TWI912721B - 用以掃描物體的雷達系統與方法 - Google Patents

Abstract

本申請揭示一種雷達系統。所述雷達系統包括第一子陣列、第二子陣列以及第三子陣列。第一子陣列與第二子陣列中的天線沿著第一軸線配置，且第三子陣列中的天線沿著第二軸線配置。當掃描雷達系統的雷達覆蓋範圍時，雷達系統利用第一子陣列與第二子陣列作為RF信號收發器並利用第三子陣列作為RF信號接收器以根據第一信號參數掃描第一探測距離範圍，並根據第二信號參數掃描第二探測距離範圍。自雷達系統至第一探測距離範圍內每一可探測位置所測得的最大距離小於或等於自雷達系統至第二探測距離範圍內每一可探測位置所測得的最小距離。

Description

用以掃描物體的雷達系統與方法

本揭露是有關於一種雷達系統，特別是一種主動電子掃描陣列(active electronically scanned array，AESA)雷達系統。

相陣列雷達，也稱為主動電子掃描陣列(active electronically scanned array，AESA)，能夠使用波束形成技術在不同方向上發射射頻波，而不需要移動天線元件。然而，由於AESA通常需要大尺寸、高功率和高成本，因此通常用於軍事應用，而難以應用於民用市場的商業化產品。

此外，民用應用中的目標偵測物體(如無人機)具有較小的雷達截面(radar cross section，RCS)、較慢的速度和任意的軌跡，這與軍事用途中的待偵測物體(例如導彈、戰鬥機或船舶)的特性不同。因此，如何利用AESA技術實現能夠滿足商業需求的雷達偵測系統成為一個需要解決的問題。

先前技術僅用以提供背景資訊。先前技術中的陳述並非承認本節中公開的主題構成本揭示內容的現有技術，且先前技術的任何部分均不得用作承認本申請的任何部分包括本先前技術部分的討論構成本揭示公開的現有技術。

本揭露的一實施例提供一種雷達系統。雷達系統包含第一子陣列、第二子陣列及第三子陣列。第一子陣列包含沿著第一軸線配置的多個第一天線，第二子陣列包含沿著第一軸線配置的多個第二天線，且第三子陣列包含沿著與第一軸線正交的第二軸線配置的多個第三天線。在用以掃描雷達系統的雷達覆蓋範圍的第一掃描模式中，雷達系統利用第一子陣列與第二子陣列作為射頻(radio frequency，RF)信號收發器，並利用第三子陣列作為RF信號接收器以根據多個第一信號參數掃描一第一探測距離範圍，及根據多個第二信號參數掃描一第二探測距離範圍。從雷達系統到第一探測距離範圍內的每一可探測位置所測得的最大距離小於或等於從雷達系統到第二探測距離範圍內的每一可探測位置所測得的最小距離。

本揭露的另一實施例提供一種利用雷達系統掃描物體的方法。雷達系統包含第一子陣列、第二子陣列及第三子陣列的。掃描物體的方法包含排置包含多個第一天線的第一子陣列，以使多個第一天線沿著第一軸線設置，排置包含多個第二天線的第二子陣列，以使多個第二天線沿著第一軸線設置，排置包含多個第三天線的第三子陣列，以使多個第三天線沿著與第一軸線正交的第二軸線設置，在用以掃描雷達系統的雷達覆蓋範圍的第一掃描模式中，利用第一子陣列與第二子陣列作為RF信號收發器，且利用第三子陣列作為RF信號接收器，以根據多個第一信號參數掃描第一探測距離範圍並根據多個第二信號參數掃描第二探測距離範圍。從雷達系統到第一探測距離範圍內每一可探測位置測得的最大距離小於或等於從雷達系統到第二探測距離範圍內每一可探測位置測得的最小距離。

以下對本揭露的描述與附圖併入並構成本說明書的一部分，並對於本揭露的實施例進行說明，但本揭露不限於這些實施例。此外，還可以適當結合下述實施例以完成其他實施例。

引用「單一實施例」、「一個實施例」、「示例性實施例」、「其他實施例」、「另一實施例」等表示如此描述的本揭露實施例可以包括特定特徵，結構或特性，但不是每個實施例都必須包括特定的特徵、結構或特性。此外，短語「在實施例中」的重複使用儘管可以指代相同的實施例，但並非必要。

為了更能清楚理解本揭露，在以下的說明中提供了詳細的步驟和結構。顯然，本揭露的實施並不限制本領域技術人員已知的具體細節。此外，不再詳述已知的結構和步驟，以免對本揭露造成不必要的限制。下文將詳細描述本揭露的優選實施例。然而，除了詳細描述之外，還可以在其他實施例中廣泛實施本揭露。本揭露的範圍不會被詳細描述所限制，而是由請求項定義。

圖1繪示根據本揭示內容的某些實施例的雷達系統100。在某些實施例中，雷達系統100可以是應用了主動電子掃描陣列(active electronically scanned array，AESA)的數位主動相位陣列雷達系統。雷達系統100包括第一子陣列110、第二子陣列120以及第三子陣列130。

圖2繪示根據本揭示內容的某些實施例，利用雷達系統100掃描物體的方法M1。在某些實施例中，方法M1包括步驟S110至S130，並可用以排置第一子陣列110、第二子陣列120以及第三子陣列130從而完成掃描程序。

請同時參照圖2與圖1，在步驟S110，包括M個第一天線112_1至112_M的第一子陣列110可被排置而使得第一天線112_1至112_M沿著一第一軸線配置。在步驟S120，包括N個第二天線122_1至122_N的第二子陣列120可被排置而使得第二天線122_1至122_N沿著第一軸線配置。此外，包括O個第三天線132_1至132_O的第三子陣列130可被排置而使得第三天線132_1至132_O沿著與第一軸線正交的第二軸線配置。在本揭示內容的脈絡中，第一軸線可以是X軸，且第二軸線可以是Z軸。此外，M、N、O可以是大於1的整數。在此種情形中，第一子陣列110、第二子陣列120及第三子陣列130可以形成一種T型雷達。在某些實施例中，M等於N，且在某些實施例中，M、N、O皆相等。舉例來說，M、N、O可等於8。然而，本揭示內容不限於此。

