C被配置为用于以第一频率广播第一信号(例如，902A)，并且在随后时间以不同的第二频率广播第二信号(例如，902B)。该无线电系统900A还包括具有天线903的接收机906A，天线903被配置为用于接收从发射机901的天线广播的第一信号902A和第二信号902B。最后，该无线电系统包括处理单元907，该处理单元907例如是CPU或可编程微控制器。处理单元907可以被配置为用于执行以下操作：以第一频率测量在接收机906处接收到的第一信号902A的振幅和相位，以第二频率测量在接收机处接收的第二信号902b的振幅和相位，并使用所测的每个信号的振幅和相位来确认指向发射机的角度或方向。

在一些情况下，发射机901可以包括第三天线908C，该第三天线908C以不同的第三频率发送第三信号。如省略号所指示的，发射机901可以与三个以上的天线连同使用。发射机可以使用CPU907向开关904A-904C提供控制指令905以实现或绕开某些天线。在一些情况下，例如，可以仅使用天线908A和908C，而在其它情况下，可以使用天线908B和908C。天线的任何组合在任何给定时刻都是可能的。类似地，每个天线可以用于以不同的频率进行发送，并且，每个天线可以在不同的时间点以不同的频率进行广播。因此，例如，天线908A可以在时间点A以100MHz的频率进行广播，并且可以在时间点B处以150MHz的频率进行广播，等等。不同频率之间的变化在本文中被称为跳频。跳频允许系统900A生成准确的方向和/或到达角测量。

在实施例900A中，发射机901电连接到CPU907。该CPU能控制天线的启用以及控制这些天线使用的频率。在图9B的实施例900B中，接收机906自配有CPU907，该CPU907控制接收操作。例如，当接收机天线903被激活时，接收机CPU907可以控制及进一步控制该接收机天线903被调谐到的频率。例如，在第一时间点A，接收机天线903可以被调谐到来自天线908A的信号902A的频率，而在第二时间点B，接收机天线可以被调谐到来自天线908C的信号902C的频率。接收机天线903还可以被进一步地配置为从同一个天线接收不同频率的信号。因此，在时间点A，接收机天线903可以调谐到来自天线908B的，以第一频率(例如，100MHz)进行传输的信号902B，然后在第二时间点B处，接收机天线903可以调谐到来自天线908B的相同信号902B，不同的是，该信号902B是以不同的第二频率(例如，150MHz)进行传输。因此，发射机901或接收机906可以具有执行计算及发出控制命令的相关联的CPU。尽管未在附图中进行示出，但应当理解，至少在一些实施例中，接收机和发射机都可以具有相关联的处理单元，或接收机和发射机均不具有相关联的处理单元。不同的实施例可能需要不同的电子组件或设备。实际上，在至少一些情况下，CPU907可以与数据存储通信连接，从而允许CPU存储与所测方向或到达角相关的信息。

在图10所示的实施例1000中，接收机906具有多个天线903A-903C，天线904A-903C可以从发射机901接收不同的信号。例如，具有单个天线908的发射机901可以在不同时间点发送信号902A，902B和/或902C。发射机901可以在不同时间点使用不同频率发送信号。如在上述的实施例900A和900B中那样，可以在实施例1000使用跳频来确定到信号源的角度或方向。例如，如图11所示，接收机906可以利用跳频确定到达角φ(1110A)。接收机通过在天线908A，908B和908C(和/或潜在的其它天线)之间进行切换906来测量每个信号的相位和振幅。

因此，接收机906接收每个信号并且测量该信号的相位和振幅。可以使用相位差技术来获得比如到达角的角度。例如，接收机906可以接收信号902A并且确定相对于自身(即，固定参考点)和信号源(例如，天线908A)的角度φ(1110A)，或相对于自身和另一个信号源(例如，天线908B)的角度。类似地，接收机906可以接收信号902B并确定相对于自身和信号源(例如，天线908B)的角度，或者相对于自身和另一个信号源(例如，天线908C)的角度。每个相位和振幅的测量可以与所确定的信号的到达角一起存储于数据存储器之中。在已作出这些初始相位及振幅测量和角度确定之后，系统可以改变射频信号的频率并且重复进行相位和振幅测量。可以重新执行角度计算来对已确定的角度进行微调或校正先前计算值中的误差。

