管理波束成形信號以優化傳感器陣列的傳輸速率的製作方法

2023-07-06 14:45:21

本發明的實施例一般涉及波束成形領域，並且涉及用於管理波束成形信號的方法。
背景技術：
：現代大型無線電望遠鏡陣列使用包括多個天線的天線站，其被緊密地放置以用於對天空進行成像。由天線站處的天線接收到的信號通常通過波束成形進行合併，以減少在後續階段中要處理的數據量。然後對從站發出的信號進行相關以獲得可視性，其對應於天空圖像的傅立葉變換的採樣。繼而，目標是從可視性測量重建天空圖像。目前，在天線站處的波束成形典型地通過在所有天線站處朝向視場的中心進行共軛匹配波束成形來完成。因為在各個站產生的波束形狀是基本相同的，並且任何差異只是由於各個站相對於彼此的轉動，因為所有的站都均等地縮放從特定方向而來的信號，所以由天線站接收的信息只在信號的相位中被編碼。技術實現要素：根據本發明的一個方面，存在用於管理波束成形信號的方法，該方法執行以下操作(不一定按以下順序)：(i)從接收元件的一個或多個陣列中接收波束成形信號，接收元件的一個或多個陣列以給定的傳輸速率發送波束成形信號；(ii)從所接收的波束成形信號中恢復信息；(iii)使用估計的恢復的信息和參考信息之間的距離的度量，來測量恢復的信息的質量；以及(iv)基於所測量的質量，指示接收元件的一個或多個陣列改變它們發送波束成形信號的傳輸速率。根據本發明的另一個方面，一種用於管理波束成形信號的系統，包括：(i)恢復單元，適於從以給定的傳輸速率接收自接收元件的一個或多個陣列中的波束成形信號中恢復信息；以及(ii)處理單元，其適於：(a)使用估計的恢復的信息和參考信息之間的距離的度量，來測量恢復的信息的質量，以及(b)基於由所述處理單元測量的恢復的信息的質量，指示所述接收元件的一個或多個陣列改變它們發送波束成形信號的傳輸速率。根據本發明的另一個方面，一種用於管理波束成形信號的電腦程式產品包括：具有與其一起實現的程序指令的計算機可讀存儲介質，所述程序指令可由計算機系統執行以使：(i)系統的恢復單元從以給定的傳輸速率接收自接收元件的一個或多個陣列中的波束成形信號恢復信息；以及(ii)處理單元：(a)使用估計的恢復的信息和參考信息之間的距離的度量，來測量恢復的信息的質量，以及(b)基於由所述處理單元測量的恢復的信息的質量，指示所述接收元件的一個或多個陣列改變它們發送波束成形信號的傳輸速率。附圖說明圖1示出了用於管理從多個接收陣列接收的波束成形信號的設備實施例；圖2示出與如圖1中由用於管理波束成形信號的設備所管理的信號對應的天空圖像的示例；圖3是示出使用不同方法的重建信號的信號強度的圖；圖4示出了在實施例中涉及的用於通過多個接收陣列接收信號的方法步驟的可能序列；圖5表示根據實施例的用於管理從多個接收陣列接收的信號的方法步驟的序列；圖6示出了根據實施例適於執行如圖5中的方法的系統實施例的示意框圖；圖7示出了根據實施例的用於管理從多個接收陣列接收的信號的方法步驟的詳細序列；圖8示出了在實施例中可以被用作接收機的射頻線圈的橫檔(rung)的絕緣線的剖面圖；以及圖9A-圖9D示出通過無線電幹涉系統的模擬所獲得的結果。如果沒有另外指出，則在圖中類似的或功能相似的元件已被分配相同的附圖標記。具體實施方式本公開的一些實施例認識到：較大規模無線電望遠鏡陣列具有的一個問題是從由天線收集的信號中提取相關的信息，其通常包括具有突發性幹擾和校準數據散布的相關天空信息。根據本公開的一些實施例，可以改進從損傷(impairment)過高而難以提供有用信息的信號中分離含有相關天空信息的信號的過程，以減少對相應數據存檔設備的存儲容量的要求。本公開的一些實施例認識到：類似的問題可能會出現在需要管理波束成形信號的其它
技術領域：