在某些實施例中，可將第一子陣列110與第二子陣列120作為多個收發器。也就是說，第一子陣列110可通過第一天線112_1至112_M傳輸與接收射頻(radio frequency，RF)信號，且第二子陣列120可通過第二天線122_1至122_N傳輸與接收RF信號。在某些實施例中，第三子陣列130可作為多個接收器。也就是說，第三子陣列130可通過第三天線132_1至132_O接收RF信號。

此外，在某些實施例中，每兩個相鄰第一天線間的距離DH1以及每兩個相鄰第二天線間的距離DH2相等，都可以是RF信號的半波長。

如圖1所示，第一子陣列110中的第一天線112_1鄰近第二子陣列120中的第二天線122_1，且因此，第一天線112_1與第二天線122_1間的距離DH3是第一子陣列110中的第一天線112_1至112_M與第二子陣列120中的第二天線122_1至122_N的最小距離。在某些實施例中，距離DH3大於或等於距離DH1。在某些實施例中，若距離DH3等於距離DH1，則第一子陣列110與第二子陣列120可視為一種均勻線性陣列(uniform linear array，ULA)收發器。然而，在某些實施例中，若距離DH3大於距離DH1，則第一子陣列110與第二子陣列120可視為一種非均勻線性陣列收發器。

此外，每兩個相鄰第三天線間的距離DV1是RF信號的半個波長。在某些實施例中，距離DV1與距離DH1及距離DH2相等。此外，第三天線132_1和第一天線112_1與第二天線122_1之中點MP1間的距離DV2大於0。在本揭示內容中，為了便於解釋，第一天線112_1與第二天線122_1間的中點MP1位於卡氏座標系的參考點，如圖1所示。

圖3繪示根據本揭示內容的某些實施例之雷達系統100的功能區塊。如圖3所示，第一子陣列110包括相位陣列天線112、數位信號與資料處理器(digital signal and data processor，DSDP) 114、類比前端電路116以及RF前端電路118。相位陣列天線112包括天線112_1至112_M。在某些實施例中，第一子陣列110與第二子陣列120可作為收發器。舉例來說，DSDP 114包括數位發送器組件114A以及數位接收器組件114B。類比前端電路116包括類比發送器組件116A以及類比接收器組件116B。此外，RF前端電路118包括RF發送器組件118A以及RF接收器組件118B。

相似地，第二子陣列120包括相位陣列天線122、數位信號及資料處理器(DSDP) 124、類比前端電路126以及RF前端電路128。相位陣列天線122包括天線122_1至122_N。DSDP 124包括數位發送器組件124A以及數位接收器組件124B。類比前端電路126包括類比發送器組件126A以及類比接收器組件126B。此外，RF前端電路128包括RF發送器組件128A以及RF接收器組件128B。

在某些實施例中，第三子陣列130可作為多個接收器。舉例來說，第三子陣列130包括相位陣列天線132、DSDP 134、類比前端電路136以及RF前端電路138。相位陣列天線132包括天線132_1至132_O。DSDP 134包括數位接收器組件134B。類比前端電路136包括類比接收器組件136B。此外，RF前端電路138包括RF接收器組件138B。

當雷達系統100發射用來掃描物體的RF信號時，數位發送器組件114A可根據所需掃描策略產生數位輸出信號SIG_{DO1_1}至SIG_{DO1_M}，類比發送器組件116A可將數位輸出信號SIG_{DO1_1}至SIG_{DO1_M}轉換成類比輸出信號SIG_{AO1_1}至SIG_{AO1_M}，且RF發送器組件118A可將類比輸出信號SIG_{AO1_1}至SIG_{AO1_M}轉換成具有較高頻率的RF輸出信號SIG_{RFO1_1}至SIG_{RFO1_M}以供傳輸。相位陣列天線112可採用多種可變移相器和/或延時控制器，以控制天線112_1至112_M發射的輸出信號SIG_{RFO1_1}至SIG_{RFO1_M}的相位。

相似地，當雷達系統100發射用於掃描物體的RF信號時，數位發送器組件124A可根據所需掃描策略產生數位輸出信號SIG_{DO2_1}至SIG_{DO2_N}，類比發送器組件126A可將數位輸出信號SIG_{DO2_1}至SIG_{DO2_N}轉換成類比輸出信號SIG_{AO2_1}至SIG_{AO2_N}，且RF發送器組件128A可將類比輸出信號SIG_{AO2_1}至SIG_{AO2_N}轉換成具有較高頻率的RF輸出信號SIG_{RFO2_1}至SIG_{RFO2_N}以供傳輸。相位陣列天線122可採用多種可變移相器和/或延時控制器，以控制天線122_1至122_N發射的RF輸出信號SIG_{RFO2_1}至SIG_{RFO2_N}的相位。

在某些實施例中，藉由適當地調整天線112_1至112_M以及天線122_1至122_N發射的RF信號的相位和/或振幅，可以形成瞄準指定方向的RF波束。圖4繪示在不同時間，第一子陣列110與第二子陣列120將RF波束轉向不同方向。

如圖4所示，RF波束B_1與B_2可呈扇形。此外，在本實施例中，第一天線112_1至112_M與第二天線122_1至122_N沿著第一軸線配置，且面向沿著一第三軸線(如，Y軸)的方向。在此種情形中，Y軸可視為雷達系統100的視軸方向，且RF扇形波束B_1及B_2可被控制使其在由第一軸線(如，X軸)和第三軸線(如，Y軸)形成的平面上(如，X-Y平面)具有不同的方位角φ1與φ2，其中第三軸線與第一軸線及第二軸線(如，Z軸線)正交。再者，在此種情形中，RF波束B_1與B_2的主平面的法向量將不具有沿第二軸線的向量分量。