虽然图11示出了发射机(Tx)具有三个天线，但是发射机实质上可以具有任意数量的天线。每个天线都可以相同或者不同的频率进行广播。在一些情况下，天线(例如，天线908C)可以以改变的频率来广播信号。例如，如图12所示，以第一频率(1201A)和第二频率(1201B)显示了天线1，2，3…n。图表1202A和1202B显示了正在将哪个天线以这个频率进行发送。因此，如在图12中可见，天线2正在以频率(11201A)进行广播(或接收)，天线3正在以频率2(1201B)进行广播(或接收)。该图可以被扩展以展示如省略号所指示的任意频率。此外，虽然仅示出了在给定时间使用一个频率的天线，但应理解的是，可以使用以相同频率同时进行广播/接收的多个天线。更进一步地，在使用跳频的情况下，图表1202A和图表1202A指示哪个天线在相同时刻正在使用哪个频率。可以改变频率，因此，对图表进行更新来反映频率的变化。例如，如果图9中的CPU907命令天线2停止以频率1进行广播/接收并切换到频率2，则X将会从表格1202A的方框“ANT2”中进行移除，并被添加到表格1202B的方框“ANT2”之中。因此，表格1202A和表格1202B可以随时间进行更新，并且可以在任何一个给定时间点上显示出天线和频率的使用。

当接收到每个信号时，接收机(或更具体地，接收机906处的CPU907)对以各种频率进行广播的每一个信号的振幅和相位进行测量。该振幅和相位测量允许CPU907确认指向发射机的角度和/或方向。因此，如图11所示，接收机可以分别从天线908A，908B和908C接收信号902A，902B和902C。CPU907可以计算信号902A，902B和902C的振幅和相位并存储计算结果。CPU907还可以确定信号902A，902B和902C的相位并同样地存储结果。可以确定三个信号中的每一个信号的振幅及相位以便确定到发射机上的每一个天线的方向，或确定到作为一个整体的发射机的方向。接收机可以使用所测量及计算的值来确认从接收机天线903到发射机天线908a的角度φ(1110A)。接收机还可以使用所测量及计算的值来确认从接收机天线903到发射机天线908C的角度φ'(1110B)。同样可以单独地或相对于信号902A和信号902C确定到天线908B的角度或方向。

在一些实施例中，处理单元(例如，处理单元907)可以被配置为用于使用不同的频率来校正误差。例如，如图13所示，天线(1301)可以针对每个频率被显示为1，2，3，n。因此，每个天线可以持续地使用频率1一段时间，持续地使用频率2一段时间，等等，因为每个天线在频率之间进行跳频，CPU907可以使用来自每个接收到的信号的输入来校正方向或所确定的到达角的误差。因此，随着时间的推移，由于以不同的频率接收信号，振幅和相位测量将会改进，从而导致更精确地确定对于每个信号的方向和到达角。信号(902A-902C)可以以连续流或突发脉冲的方式进行发送。举例来说，可使用图9a中的发射机天线中的至少一个将射频突发脉冲发射至接收机906。

另外地或可替代地，射频突发脉冲可由多个发射机天线发射到接收机906。发射机可被配置为用于在其发射射频突发脉冲时对天线进行切换。一旦已经接收到来自多个天线的信号，并且已经测量振幅和相位，则信号频率被改变为不同的频率。然后，处理单元907随后对发射机的角度或方向的确定是基于改变的，不同的频率进行的。以这种方式，使用多个发射机天线(例如，图9A和9B)或使用多个接收机天线(例如，图10)的跳频允许确定每个信号的振幅和相位的精确测量。于是允许系统计算高度准确的方向及到达角测量值。基本上可以在任何环境，甚至在具有导致信号干扰的物体的室内环境中使用这些方向及到达角测量值。

现在转向图14，提供了用于获得无线电来源(例如，发射机)的角度或方向的方法1400。该方法1400包括以不同频率对来自发射机(1410)的两个或更多个天线的两个或更多个信号进行广播。因此，如图9A所示，发射机901对来自天线908A的信号902A进行广播，对来自天线908B的信号902B进行广播，以及对来自天线908C的信号902C进行广播。可以以不同频率对信号902A-902C进行广播。因此，在图9A的实施例900A中，三个天线908A-908C可以分别以三个不同频率进行发射。此外，每个天线均可以随时间改变它的频率，使得每个天线在不同的时间段以不同的频率进行传输。