中。根據本公開的實施例，提供了一種用於管理波束成形信號的方法包括以下操作(不一定按以下順序)：從接收元件中的一個或多個陣列中接收波束成形信號，接收元件的一個或多個陣列以給定的傳輸速率發送波束成形信號；從所接收的波束成形信號中恢復信息；使用估計已恢復信息和參考信息之間的距離的度量，來測量已恢復信息的質量；以及基於所測量的質量，指示接收元件的一個或多個陣列改變它們發送波束成形信號的傳輸速率。根據本公開的實施例，提供了一種用於管理波束成形信號的系統，包括：(i)恢復單元，適於從以給定的傳輸速率接收自接收元件的一個或多個陣列中的波束成形信號中恢復信息；和(ii)處理單元，其適於：(a)使用估計已恢復信息和參考信息之間的距離的度量，來測量已恢復信息的質量，以及(b)基於由所述處理單元測量的已恢復信息的質量，指示所述接收元件的一個或多個陣列改變它們發送波束成形信號的傳輸速率。根據本公開的實施例，提供了一種用於管理波束成形信號的電腦程式產品包括：具有與其一起實現的程序指令的計算機可讀存儲介質，所述程序指令可由計算機系統執行。所述程序指令可執行以使：(i)系統的恢復單元從以給定的傳輸速率接收自接收元件的一個或多個陣列中的波束成形信號恢復信息；和(ii)處理單元：(a)使用估計已恢復信息和參考信息之間的距離的度量，來測量已恢復信息的質量，以及(b)基於由所述處理單元測量的已恢復信息的質量，指示所述接收元件的一個或多個陣列改變它們發送波束成形信號的傳輸速率。現在將通過非限制性示例的方式並且參考附圖來描述實施本發明的系統、產品和方法。本發明的一些實施例認識到，如果數據可靠性的估計(其提供數據質量測量)在數據管理方法的早期階段發生，則可以避免不相關數據的進一步的數據處理，或者數據處理量可以被量身定製以用最小的成就提取可用信息，從而顯著減少設備的計算量。建立在這種想法上，參考圖1和圖7，首先描述本發明的總體方面，其涉及一種用於管理波束成形信號的方法。該方法開始於在步驟S702和S704從接收元件1的一個或多個陣列10(在步驟S706處)接收波束成形信號的步驟。接收元件1的這些陣列通過輸出單元30和相關單元40以給定的傳輸速率發送波束成形信號。這些傳輸速率通常在這一點將是非最佳的。在無線電幹涉應用中，接收元件的(一個或多個)陣列例如可以對應於天線站。在磁共振成像應用的情況下，它也可以是一組傳感器，例如，射頻線圈。然後，該方法繼續以從接收到的波束成形信號中恢復(在步驟S708處並使用恢復單元50)信息。已恢復的信息通常是圖像(例如，對於無線電幹涉或磁共振成像應用)，但它也可以是文字，或任何類型的數據(可認知的、可解釋的數據等)。可以設想各種恢復方法，包括從現有技術已知的方法。儘管如此，一個特別有利的方法將在後面描述。接著，使用估計已恢復信息和參考信息(參見圖1在W1，W2和W3處)之間的距離的度量，測量已恢復信息的質量(在步驟S710和步驟S712處)。在步驟S714，S716，S717，S718，S720，S722和S724處，基於所測量的質量，接收元件的一個或多個陣列適當地被指示，通過處理單元60以及通過波束成形矩陣生成器20，以改變它們發送波束成形信號的傳輸速率。上面的方法優化了由陣列使用的傳輸速率，並因此選擇性地減少了被發送的數據量，並相應地減少了所需的數據存儲和所需的處理資源。本方法(和對應的系統或程序產品)可以被使用在波束成形信號需要被管理的任何應用中，尤其是用於發送波束成形信號的傳輸速率會從優化中獲益。在無線電幹涉應用中，如在圖1中所描繪的那樣，接收元件1通常是天線。在這種情況下，接收元件的一個或多個陣列10對應於一個或多個天線站，並且已恢復的信息典型地是通過無線電幹涉獲得的天空圖像。其它的應用也是可能的。例如，接收元件可以是磁共振成像硬體的射頻線圈82，84，88(如在圖8中示意性示出的)。從而接收元件的陣列可以對應於一組或多組射頻線圈。在這種情況下，已恢復的信息是磁共振圖像(MRI)。其它實施例可以使用由核磁共振成像(NMRI)或磁共振斷層攝影(MRT)產生的輸入數據。注意，射頻線圈82，84，88在這裡被認為是接收機，即使這樣，有時相同的線圈也可以用來作為MRI系統中的RF信號的發射機。更詳細地，MRI是一種醫學成像技術，它允許產生人體的內部的照片。MRI依賴於產生一個強有力的均勻靜磁場。MRI系統還包括：產生振幅較小、空間變化的磁場的梯度線圈；和在氫原子核的共振頻率處或附近產生射頻能量的脈衝的RF線圈。圖8示出一個本身已知的典型RF線圈的橫檔的絕緣線的剖面圖。絕緣線88通常由包括高導電性材料(例如，銅或銀)的線84製成，並且其分別與絕緣材料82絕緣。回到本信號管理方法，可以設想兩類實施例。