在某些實施例中，在雷達系統100發射RF波束後，若所述RF波束碰到物體，則雷達系統100將會接收由該物體反射的RF信號，並可根據接收到的RF信號進行波束成形計算與都卜勒處理，以推導出所述物體相對於雷達系統100的位置與速度。

在某些實施例中，第一子陣列110、第二子陣列120以及第三子陣列130可以是用來接受經由該物體反射的RF信號的接收器。在某些實施例中，透過使第一子陣列110與第二子陣列120接收到的RF信號波束成形，即可推導出該物體的位置的方位角。在此種情形中，由第一子陣列110與第二子陣列120形成的接收器可視為水平接收器，且由第一子陣列110與第二子陣列120接收到的RF信號的波束成形可以稱為水平波束成形。此外，透過使第三子陣列130接收到的RF信號波束成形，即可以推導出該物體的位置的仰角。在此種情形中，由第三子陣列130形成的接收器可視為垂直接收器，且由第三子陣列130接收到的RF信號的波束成形可以稱為垂直波束成形。

具體來說，當雷達系統100用以接收傳入信號時，RF接收器組件118B、128B及138B可將RF輸入信號SIG_{RFI1_1}至SIG_{RFI1_M}、SIG_{RFI2_1}至SIG_{RFI2_N}以及SIG_{RFI3_1}至SIG_{RFI3_O}轉換成類比輸入信號SIG_{AI1_1}至SIG_{AI1_M}、SIG_{AI2_1}至SIG_{AI2_N}以及SIG_{AI3_1}至SIG_{AI3_O}。類比接收器組件116B、126B以及136B可將類比輸入信號SIG_{AI1_1}至SIG_{AI1_M}、SIG_{AI2_1}至SIG_{AI2_N}以及SIG_{AI3_1}至SIG_{AI3_O}轉換成數位輸入信號SIG_{DI1_1}至SIG_{DI1_M}、SIG_{DI2_1}至SIG_{DI2_N}以及SIG_{DI3_1}至SIG_{DI3_O}。數位接收器組件114B、124B以及134B可進行一系列作業，譬如前端通道補償、預平均(pre-averaging)、匹配濾波(matched filtering)、下取樣(down sampling)以及都卜勒處理，以便於波束形成並推導出被探測物體的位置與速度。由於雷達系統100可以利用稀疏的二維天線陣列(即，天線112_1至112_M、122_1至122_N、以及132_1至132_O)來執行掃描過程，因此可大幅減少雷達系統100所需的硬體組件，從而實現減低雷達系統100成本和空間的優點。

在某些實施例中，雷達系統100的可探測掃描範圍可能會與用於傳輸RF輸出信號的脈衝持續時間以及用於接收RF輸入信號的掃描振幅持續時間相關。舉例來說，當掃描距離雷達系統100較遠的物體時，可能需要較長的脈衝持續時間來傳輸具有較大頻寬的RF輸出信號，以維持可接受的偵測距離解析度。然而，若RF輸入信號需要較長的持續時間來完成傳輸，則由於反射的RF信號可能在雷達系統100完成傳輸RF信號並改變成接收狀態之前就已經到達雷達系統100，因此可能無法偵測到某些鄰近的物體。因此，在某些實施例中，為了擴大雷達覆蓋範圍同時保持可接受的效能(如，為了符合最小信號雜訊比(signal-to-noise ratio，SNR)要求)，雷達系統100可將完整的雷達覆蓋範圍切分成不同探測距離範圍，並分別掃描不同探測距離範圍。

圖5繪示根據本揭示內容的某些實施例，雷達系統100在第一掃描模式下的掃描策略。在某些實施例中，第一掃描模式亦可稱為「掃描暨追蹤(track-while-scan)」模式。圖6繪示根據本揭示內容的某些實施例，用於在第一掃描模式下於一單輪掃描間隔中掃描物體的方法M1的步驟。在某些實施例中，在第一掃描模式下的單輪掃描間隔代表在第一掃描模式下，雷達系統100掃描完整雷達覆蓋範圍所需的時間。

如圖6所示，對於每一個單輪掃描間隔，方法M1還包括步驟S140至S160以利用對應的信號參數掃描不同的探測距離範圍DDR1、DDR2以及DDR3。在某些實施例中，可利用第一子陣列110與第二子陣列120作為收發器並利用第三子陣列130作為接收器來執行方法M1。

在步驟S140，雷達系統100可利用對應於多個方位角EA1至EA_Q的多個第一RF波束BA_1至BA_Q來掃描第一探測距離範圍DDR1內的物體，如圖5所示，其中Q是大於1的整數。在步驟S150，雷達系統100可利用對應於方位角EA_1至EA_Q的多個第二RF波束BB_1至BB_Q來掃描第二探測距離範圍DDR2內的物體，且在步驟S160，雷達系統100可利用對應於方位角EA1至EA_Q的多個第三RF波束BC_1至BC_Q來掃描第三探測距離範圍DDR3內的物體。

此外，如圖5所示，從雷達系統100到第一探測距離範圍DDR1內每一可探測位置可測得的最大距離DMAX_1小於或等於從雷達系統100到第二探測距離範圍DDR2內每一可探測位置可測得的最小距離DMIN_2。相似地，從雷達系統100到第二探測距離範圍DDR2內每一可探測位置可測得的最大距離DMAX_2小於或等於從雷達系統100到第三探測距離範圍DDR3內每一可探測位置可測得的最小距離DMIN_3。

在某些實施例中，Q可以是17。然而，本揭示內容不限於此。此外，在某些實施例中，雷達系統100可偵測更多或更少的探測距離範圍。此外，雷達系統100可以用任何預設的順序來掃描探測距離範圍。舉例來說，雷達系統100可在掃描第一探測距離範圍DDR1前先掃描第二探測距離範圍DDR2。