方法1400接下来包括在接收机(1420)处接收以不同频率进行广播的两个或更多个信号。接收机906可以接收以各种频率广播的信号902A-902C，并随后测量在接收机(1430)处接收的每个信号的振幅和相位。如图9B所示，接收机906可以连接到能够确定所接收的每个信号的振幅和相位的CPU907。当使用不同的频率时，信号的相位和振幅可以随时间改变。当以不同频率发射两个或更多个信号时，这允许CPU907确定指向无线电来源(例如，发射机901)的最短路径。例如，当接收到多个频率时，可以对这些频率进行求和来识别更快的移动相位数据。然后，对该相位数据进行滤波，从而减小了较长路径的影响。这样，留下最短路径作为主导路径。

CPU907可以通过使用所确定的最短路径来确认或获得指向无线电来源的方向或到达角。事实上，如上所述，使用多个频率允许接收机CPU获得最短的那条路径，因为当频率改变时，对于较长路径的相位的移动更快。因此，CPU可以使用在不同频率下进行的相位和振幅测量来确定相对于无线电来源的到达方向和/或到达角(1440)。还可以使用所识别的各种信号中的相移确定沿着每个角度路径到发射机的距离。因此，不仅可以使用跳频来确定到达方向和到达角，还可以使用所测量的相移来确定指向无线电来源的距离。

在一些实施例中，CPU907可以被配置为用于获取每个信号的相位测量值并且归一化用于相位和增益的每个信号。在已经执行该归一化操作之后，CPU可以将归一化信号添加到相控阵数据结构。相控阵数据结构可以包括先前存储的测量值，还可以包括在后的相位测量值。该相控阵数据结构(S)可以存储于本地或远程的数据存储器之中，并且可以被用于当前或未来的方向，角度或距离计算之中。在一些情况下，发射机可以使用特定频率或特定频率集合来确认相控阵中的天线的范围。例如，通过对信号进行快速傅里叶变换，CPU907可以确定能够被系统解析的每个信号路径的范围。在使用较少天线的情况下，CPU可以被配置为用于对较少量的天线进行数学补偿，并且仍准确地确定相对于无线电来源的方向或到达角。

在另一个实施例中，提供无线电系统(例如，图10的无线电系统1000)。该无线电系统1000包括发射机天线908，该发射机天线908被配置为用于以第一频率广播第一信号达到指定时长，以不同的第二频率广播第二信号(902B)达到指定时长，并且以第三不同频率广播第三信号达指定时长。无线电系统1000还包括被配置为用于接收第一信号，第二信号和第三信号的两个或更多个接收机天线。更进一步地，无线电系统1000包括处理器907，处理器907被配置为用于获得到天线的多个无线电路径的角度和距离。在此实施例中，CPU可因此被配置为用于不仅确定到信号源的方向或来自信号源的到达角，还用于确定到信号源的距离。接收机906在它的多个天线之间进行切换以测量所接收的信号的相位和振幅。

一个接收机天线可以在不同的时间接收以不同频率传输的信号，或者多个接收机天线中的每一个可以接收以不同频率同时进行传输的信号。尽管在图10中示出了三个接收机天线，其中，接收机903A接收信号902A，接收机903B接收信号902B，并且接收机903C接收信号902C，应当了解的是，可以使用更多或更少数量的接收机天线。CPU907可以使用控制信号905来控制接收机天线，使得每个接收机天线在指定时间进行操作，并且使得每个接收机天线在指定频率上进行接收。CPU于是可以以不同频率来获取所接收的信号，使用相位和振幅测量值来确定最短路径，并确认相对于发射机9011的到达方向或到达角。

根据上文，应当理解的是，出于说明的目的已经对在本文中公开的各个实施例进行了描述，并且在不脱离本申请公开的范围及精神的前提下，可以作出各种改进。因此，本文中公开的各种实施例并不是限制性的，本申请的真实的范围和精神体现在所附的权利要求书之中。

Claims (20)