在第一種情況中，已知的參考信息可用於比較(例如，已知的強度源可用於幹涉測量應用)。在這種情況中，上述方法通過比較已恢復信息與已知參考信息來進行。本公開的一些實施例甚至可以在沒有已知參考信息可用於比較(例如，沒有已知強度源是可用的)時來應用。在這樣的情況下，可以從接收機的不同群組中恢復信息，以導出不同的信息塊，然後繼續比較。即，人們可以識別接收元件的兩個或更多陣列，並且區分從接收元件的兩個或更多陣列中接收S706的波束成形信號。然後，信息恢復包括：(i)從接收元件的陣列的第一組中接收到的所述波束成形信號中恢復第一信息(正如上面解釋的，S708)，和(ii)從接收元件的兩個或更多陣列的第二組中接收到的波束成形信號中恢復S708-S710第二信息，其中，例如，第一信息可作為參考信息(即，恢復的第二信息作為「已恢復信息」)。「第一」信息可以相應地作為用於測量已恢復(「第二」)信息的質量的參考(以及反過來)。先驗的，先測量哪個信息塊(第一或第二)並不重要——除非可以促使選擇第一或第二信息作為參考信息的進一步信息可用。請注意，「群組」可以包括一個或多個陣列。例如一個群組可以只包含一個集合，或者相反，如果必要的話可以包含所有陣列。此外，兩個群組需要是不同的，即使陣列的部分重疊是可能的。本方法的一個重要方面是，它們允許優化傳輸速率。在這方面，接收、恢復、測量和指示來改變傳輸速率的步驟可以在實施例中被執行，以便確定(參見圖7的步驟S716到步驟S722)所測量的質量具有所期望的質量時的傳輸速率。然後將相應地指示(在步驟S716處)接收元件1的一個或多個陣列10將它們發送波束成形信號的傳輸速率改變為所確定的傳輸速率，即，所測量的質量具有所期望的質量時的傳輸速率。通常重複該步驟直到獲得滿意的質量。為了改變傳輸速率，可以簡單地改變(在圖7的S718到S722處)基礎的波束成形矩陣的維度，即，對應於接收到的波束成形信號的矩陣(此矩陣本身是已知的)。在這樣的情況中，可用傳輸速率的集合——通過構造——由波束成形矩陣的維度來確定。特別來說，可以改變(在圖7的步驟S718到步驟S722處)波束成形矩陣的維度，以便獲得被測量的質量仍然具有所期望的質量時的最小傳輸速率。同樣，通常重複這些步驟直到速率被最小化同時保證令人滿意的質量。改變(在步驟S718到步驟S722處)波束成形矩陣的維度可以包括將波束成形矩陣的維度最小化。波束成形矩陣的維度確定發送至處理單元的數據量。每個接收元件至少生成採樣序列，也就是說，在給定的速率處(典型地在對於幹涉應用的兆比特/秒的數量級處的預定速率)的數量。例如，假定十個接收元件每一個以1千採樣/秒生成採樣序列。這將導致1萬採樣/秒的傳輸速率(從每個陣列到中央處理器)，對於1秒的觀察間隔而言對應於10×1000的矩陣大小。現在，由于波束成形，這可以大大減小，例如對於1秒的觀察間隔而言從10×1000減小至2×1000。在波束成形矩陣與採樣矩陣相乘之後，見下文，我們得到一個新的矩陣，並且取決於W(i)H的維度，傳輸速率可以降低。兆比特/秒的總傳輸速率通過千採樣/秒的速率乘以形成一個採樣的比特數(並且結果除以1000)獲得。優選地，相同數目的接收元件和相同維度的波束成形矩陣以及因此相同的傳輸速率被所有陣列使用。然而，在變體中，陣列也可以使用不同的傳輸速率。在後一種情況下，例如可以使用確定性的或隨機的方式來執行優化。例如，可以使用確定性的輪詢的方式來選擇陣列用於優化，即，其中波束成形矩陣的維度在每個陣列處減小，以預確定順序一次一個——只要作為所測量的質量具有——即等於或超過——所期望的質量。可替換地，在陣列處的波束成形矩陣可以隨機地選擇，一次一個，而不選擇同一個陣列兩次直到所有陣列都已被選擇至少一次，並且所選擇的波束成形矩陣的維度減小——只要所測量的質量等於或超過所期望的質量。通常情況下，增加或減小的矩陣的維度對應於矩陣的列數。在簡單的優化過程中，傳輸速率可以提高(通過相應的矩陣維度增一)，並且只要沒有達到所期望的質量就可以這樣。在這樣的情況中，對波束成形矩陣進行初始設置，使得實現最低傳輸速率，從而一個滿意的被測量質量將被轉化成波束成形矩陣的當前設置的滿意度。圖7使用一個稍微複雜的優化過程，其中只要沒有達到所期望的質量，傳輸速率提高(但出於性能原因，不一定是增一)。