此外，在某些實施例中，雷達系統100可進一步包括一使用者介面140 (如，一圖形使用者介面(graphic user interface，GUI))，用以接收來自使用者的指令，以定義探測距離範圍。舉例來說，使用者介面140可允許使用者選擇探測距離範圍數目。

在一些實施例中，由於雷達系統100的位置和設置方位是固定的，且在掃描過程中沒有機械運動，因此可以用視場(field of view，FoV)來表示雷達系統100的雷達覆蓋範圍，即，視場的最小可掃描範圍(例如，因存在盲區，為100公尺)、最大可掃描範圍(例如，5000公尺)、方位角覆蓋範圍(例如，從-60度到60度)以及仰角覆蓋範圍(例如，從-60度到60度)。在一些實施例中，可以用具有最小可接受功率值的RF波束的覆蓋範圍來決定方位角覆蓋範圍和仰角覆蓋範圍。另外，依據在雷達系統100開始傳輸RF輸出訊號的時點和雷達系統100開始接收RF輸入訊號的時點之間的持續時間內，光所行進的距離來即可判斷盲區的範圍。

在某些實施例中，使用者介面140可進一步允許使用者定義雷達系統100的雷達覆蓋範圍內的掃描區域。舉例來說，使用者可選擇方位角覆蓋範圍為-45度到45度。在此種情形中，便可縮短用以掃描使用者定義的掃描區域之單輪掃描間隔，使其短於用以掃描雷達系統100的完整雷達覆蓋範圍的單輪掃描間隔。

此外，在某些實施例中，使用者介面140可允許使用者定義屏蔽扇區。圖7繪示根據本揭示內容的某些實施例，雷達系統100在第一掃描模式下具有屏蔽扇區SH1的掃描策略。如圖7所示，雷達系統100覆蓋的掃描區域包括可發送和/或接收RF信號的電信塔TT1。在此種情形中，為了減少干擾，會盡量避免向電信塔TT1發射RF波束並避免從電信塔TT1所在的方向接收RF信號。因此，使用者可定義包括電信塔TT1的屏蔽扇區SH1，進而指示雷達系統100避免掃描此區域。

在某些實施例中，為了確保雷達系統100可在SNR符合相同可接受標準的情形下掃描探測距離範圍DDR1、DDR2以及DDR3，雷達系統100可根據不同信號參數來掃描不同探測距離範圍DDR1、DDR2以及DDR3。舉例來說，用以掃描第一探測距離範圍DDR1的脈衝持續時間長度可和用以掃描第二探測距離範圍DDR2的脈衝持續時間長度不同，且用以掃描第一探測距離範圍DDR1的掃描振幅持續時間長度可和用以掃描第二探測距離範圍DDR2的掃描振幅持續時間長度不同。因此，在某些實施例中，在雷達系統100進行步驟S140至S160以掃描探測距離範圍DDR1、DDR2以及DDR3之前，雷達系統100可能需要事先推導出用於掃描探測距離範圍DDR1、DDR2以及DDR3的相應信號參數。

圖8繪示根據本揭示內容的某些實施例，雷達系統100在掃描一個探測距離範圍內的一個方位角時，由發送器TX所傳輸的RF信號和由接收器RX接收的RF訊號的時序圖。在圖8中，快時序軸(橫軸)示出了脈衝重複間隔(pulse repetition interval，PRI)，其指的是雷達系統100發送兩個連續RF訊號所需的時間間隔，而慢時序軸(縱軸)示出了相干脈衝間隔(coherent pulse interval，CPI)，由多個PRI組成。

如圖8所示，PRI包括脈衝持續時間及在脈衝持續時間後的掃描振幅持續時間。脈衝持續時間供發送器TX朝向一相應方位角來傳輸RF波束，且掃描振幅持續時間供接收器RX接收物體反射的RF信號。在某些實施例中，雷達系統100可能需要一點時間來將第一子陣列110與第二子陣列120從傳輸狀態(即發送狀態)切換至接收狀態以及從接收狀態切換至傳輸狀態。因此，在圖8中，在脈衝持續時間與掃描振幅持續時間間需要一個暫態間隔，以供雷達系統100從傳輸狀態切換到接收狀態，且在掃描振幅持續時間與下一個脈衝持續時間(圖中未繪示)間需要一個暫態間隔，以供雷達系統100從接收狀態切換到傳輸狀態。在此種情形中，PRI可包括脈衝持續時間、掃描振幅持續時間、暫態間隔以及暫態間隔。

此外，在某些實施例中，雷達系統100可在一個CPI期間向同一方位角發射相干RF波束並多次接收相應的反射RF信號。可將分多次接收到的相干反射RF信號可以用於相干積分(coherent integration)，進而提高物體偵測的準確性。此外，由於環境中的雜訊通常是隨機的且平均值接近零，因此可以對在連續PRI中接收到的反射RF信號進行分組和平均，以便將物體反射的RF輸入信號與雜訊區分開來。也就是說，在饋送RF輸入信號用於相干積分前，可以執行平均處理，以對在一些連續的PRI中接收的RF輸入信號進行平均。在某些實施例中，被分在同一組用於對所接收的RF信號進行平均的PRI可結合並稱為脈衝平均間隔(pulse averaging interval，PAI）。在這種情形中，如圖7所示，每個CPI可包括用於相干積分的多個PAIs，並且每個PAI可以包括用於平均處理的多個PRIs。

在某些實施例中，對於第d個探測距離範圍，雷達系統100可能需要決定的信號參數包括：每個脈衝持續時間的樣本數、每個掃描振幅持續時間的樣本數、每個PRI的樣本數、每個PAI的PRI數、每個CPI的PAI數、該第d個探測距離範圍的最小可探測範圍以及該第d個探測距離範圍的最大可探測範圍，其中d是正整數。舉例來說，在圖5所示的實施例中，d可以是1、2或3。