1.一种无线电系统，包括：

发射机，所述发射机具有两个或更多个天线，所述两个或更多个天线被配置为用于以第一频率对第一信号进行广播，并在随后以不同的第二频率对第二信号进行广播；

接收机，所述接收机具有天线，所述天线被配置为用于接收由所述发射机的所述两个或更多个天线广播的所述第一信号及所述第二信号；以及

处理单元，所述处理单元被配置为用于执行以下操作：

测量在所述接收机处接收的所述第一频率的第一信号的振幅和相位；

测量在所述接收机处接收的所述第二频率的第二信号的振幅和相位；以及

利用所测量的每个信号的振幅和相位来确认指向所述发射机的角度或方向。

2.根据权利要求1所述的无线电系统，其中，所述接收机通过在所述第一天线和所述第二天线之间进行切换来测量每个信号的相位和振幅。

3.根据权利要求1所述的无线电系统，其中，所述发射机包括第三天线，所述第三天线被配置为用于在广播所述第二信号之后以不同的第三频率对第三信号进行广播。

4.根据权利要求3所述的无线电系统，其中，所述处理单元对在所述接收机处接收的，以所述第三频率进行广播的所述第三信号的振幅和相位进行测量。

5.根据权利要求4所述的无线电系统，其中，所述处理单元利用所测量的所述第一、第二及第三信号的振幅及相位来确认指向所述发射机的所述角度或所述方向。

6.根据权利要求5所述的无线电系统，其中，所述处理单元被进一步地配置为用于利用所述第一频率、所述第二频率及所述第三频率对误差进行修改。

7.根据权利要求1所述的无线电系统，其中，通过所述发射机的至少一个天线将射频突发脉冲传送至所述接收机。

8.根据权利要求7所述的无线电系统，其中，通过所述发射机的多个天线将所述射频突发脉冲传送至所述接收机，所述发射机被配置为用于当其发送所述射频突发脉冲时对天线进行切换。

9.根据权利要求1所述的无线电系统，其中，根据对来自所述第一天线及所述第二天线的所述第一信号及所述第二信号进行的测量，将信号的频率切换到不同的频率。

10.根据权利要求9所述的无线电系统，其中，所述处理单元随后对到所述发射机的角度或方向的确定是基于所述经过改变的不同的频率进行的。

11.一种用于获得指向无线电来源的角度或方向的方法，包括：

以不同的频率从发射机的两个或更多个天线广播两个或更多个信号；

在接收机处对以不同频率广播的所述两个或更多个信号进行接收；

对在所述接收机处接收的每个信号的振幅和相位进行测量；以及

利用所测的每个信号的振幅及相位，来确认指向所述无线电来源的角度或方向。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述以不同频率广播的两个或更多个信号允许将确定的最短路径，根据所述最短路径获得指向所述无线电来源的所述角度或方向。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，利用所识别的所述两个或更多个信号的相移确定沿每条角度路径到所述发射机的距离。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，还包括：

获取每个信号的相位测量值；

对每个信号进行归一化，得到相位及增益；以及

将归一化的信号添加到相控阵数据结构，所述相控阵数据结构包括一个或更多个在先及在后的相位测量值。

15.根据权利要求11所述的方法，其中，由所述发射机利用指定的一组频率确认在所述相控阵中的所述至少一个天线的范围。

16.根据权利要求11所述的方法，其中，对至少一个信号的相位进行数学调整，以允许使用较少的天线。

17.一种无线电系统，包括：

发射机天线，所述发射机天线被配置为用于以第一频率广播第一信号达到指定的一段时间，以不同的第二频率广播第二信号达到指定的一段时间，以及以不同的第三频率广播第三信号达到指定的一段时间；

两个或更多个接收机天线，所述接收机天线被配置为用于接收所述第一信号、所述第二信号及所述第三信号；以及

处理器，所述处理器被配置为用于获得指向所述天线的多个无线电波路径的角度和距离。

18.根据权利要求17所述的无线电系统，其中，所述发射机经由所述天线对射频突发脉冲进行传输。

19.根据权利要求18所述的无线电系统，其中，所述接收机通过在所述两个或更多个天线之间进行切换来测量所述相位及振幅。

20.根据权利要求17所述的无线电系统，其中，还包括：

至少一个第三接收机天线，所述第三接收机天线被配置为用于接收所述第三信号，以使得所述第一接收机天线接收所述第一信号，所述第二接收机天线接收所述第二信号，以及所述第三接收机天线接收所述第三信号。