一旦達到所期望的質量(S714，「是」)，則當前設置被存儲(在步驟S716處)，並且傳輸速率減小S717(在這裡通常減一)。在接下來的傳送中，如果質量仍然是令人滿意的，則可以再次減小傳輸速率。如果不是(S714中，「否」)，可以做出指示S722以使用最後一個令人滿意的已存儲設置(S720，「是」)，從而陣列使用(在步驟S714處)相應的傳輸速率。在圖7中，如果這樣的測試為負，傳輸速率提高(在步驟S718處)受到雙重測試(見步驟S714和步驟S720)。因此，取決於所選擇的優化算法，可能需要進行指示(在步驟S722處)，以減小陣列發送波束成形信號的傳輸速率(通過相應地減小(在步驟S718處)波束成形矩陣的尺寸)。可以設想許多其它的優化算法。例如，可以使用非恆定步階(例如，首先增加四，然後增加二，然後增加一)來增加(或減少)波束成形矩陣。增加或減少矩陣的步階可以取決於所測量的質量(在步驟S712處)。即，離預期質量越遠，步階越大。更詳細地，受到Frobenius範數上的約束(接收到的波束成形信號的相關矩陣和假設的相關矩陣之間的差異的範數)，從接收到的波束成形信號中恢復信息的步驟(在步驟S708處)可以依賴於將表示信息(例如，圖像)的矢量的範數最小化。假設的相關矩陣例如可以從所述一個或多個波束成形矩陣、一組或多組接收元件導引矩陣中導出，其中，導引矩陣(steeringmatrix)取決於被成像的感興趣區域以及在接收元件(例如，站)的陣列處所使用的矢量。在步驟S712處使用的度量例如可以是已恢復信息和參考信息之間的誤差的平方範數，如稍後參考圖9A至圖9D所討論的。現在將參考圖4討論用於生成波束成形信號的方法。這樣的方法可以依賴於對波束成形矩陣進行隨機化。即，並且在接收波束成形信號之前，可以通過對波束成形矩陣進行隨機化(在步驟S401處)來生成波束成形信號(可以針對每個接收陣列生成隨機化矩陣)。然後，能夠從隨機波束成形矩陣中獲得波束成形信號(在步驟S402至S403處)。在實施例中，波束成形矩陣的隨機化S401可以被執行如下。對於接收元件的多個L個陣列，接收元件的L個陣列的每一個包括相應數量為L1，L2，...，LL的接收元件1，並且適於基於接收信號來生成時間序列輸出數據信號，對於(多個L個陣列的)每個陣列，一個生成(在步驟S401處)隨機化矩陣W1，W2，...，WL。每個隨機化矩陣W1，W2，...，WL將具有相應的維數M1，M2，...，ML，其中，M1<L1，M2<L2，...，ML<LL。然後，(在步驟S402處)將所生成的每個隨機化矩陣W1，W2，...，WL應用到(多個L個陣列的)相應陣列以通過每個陣列執行波束成形。最後，波束成形信號從隨機化波束成形矩陣通過從每一個陣列輸出(在步驟S403處)波束成形的時間序列輸出數據信號中獲得。接著，根據另一個方面，本發明可以被體現為用於管理波束成形信號的系統100(圖1)。與本發明的方法相一致，這樣的系統包括：恢復單元50，其適於從(以給定的傳輸速率)接收自接收元件的陣列中的波束成形信號中恢復信息；和處理單元60。後者尤其適於(使用估計已恢復信息和參考信息之間的距離的度量)測量已恢復信息的質量。處理單元60還被配置為基於所測量的已恢復信息的質量，指示所述接收陣列改變它們發送波束成形信號的傳輸速率。當然，處理單元60可以分解成多個子單元。如早先，在無線電幹涉應用中，接收元件的陣列例如可以對應於站。在MRI相關的應用的情況中，包括射頻線圈的傳感器另外可以被使用。這樣的系統允許優化接收陣列所使用的傳輸速率，並且因此優化發送的信息量以及相應地優化所需的信息存儲和處理。在實施例中，恢復單元50可以進一步適於(從接收自第一組陣列中的波束成形信號中)恢復第一信息和(從接收自第二組陣列中的信號中)恢復第二信息(出於在前面參考圖7所解釋的原因，第二組陣列與第一組陣列不同)。在這種情況下，處理單元60可以適於使用第一信息和第二信息分別作為參考信息和已恢復信息，用於測量已恢復信息的質量。