在某些實施例中，由於類比前端電路116、126、136中的類比數位轉換器的取樣間隔相同且為已知因素，因此透過確定信號參數以及，即可得到對應於第d個探測距離範圍的脈衝持續時間的時間長度、掃描振幅持續時間的時間長度PRI的時間長度PAI的時間長度以及CPI的時間長度。舉例來說，如果取樣間隔表示為，則脈衝持續時間的時間長度會等於、掃描振幅持續時間的時間長度會等於、PRI的時間長度會等於PAI的時間長度會等於以及CPI的時間長度會等於。

在某些實施例中，雷達系統100可包括資源調度器150，用以推導出第d個探測距離範圍的信號參數以及。在某些實施例中，資源調度器150可透過最佳化單輪掃描間隔且同時滿足與信號參數相關的約束條件來推導出信號參數。具體來說，若將雷達覆蓋範圍區分成個探測距離範圍，且對於每一個探測距離範圍，雷達系統100必須向個方位角發射RF波束，則單輪掃描間隔會等於，其中與是正整數。舉例來說，在圖5所示的實施例中，等於3且等於Q (即，17)。在某些實施例中，資源調度器150的目標是在滿足下文所述約束條件(1)到(9)的條件下最小化單輪掃描間隔。

(1)單輪掃描間隔應小於所需的更新時間。在某些實施例中，可由使用者決定所需更新時間，且使用者可通過使用者介面140將其輸入至雷達系統100。在某些實施例中，所需更新時間應進一步包括硬體暫態時間(如，及)、使用者指令延遲及運算延遲等。

(2)第d個探測距離範圍的最小可探測距離應等於光在脈衝持續時間和暫態持續時間的總和中所走的距離的一半。亦即，最小可探測距離應等於c()/2，其中c為光的速度。

(3)第d個探測距離範圍的最大可探測距離應等於光在PRI減去暫態持續時間與脈衝持續時間中所走的距離的一半。亦即，最大可探測距離應等於c( )/2。

(4)第一探測距離範圍的最小可探測距離和最後一個探測距離範圍的最大可探測距離間的範圍應包含FoV定義的可掃描範圍覆蓋範圍。

(5)對於每一個探測距離範圍，第一子陣列110與第二子陣列120配置的接收器的最小可實現SNR以及第三子陣列配置的接收器的最小可實現SNR皆應大於最小SNR要求，例如，但不限於，13dB。

在某些實施例中，可將所接收的目標水平信號功率除以第一子陣列110與第二子陣列120中每一接收器接收的雜訊總和，以計算出第一子陣列110與第二子陣列120針對第d個探測距離範圍配置的接收器的最小可實現SNR。舉例來說，最小可實現SNR可由式(F1)表示。(F1)

在式(F1)，代表在對第d個探測距離範圍進行水平線性處理後所接收的目標信號功率，代表水平接收器數目(即，第一子陣列110中天線112_1至112_M的數目和第二子陣列120中天線122_1至122_N的數目的總和，亦即M+N)，且代表每一接收器的理論熱雜訊功率。在某些實施例中，，其中k是波茲曼常數(Boltzmann constant)、T是標準溫度加上當前電路溫度、F是雜訊係數且B是以Hertz為單位的接收頻寬。此外，代表雷達系統100的輻射功率且可表示為，其中是每個發送器的峰值功率、是發送器數目(即，第一子陣列110中天線112_1至112_M的數目和第二子陣列120中天線122_1至122_N的數目的總和，亦即M+N)且及是第i個發送器的天線增益。此外，是第d個探測距離範圍的最小可支持雷達截面(radar cross section，RCS)，單位為平方公尺，且是第d個探測距離範圍的最大可探測距離，單位為公尺。再者，是第j個水平接收器的天線增益，是整體水平處理增益，且是水平方向的整體系統損耗，其中涉及直和損耗、跨距損耗、不同方向角造成的波束模式損耗以及任何不完美響應。在某些實施例中，整體水平處理增益可如式(F2)所示。，                     (F2)

在某些實施例中，可將所接收的目標垂直信號功率除以第三子陣列130中每一接收器接收的雜訊總和，以計算出第三子陣列130針對第d個探測距離範圍配置的接收器的最小可實現SNR。舉例來說，最小可實現SNR可由式(F3)表示。(F3)

在式(F3)，代表在進行垂直線性處理後所接收的目標信號功率，代表垂直接收器數目(即，第三子陣列130中的天線數目，也就是O)，且代表每一接收器的理論熱雜訊功率。此外，代表雷達系統100的輻射功率，是第d個探測距離範圍的最小可支持雷達截面(RCS)，單位為平方公尺，且是第d個探測距離範圍的最大可探測距離，單位為公尺。再者，是第j個垂直接收器的天線增益，是第d個探測距離範圍的整體垂直處理增益，且是垂直方向的整體系統損耗。在某些實施例中，整體垂直處理增益。

在某些實施例中，對於每一探測距離範圍，資源調度器可相應地決定信號參數以及，而使得式(F1)與(F3)所得出的SNR可符合最低需求。

(6)每個探測距離範圍的最大可支持都卜勒頻移應小於0.5/，以實現明確的都卜勒覆蓋。

(7)第d個探測距離範圍的最大範圍遷移寬度應小於距離解析度間距。即，應滿足式(F4)所示的條件。(F4)

在式(F4)中，是下採樣係數，其大於或等於1。

(8)都卜勒頻譜上的主瓣寬度應受到控制。舉例來說，都卜勒頻譜上的主瓣寬度應小於最大可允許主瓣寬度。在某些實施例中，較短的可得到較寬的主瓣寬度2/，且因此，應滿足式(F5)所示的條件。(F5)

(9)對於每一個探測距離範圍，掃描振幅持續時間大於脈衝持續時間但小於或等於PRI減去脈衝持續時間、暫態持續時間以及暫態持續時間(即，)。

在某些實施例中，可透過加入更多約束條件，以進一步確保雷達系統的效能。此外，在某些實施例中，雷達系統100可進一步包括凸(函數)優化求解器160，其可與資源調度器150相關聯，以輔助資源調度器150找到最優信號參數。在某些實施例中，可以在雷達系統100中公式化和建構最佳化問題，而凸優化求解器160可以是一個硬體加速器，其能夠加速公式化的凸優化運算。