在實施例中，並且與前面討論的本發明的方法方面相一致，所述處理單元可以進一步被配置為執行下列操作中的一個或多個：(i)確定由處理單元(有時在此也稱為測量單元)60測量的質量具有所期望的質量時的傳輸速率；(ii)指示接收陣列相應地改變傳輸速率；(iii)改變對應於接收的波束成形信號的一個或多個波束成形矩陣的維度，以便改變該一個或多個接收陣列發送波束成形信號的傳輸速率；和(iv)在由相應波束成形矩陣的維度所確定的可用傳輸速率中確定被測量的質量具有所期望的質量時的最小傳輸速率。如上所討論的概念可以以不同的方式進行組合。例如，圖1示出了用於由多個接收陣列10接收信號的設備100。接收陣列10包括相應數量為L1，L2，L3的接收元件1。接收陣列10適於基於接收信號來生成時間序列輸出數據信號2。接收信號可以是作為視頻和/或音頻信號被接收陣列10捕獲的信號並且可以包括圖形圖像、音頻內容等。該設備100包括隨機化單元20，其適於針對每一個接收陣列10生成隨機化矩陣W1，W2，W3。隨機化矩陣W1，W2，W3具有相應維數M1，M2，M3，其中，M1<L1，M2<L2，M3<L3。隨機化單元20可以周期性地生成新的隨機化矩陣W1，W2，W3。隨機化矩陣W1，W2，W3彼此不同以使得不同的隨機化矩陣W1，W2，W3被應用到接收陣列10的每一個。所生成的隨機化矩陣W1，W2，W3被應用到相應的接收陣列10以在接收陣列10的每一個上執行波束成形。因此，具有維數L1的每個陣列的輸出信號矢量被減少到維數M1。設備100還包括輸出單元30，用於從每個接收陣列10輸出波束成形的時間序列輸出數據信號2。相關單元40繼而通過對多個波束成形的時間序列輸出數據信號2進行相關來生成相關矩陣3。相關矩陣3的元素通過波束成形的時間序列輸出數據信號2的成對相關(pairwisecorrelation)而獲得。相關矩陣3被轉發到恢復單元50。但是請注意，可以設想沒有發生相關的實施例，也就是說，實際上可以直接從波束成形的時間序列輸出數據信號2中恢復圖像而無需通過相關處理，例如正如在現場即時診斷的MRI系統中所進行的那樣。恢復單元50然後基於相關矩陣3和隨機化矩陣W1，W2，W3，恢復包含在接收信號中的內容信息4。恢復單元有可能可以被配置為：在恢復包含在接收信號中的信息時考慮接收元件的位置。恢復單元例如可以使用隨機化矩陣以及接收元件的位置，用於恢復包含在接收信號中的信息。更一般而言，恢復單元可以使用任何合適的算法用於恢復包含在接收信號中的信息。這樣的算法可以例如基於傅立葉成像。如上所述，恢復的內容信息4例如可以是像天空圖像的圖形圖像。這在圖2中示出。如在本示例中所看到的那樣，已恢復圖像是天球的形式。由接收元件接收到的信號1具有由方向餘弦l的函數I(l)所表示的幅度響應。函數I(l)提供了存在於天球內的視場中的源的強度。圖3使用如下內容示出了重建的(或恢復的)信號的信號強度之間的比較：(i)均勻波束成形(常用的方法，具有黑線的白正方形)；(ii)使用如由設備100提供的隨機化波束成形(粗黑點)；和(iii)真實源的信號強度(端接垂直線的灰正方形)。如圖3中所看到的，使用隨機化波束成形提供高質量信號恢復，與真實源幾乎完全一致。因此，幾乎完美的恢復可以通過使用如本文所公開的隨機波束成形來實現。更一般而言，本發明人觀察到均勻波束成形導致約40％的精度，而隨機化波束成形導致精度接近100％。返回參照圖1，系統100還包括處理單元60，其採用內容信息4作為輸入，以使用適當的度量來測量已恢復信息的質量，如前面所討論的那樣。單元60還能夠指示接收陣列改變它們發送波束成形信號的傳輸速率。為此目的，單元60可以發送新的矩陣維度給隨機化單元20(或者更一般而言，波束成形矩陣生成器)，或者等同地，指示隨機化單元20改變矩陣的維度。隨機化單元20將相應地通過發送新矩陣W1-W3到恢復單元50來進行反應，等等。一旦已經達到所期望的質量並且傳輸速率已被優化，則從恢復單元50恢復最優內容信息4，必要時它可以被傳遞給處理單元60。後者可再將最優已恢復信息5轉發給請求者。圖5示出了根據實施例的用於管理波束成形信號的方法的高級步驟序列的進一步實施例。第一步驟S401對應於圖4的步驟S401。在步驟S501處，隨機化矩陣W(i)被轉發給相應的接收陣列10，在這裡被表示為站1到站L。然後使用相應的隨機化矩陣W(l)到W(L)，執行波束成形S502。在步驟S503處，波束成形的時間序列輸出數據信號被轉發給相關單元40，它對波束成形的時間序列輸出數據信號進行相關S504，以生成相關矩陣。接著，基於所接收的相關矩陣和在S506處饋送的天線位置(其是接收元件的位置)執行圖像恢復S505。在圖5的示例中，恢復的內容信息是在步驟S507處輸出的天空圖像。該輸出被使用S508來測量已恢復信息的質量。這一測量的結果S509然後被使用S510來決定是否修改傳輸速率。如果是，則信號S511以反饋迴路的方式被發送到步驟S401。現在更詳細地解釋一些數學考慮，其可以在本公開的各種實施例中被有利地使用。首先，如參考圖1所討論的那樣，假設依賴於隨機波束成形。也就是說，接收陣列10適於基於接收信號(例如，通過接收陣列10捕獲的信號)生成時間序列輸出數據信號2。針對每個接收陣列10生成隨機化矩陣W1，W2，W3(它們具有各自的維數M1，M2，M3，並且M1<L1，M2<L2，M3其中是由下式給出的朝向方向rq的第i個陣列的陣列導向矢量：a(i)(rq)=e-j2πe-j2π,]]>其中表示矢量p和r之間的內積。假設在天空中存在Q個若干點源，通過堆疊由長度Q矢量的這些源所發射的信號，由第i個接收陣列接收到的信號可以被寫成：x(i)＝A(i)s，其中，矩陣i的第q列等於a(i)(rq)。換言之，在第i個接收陣列處的波束成形可以被看作是由線性算子來變換L(i)維信號x(i)，因此，它可被表示為矩陣乘法。在第i個陣列處的波束成形矩陣可以被表示其中M(i)是在那個陣列處使用的波束成形。第i個陣列的波束成形器輸出繼而可以被寫成：xb(i)=W(i)Hx(i)=W(i)HA(i)s,]]>其中(·)H表示矢量的共軛轉置。使用來自L個站的波束成形信號的相關器輸出等於：其中，是由源發射的信號的採樣自相關。在無線電天文的領域中，源被假定為發射不相關信號，所以隨著用於計算相關性的採樣的數量增加，接近對角矩陣。正如在上述公式中可以看見的那樣，相關矩陣的每個條目是不同的接收陣列之間的各個相關矩陣的元素的加權組合。每當矩陣的列少於行時，即M(i)<L(i)時，這表示從高維空間向低維空間的投影，因此如果攜帶所期望信息的矢量不屬於較低維空間則信息丟失。然而，通過隨機地選擇投影矩陣，整體信息被以比由具有相同維度的均勻波束成形更高的概率可靠地從相關矩陣恢復。隨機化單元可被設計來通過產生隨機值以生成隨機化矩陣。一種可能性是產生隨機值並用隨機值填充矩陣。隨機值例如可以任意地選擇或者從概率分布中導出。然後隨機化矩陣的列應被歸一化以便具有單位範數。例如，隨機化矩陣可以具有這樣的元素：元素是獨立的並且是同等分布的圓對稱復高斯隨機變量。例如，每一個隨機化矩陣W(i)，i＝1，...，L，可以被生成為具有是獨立的且是具有零均值和單位方差的同等分布的圓對稱復高斯隨機變量的元素。選擇隨機化的波束成形矩陣的元素作為復高斯隨機變量，這導致相關器輸出矩陣的統計的直接計算。這是有利的，因為在針對稍後的mage恢復的優化算法中通常假設高斯隨機矩陣。作為對稱復高斯隨機變量的使用的替換，隨機化波束成形矩陣W(i)可以通過共軛匹配的波束成形來生成。這可以向感興趣區域內隨機選擇的方向完成。在這種情況下，感興趣區域可以表示信號應該從中被接收或被捕獲的天空的區域。在共軛匹配的波束成形中，接收信號與由陣列導向矢量的元素表示的權重共軛相乘，然後求和，產生最佳SNR性能。儘管如此，濾波器可被應用到每個隨機化矩陣以便衰減感興趣區域之外的信號。例如，在生成波束成形矩陣W(i)之後，波束成形矩陣的每一列可以與波束整形濾波器進行卷積，以衰減來自感興趣區域之外來的信號。波束整形濾波器可以是固定的或自適應的。現在詳細討論傳輸速率的優化。假定目標發明是確定圖像(例如通過無線電幹涉而獲得的天空圖像)的質量測量。在這種情況下，天空圖像是通過處理由在分開較大距離的地理位置處的多個站中分組的天線所接收的信號來恢復，其中所述距離一般為幾十或甚至幾百公裡。如前面所討論的，可以區分兩類實施例。使用如上所述的隨機波束成形方法，現在，在對無線電幹涉系統的應用的上下文中討論這些內容。在第一類實施例中，假設對應於天空圖像的視場包含已知強度的源——如通常的情況——以允許陣列元件的校準。