此外，在第一掃描模式中，當成功偵測到出現的目標時，可以啟動追蹤功能來追蹤所述目標的位置，並且還可以啟動預測功能來預測所述目標的下一個位置。在每一次單輪掃描間隔後，如果在滿足配對條件下再次偵測到目標，則可以更新追蹤結果，否則可以捨棄目前的追蹤記錄並建立新的追蹤記錄。在某些實施例中，雷達系統100還可以包括人工智慧(artificial intelligence，AI)電腦170。由於雷達系統100可以持續接收大量資料，因此AI電腦170可以幫助識別目標物體的特徵、雜波特徵和干擾機的行為，以便對環境進行建模並調整DSDP 116、126和136所使用的參數，以提高雷達系統100的性能。

在某些實施例中，除了第一掃描模式(即，掃描暨追蹤模式)之外，雷達系統100還可支援第二掃描模式。圖9繪示根據本揭示內容的某些實施例，雷達系統100在第二掃描模式下的掃描策略。

在某些實施例中，第二模式亦可稱為「射擊(shooting)」模式，其目的在以較高的目標追蹤更新率以便對構成威脅的目標進行射擊。如圖9所示，第二模式可根據目標接近的方向來限縮掃描區域。舉例來說，第一子陣列110和第二子陣列120可以根據至少與目標物體OB1的測得位置或接近方向相關的信號參數，向不同的方位角傳輸多個RF波束BD_1至BD_X和BE_1至BE_X。在每一次發送了RF波束BD_1至BD_X中的一個RF波束之後，第一子陣列110、第二子陣列120以及第三子陣列130可進入監聽狀態，以接收傳入RF信號來偵測目標物體OB1。

在某些實施例中，X是大於1的整數且小於Q。舉例來說，Q可以是17且X可以是3。也就是說，雷達系統100可聚焦在靠近目標物體OB1之測得位置的掃描區域；因此，RF波束BD_1至BD_X所朝向的方位角數量少於RF波束BA_1至BA_Q所朝向的方位角數量。再者，在第二掃描模式中，由於目標物體OB1只有在接近時才會構成威脅，雷達系統100可以只掃描位在目標物體OB1的預測移動方向中的探測距離範圍DDR1與DDR2，且可略過位在目標物體OB1後的探測距離範圍DDR3。如此一來，第二掃描模式覆蓋的掃描區域會比第一掃描模式覆蓋的掃描區域來得小。此外，由於掃描區域較小，第二掃描模式的單輪掃描間隔會比第一掃描模式的單輪掃描間隔更短，因而使得第二掃描模式能夠提高較高的更新率。

在某些實施例中，雷達系統100更可支援與第二掃描模式類似的第三掃描模式。第三掃描模式亦可稱為「聚焦(spotlight)」模式。圖10繪示根據本揭示內容的某些實施例，雷達系統100在第三掃描模式下的掃描策略。

如圖10所示，雷達系統100可僅發射數個RF波束BF_1至BF_Y (如，Y等於3)來偵測選定的目標物體OB2。具體來說，雷達系統100可基於當前與先前的追蹤結果來預測下一個目標定位，且僅會掃描接近下一目標定位的區域。

在某些實施例中，雷達系統100可允許使用者從多個被探測物體選擇目標物體OB1及/或OB2，並可從第一掃描模式切換到第二掃描模式或第三掃描模式。此外，在某些實施例中，第二掃描模式及第三掃描模式亦可採用資源調度器150針對第一掃描模式所推導出的對應於探測距離範圍DDR1、DDR2及DDR3的信號參數。

簡言之，本揭示內容多個實施例提出的用以掃描物體的雷達系統及方法可以運用排列成T型的二維稀疏天線陣列，因此可減少所需的硬體組件。此外，由於可以根據相應的信號參數在多個探測距離範圍內進行掃描處理，可以擴大雷達覆蓋範圍並可保持準確度。

儘管已經詳細描述了本揭露及其優點，但是應當理解，在不脫離由所附請求項限定的本揭露的精神和範圍的情況下，可以在本文中進行各種改變、替換和修改。例如，可以用不同的方法來實現上文中討論的許多過程，並由其他過程或其組合代替。

此外，本揭露的範圍並不旨在限於說明書中描述的過程、機器、製造、物質的組成、手段、方法和步驟的特定實施例。正如本領域的一般技術人員從本揭露中容易理解的那樣，目前存在或以後將開發的過程、機器、製造、物質組成、手段、方法或步驟，根據本揭露，可以使用與本文所述的相應實施例執行基本相同的功能或實現基本相同的結果的實施例。因此，意圖是將這樣的過程、機器、製造、物質的組成、裝置、方法和步驟包括在所附請求項的範圍內。