然後通過測量源的已知強度和恢復的強度之間的平方誤差獲得天空圖像的質量，其中和s0分別表示在視場內的良好定義的點處所估計的源強度與已知強度。通過使用三十個天線站(每一個具有五個天線，並且每個站M＝1，2或4個波束)的無線電幹涉系統的模擬，已經研究了平方強度誤差的估計。在這些模擬中，視場由-0.3和0.3的方向餘弦界定，並且假定20個點源，源之間的最小間隔等於0.006。假定具有源強度的方差√(π/2)的瑞利(Rayleigh)分布，在768個採樣上執行接收天線信號的相關，並且考慮測量噪聲的方差的各種值。通過與圖9B針對假定系統而實際獲得的平方強度誤差的比較，在圖9A中示出在第一類實施例中所使用的方法的準確度。在圖9C中描繪平方強度誤差的標準偏差。在第二類實施例中，對應於天空圖像的視場包含已知強度源的假設被丟棄。在這種情況下，通過測量由天線站的不同群組在整個視場上恢復的強度之間的差的範數平方所給出的平方誤差，獲得天空圖像的質量，即，其中和分別表示由第一和第二天線站群組所恢復的天空圖像的矢量。第二種方法的平方強度誤差的估計由圖9D來說明，示出了通過使用60個天線站(每一個具有5個天線，並且每個站M＝1，2或4個波束)的無線電幹涉系統的模擬所獲得的估計的平方強度誤差。在這些模擬中，視場由-0.3和0.3的方向餘弦界定，並且假定20個點源，源之間的最小間隔等於0.006，瑞利分布具有源強度的方差√(π/2)，在768個採樣上執行接收天線信號的相關，並且測量噪聲的方差的各種值被考慮。通過重新分類為兩組(每組30天線站)，來獲得天空圖像和注意，不試圖優化所採用的稀疏信號恢復算法的參數。但是可以通過對恢復算法中的正則化參數進行迭代重新加權來獲得改進的性能。總結通過這裡所公開的實施例所實現的優點：由於針對每個陣列使用多個波束成形，所以測量中的多樣性增加，這導致改善了重建保真度。然而，相對應已知的波束成形方法，陣列和處理單元之間的數據傳輸的速率可以減小(或優化)。換句話說，本文中所描述的實施例可以實現相同或改進的成像解析度，同時提高磁通密度恢復性能。計算機化設備可以被適當地設計用於實現如這裡所描述的本發明的實施例。在該方面中，可以認識到的是，這裡所描述的方法大部分是非交互的和自動的。在一些實施例中，這裡所描述的方法可以在交互式、半交互式或非交互式的系統中實現。這裡所描述的方法可以以軟體(例如固件)、硬體或其組合來實現。在一些實施例中，這裡所描述的方法以軟體實現為由適當的數字處理設備執行的可執行程序。在其它實施例中，圖4、圖5和圖7的方法的至少一個步驟或所有步驟可以以軟體實現為由適當的數字處理設備執行的可執行程序。更普遍而言，可以實現本發明的實施例，其中使用通用數字計算機，諸如個人計算機、工作站等。例如，圖6中所示的系統600示意性地表示了計算機化單元601，例如通用計算機。在實施例中，就硬體架構而言，如圖6所示，單元601包括處理器605、耦合到存儲器控制器615的存儲器610以及經由本地輸入/輸出控制器635通信耦合的一個或多個輸入和/或輸出(I/O)設備640、645、650、655(或外圍設備)。此外，輸入/輸出控制器635可以是但不限於一個或多個總線或本領域已知的其它有線或無線連接。輸入/輸出控制器635可以具有為簡單起見省略的附加元件，諸如控制器、緩衝器(高速緩存)、驅動器、復用器和接收機，以實現通信。此外，本地接口可以包括地址、控制和/或數據連接，以實現上述組件之間的合適通信。在這個實施例中，處理器605是用於執行特別是存儲在存儲器610中的軟體的硬體設備。處理器605可以是任意定製的或商用的處理器、中央處理單元(CPU)、與計算機601相關聯的多個處理器之間的輔助處理器、基於半導體的微處理器(微晶片或晶片組的形式)或通常用於執行軟體指令的任意設備。存儲器610可以包括易失性存儲器元件(例如隨機訪問存儲器)和非易失性存儲器元件的任意一個或組合。而且，存儲器610可以結合電、磁、光和/或其它類型的存儲介質。注意，存儲器610可以具有分布式架構，其中各種組件彼此遠離定位但可以通過處理器605被訪問。存儲器610中的軟體可以包括一個或多個單獨的程序，每個程序包括用於實現邏輯功能的可執行指令的有序列表。在圖6的示例中，存儲器610中的軟體包括根據這裡的一些實施例描述的方法和適當的作業系統(OS)611。