100:雷達系統110、120、130:子陣列112、122、132:相位陣列天線112_1至112_M、122_1至122_N、132_1至132_O:天線114、124、134:數位信號與資料處理器114A、124A:數位發送器組件114B、124B、134B:數位接收器組件116、126、136:類比前端電路116A、126A:類比發送器組件116B、126B、136B:類比接收器組件118、128、138:RF前端電路118A、128A:RF發送器組件118B、128B、138B:RF接收器組件140:使用者介面150:資源調度器160:凸優化求解器170:AI電腦B_1、B_2:RF波束BA_1至BA_Q、BB_1至BB_Q、BC_1至BC_Q:RF波束BE_1至BE_X、BD_1至BD_X、BF_1至BF_Y:RF波束DDR1、DDR2、DDR3:探測距離範圍DMAX_1:第一探測距離範圍可測得的最大距離DMAX_2:第二探測距離範圍可測得的最大距離DMIN_2:第二探測距離範圍可測得的最小距離DMIN_3:第三探測距離範圍可測得的最小距離DV1、DV2、DH1、DH2、DH3:距離EA_1至EA_Q:方位角M1:方法MP1:中點OB1、OB2:目標物體RX:接收器S110至S160:步驟SH1:屏蔽扇區SIG_{AI1_1}至SIG_{AI1_M}:類比輸出信號SIG_{AI2_1}至SIG_{AI2_N}:類比輸出信號SIG_{AI3_1}至SIG_{AI3_O}:類比輸出信號SIG_{AO1_1}至SIG_{AO1_M}:類比輸出信號SIG_{AO2_1}至SIG_{AO2_N}:類比輸出信號SIG_{DI1_1}至SIG_{DI1_M}:數位輸入信號SIG_{DI2_1}至SIG_{DI2_N}:數位輸入信號SIG_{DI3_1}至SIG_{DI3_O}:數位輸出信號SIG_{DO1_1}至SIG_{DO1_M}:數位輸出信號SIG_{DO2_1}至SIG_{DO2_N}:數位輸出信號SIG_{RFI1_1}至SIG_{RFI1_M}:RF輸入信號SIG_{RFI2_1}至SIG_{RFI2_N}:RF輸入信號SIG_{RFI3_1}至SIG_{RFI3_O}:RF輸入信號SIG_{RFO1_1}至SIG_{RFO1_M}:RF輸出信號SIG_{RFO2_1}至SIG_{RFO2_N}:RF輸出信號T_CPI:相干脈衝間隔T_P:脈衝持續時間T_PAI:脈衝平均間隔T_SW:的掃描振幅持續時間TT1:電信塔T_TPRI:脈衝重複間隔TX:發送器、:暫態間隔φ1、φ2:方位角

透過參照實施例與申請專利範圍並配合圖式，能夠對本揭示內容有更全面的理解，其中相似的元件符號可用以指稱各圖式中相似的元件。

圖1繪示根據本揭示內容的某些實施例的雷達系統。

圖2繪示根據本揭示內容的某些實施例，利用圖1所示雷達系統來掃描物體的方法。

圖3繪示根據本揭示內容的某些實施例，圖1所示雷達系統來掃描物體的方法的功能區塊圖。

圖4繪示根據本揭示內容的某些實施例，在不同時期RF波束轉向不同方向。

圖5繪示根據本揭示內容的某些實施例，圖1所示雷達系統在一第一掃描模式下的掃描策略。

圖6繪示根據本揭示內容的某些實施例，在第一掃描模式下用於在一單輪掃描間隔中掃描物體的方法步驟。

圖7繪示根據本揭示內容的某些實施例，具有屏蔽扇區的圖1所示雷達系統在第一掃描模式下的掃描策略。

圖8繪示根據本揭示內容的某些實施例，當在一個探測距離範圍內掃描一個方位角時，圖1所示雷達系統的發送器TX發送的RF信號和接收器RX接收的RF訊號的時序圖。

圖9繪示根據本揭示內容的某些實施例，圖1所示雷達系統在第二掃描模式下的掃描策略。

圖10繪示根據本揭示內容的某些實施例，圖1所示雷達系統在第三掃描模式下的掃描策略。

100:雷達系統

110、120、130:子陣列

112_1至112_M、122_1至122_N、132_1至132_O:天線

DV1、DV2、DH1、DH2、DH3:距離

MP1:中點

Claims (20)

1. 一種雷達系統，包含：一第一子陣列，包含沿著一第一軸線配置的多個第一天線；一第二子陣列，包含沿著該第一軸線配置的多個第二天線；以及一第三子陣列，包含沿著與該第一軸線正交的一第二軸線配置的多個第三天線；其中在用以掃描該雷達系統的一雷達覆蓋範圍的一第一掃描模式中，該雷達系統利用該第一子陣列與該第二子陣列作為射頻(radio frequency，RF)信號收發器，並利用該第三子陣列作為一RF信號接收器以：根據多個第一信號參數掃描一第一探測距離範圍；以及根據多個第二信號參數掃描一第二探測距離範圍；其中從該雷達系統到該第一探測距離範圍內的每一可探測位置所測得的最大距離小於或等於從該雷達系統到該第二探測距離範圍內的每一可探測位置所測得的最小距離。
2. 如請求項1所述之雷達系統，其中在該雷達系統掃描該第一探測距離範圍的一程序中：該第一子陣列與該第二子陣列用以在多個第一脈衝持續時間內分別朝向多個第一方位角傳輸多個第一RF波束；以及該第一子陣列、該第二子陣列及該第三子陣列用以在多個第一掃描振幅持續時間中接收多個第一傳入信號以偵測該第一探測距離範圍內的物體，其中該些第一掃描振幅持續時間中的每一個都位於該些第一脈衝持續時間中的一對應者之後；其中該些第一方位角定義在由該第一軸線和與該第一軸線及該第二軸線正交的一第三軸線形成的平面上。
3. 如請求項2所述之雷達系統，其中該些第一RF波束每個都呈扇形，且每一該些第一RF波束的一主平面的一法向量不具有沿著該第二軸線的向量分量。
4. 如請求項2所述之雷達系統，其中在該雷達系統掃描該第二探測距離範圍的一程序中：該第一子陣列與該第二子陣列用以在多個第二脈衝持續時間內分別朝向多個第二方位角傳輸多個第二RF波束；以及該第一子陣列、該第二子陣列以及該第三子陣列用以在多個第二掃描振幅持續時間中接收多個第二傳入信號，以偵測該第二探測距離範圍內的物體，其中該些第二掃描振幅持續時間中的每一個都位於該些第二脈衝持續時間中的一對應者之後。
5. 如請求項4所述之雷達系統，其中第一方位角的數目等於第二方位角的數目。
6. 如請求項4所述之雷達系統，其中在用以掃描該雷達系統的至少一部分的一第二掃描模式中：該第一子陣列與該第二子陣列用以根據在該第一掃描模式推導出的一目標物體的一位置資訊，朝向多個第三方位角傳輸多個第三RF波束；以及該第一子陣列、該第二子陣列以及該第三子陣列用以接收多個第三傳入信號以偵測該目標物體；其中該第二掃描模式的一單輪掃描間隔比該第一掃描模式的一單輪掃描間隔短。
7. 如請求項6所述之雷達系統，其中該目標物體的該位置資訊包括該目標物體的一測得位置以及該目標物體的一移動方向。
8. 如請求項6所述之雷達系統，其中該第三方位角的數目分別小於該第一方位角的數目與該第二方位角的數目。
9. 如請求項6所述之雷達系統，更包含一使用者介面，用以接收來自一使用者的指令，以從多個被探測物體中選擇該目標物體，並從該第一掃描模式切換至該第二掃描模式。
10. 如請求項1所述之雷達系統，其中該些第一信號參數包含以下至少一者：每個脈衝持續時間的樣本數、脈衝重複間隔(pulse repetition interval，PRI)中每個掃描振幅持續時間的樣本數、每個PRI的樣本數、每個脈衝平均間隔(pulse averaging interval，PAI)的PRI數、每個相參處理間隔(coherent processing interval，CPI)的PAI數、該第一探測距離範圍的一最小可探測範圍或該第一探測距離範圍的一最大可探測範圍。
11. 如請求項1所述之雷達系統，更包含一資源調度器，用以透過優化該第一掃描模式的一單輪掃描間隔使其最短且同時滿足和該些第一信號參數及該些第二信號參數相關的多個約束條件，以推導出該些第一信號參數及該些第二信號參數。
12. 如請求項1所述之雷達系統，更包含一人工智慧(artificial intelligence，AI)電腦，用以識別該第一探測距離範圍與該第二探測距離範圍內的一目標物體的特徵、雜波特徵以及一干擾機的行為。
13. 如請求項1所述之雷達系統，其中該些第一天線中每兩個相鄰第一天線間的一距離等於用於掃描的一RF信號的一半波長，且該些第一天線中一第一天線與該些第二天線中一第二天線間的一最小距離等於或大於該RF信號的該半波長。
14. 一種利用雷達系統掃描物體的方法，該雷達系統包含一第一子陣列、一第二子陣列以及一第三子陣列的，該方法包含：排置包含多個第一天線的該第一子陣列，以使該些第一天線沿著一第一軸線設置；排置包含多個第二天線的該第二子陣列，以使該些第二天線沿著該第一軸線設置；排置包含多個第三天線的該第三子陣列，以使該些第三天線沿著與該第一軸線正交的一第二軸線設置；在用以掃描該雷達系統的一雷達覆蓋範圍的一第一掃描模式中，利用該第一子陣列與該第二子陣列作為射頻(RF)信號收發器，且利用該第三子陣列作為一RF信號接收器，以：根據多個第一信號參數掃描一第一探測距離範圍；以及根據多個第二信號參數掃描一第二探測距離範圍；其中從該雷達系統到該第一探測距離範圍內每一可探測位置測得的一最大距離小於或等於從該雷達系統到該第二探測距離範圍內每一可探測位置測得的一最小距離。
15. 如請求項14所述之方法，其中根據該些第一信號參數掃描該第一探測距離範圍的步驟包含：排置該第一子陣列與該第二子陣列，以在多個第一脈衝持續時間內朝向多個第一方位角傳輸多個RF波束；以及排置該第一子陣列、該第二子陣列以及該第三子陣列，以在多個第一掃描振幅持續時間中接收多個第一傳入信號，以偵測該第一探測距離範圍內的物體，其中該些第一掃描振幅持續時間中的每一個都位於該些第一脈衝持續時間中的一對應者之後；其中該些第一方位角定義在由該第一軸線和與該第一軸線及該第二軸線正交的一第三軸線形成的平面上。
16. 如請求項15所述之方法，其中根據該些第二信號參數該掃描該第二探測距離範圍的步驟包含：排置該第一子陣列與該第二子陣列，以在多個第二脈衝持續時間內朝向多個第二方位角傳輸多個第二RF波束；以及排置該第一子陣列、該第二子陣列以及該第三子陣列，以在多個第二掃描振幅持續時間中接收多個第二傳入信號，以偵測該第二探測距離範圍內的物體，其中該些第二掃描振幅持續時間中的每一個都位於該些第二脈衝持續時間的一對應者之後。
17. 如請求項16所述之方法，更包含在用以掃描該雷達系統的該雷達覆蓋範圍的至少一部分的一第二掃描模式中：排置該第一子陣列與該第二子陣列，以根據在該第一掃描模式推導出的一目標物體的一位置資訊，朝向多個第三方位角傳輸多個第三RF波束；以及排置該第一子陣列、該第二子陣列以及該第三子陣列，以接收多個第三傳入信號以偵測該目標物體；其中該第二掃描模式的一單輪掃描間隔比該第一掃描模式的一單輪掃描間隔短。
18. 如請求項17所述之方法，更包含排置一使用者介面，以接收來自一使用者的指令，以從多個被探測物體中選擇該目標物體，並從該第一掃描模式切換至該第二掃描模式。
19. 如請求項14所述之方法，其中該些第一信號參數包含以下至少一者：每個脈衝持續時間的樣本數、脈衝重複間隔(pulse repetition interval，PRI)中每個掃描振幅持續時間的樣本數、每個PRI的樣本數、每個脈衝平均間隔(pulse averaging interval，PAI)的PRI數、每個相參處理間隔(coherent processing interval，CPI)的PAI數、該第一探測距離範圍的一最小可探測範圍或該第一探測距離範圍的一最大可探測範圍。
20. 如請求項14所述之方法，更包含排置一資源調度器以透過優化該第一掃描模式的一單輪掃描間隔使其最短且同時滿足和該些第一信號參數及該些第二信號參數相關的多個約束條件，以推導出該些第一信號參數及該些第二信號參數。