OS611實質上控制其它電腦程式的執行，注意：在這裡描述的方法(例如圖4、圖5、圖7)可以部分地實現為應用程式，並且提供調度、輸入-輸出控制、文件和數據管理、存儲器管理以及通信控制和相關服務。這裡描述的方法可以是源程序、可執行程序(對象代碼)、腳本或包括將執行的一組指令的任意其它實體的形式。當是源程序形式時，則程序需要經由本身已知的編譯器、彙編器、解釋器等進行翻譯，使得與OS611相關聯地適當運行，該編譯器、彙編器、解釋器等可以被包括或可以不被包括在存儲器610內。此外，該方法可以被編寫為具有方法和數據的分類的面向對象程式語言或具有例行程序、子例行程序和/或功能的程序程式語言。在這個實施例中，常規鍵盤650和滑鼠655被耦合到輸入/輸出控制器635。其它I/O設備640-655可以包括傳感器(特別是在網絡元件的情況下)，即對類似溫度或壓力的物理條件(待監測的物理數據)的變化產生可測量響應的硬體設備。典型地，由傳感器產生的模擬信號通過模數轉換器被數位化，並且發送到控制器635用於進一步處理。傳感器節點理想地是小的、消耗低能量、自動化的，且無人值守地運行。此外，I/O設備640-655可以進一步包括傳送輸入和輸出二者的設備。系統600可以進一步包括耦合到顯示器630的顯示器控制器625。在一些實施例中，系統600可以進一步包括用於耦合到網絡665的收發器660或網絡接口。在這個實施例中，網絡665在單元601和外部系統之間發射和接收數據。網絡665可以以無線形式實現，例如使用諸如WiFi、WiMax等無線協議和技術實現。網絡665可以是固定無線網絡、無線區域網(LAN)、無線廣域網(WAN)、個人區域網(PAN)、虛擬私人網絡(VPN)、內聯網或其它合適網絡系統，並且包括用於接收和發射信號的設備。網絡665也可以是基於IP的網絡，用於經由寬帶連接在單元601和任意外部伺服器、客戶端等之間的通信。在一些實施例中，網絡665可以是服務提供者管理的管理IP網絡。除此之外，網絡665可以是諸如LAN、WAN、網際網路網絡等等之類的分組交換網絡。如果單元601是PC、工作檯、智能設備等，則存儲器610中的軟體可以進一步包括基礎輸入輸出系統(BIOS)。BIOS被存儲在ROM中，使得當計算機601被激活時BIOS可以被執行。當單元601運行時，處理器605被配置成執行存儲在存儲器610內的軟體，將數據傳送到存儲器610以及將數據從存儲器610傳送出去，並且通常按照軟體來控制計算機601的操作。這裡描述的方法和OS611整體上或部分地由處理器605讀取，典型地被緩存在處理器605內，然後被執行。當這裡描述(例如參照圖4和圖5)的方法以軟體實現時，該方法可以被存儲在任意計算機可讀介質上，諸如存儲設備620，用於由任意計算機相關系統或方法使用或者與任意計算機相關系統或方法相關聯地使用。所屬
技術領域：
的技術人員知道，本發明的各個方面可以被實現為系統、方法或電腦程式產品。因此，本發明的各個方面可以採用以下形式，即：完全的硬體實施方式、完全的軟體實施方式(包括固件、駐留軟體、微代碼等)，或硬體和軟體方面結合的實施方式。此外，在一些實施例中，本發明的各個方面還可以採用在一個或多個計算機可讀介質中的電腦程式產品的形式，該計算機可讀介質具有在其中包含的計算機可讀程序代碼。可以採用一個或多個計算機可讀介質的任意組合。計算機可讀介質可以是計算機可讀信號介質或者計算機可讀存儲介質。計算機可讀存儲介質例如可以是——但不限於——電、磁、光、電磁、紅外線、或半導體的系統、裝置或設備，或者任意以上的組合。計算機可讀存儲介質的更具體的示例(非窮舉的列表)將包括如下：具有一個或多個導線的電連接、硬碟、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、可擦除可編程只讀存儲器(EPROM或快閃記憶體)、光纖、可攜式緊湊盤只讀存儲器(CD-ROM)、光存儲設備、磁存儲設備、或者上述的任意合適的組合。在本文件的上下文中，計算機可讀存儲介質可以是可以包含或存儲程序的任何有形介質，該程序可以被指令執行系統、裝置或者設備使用或者與其結合使用。計算機可讀信號介質可以包括例如在基帶中或者作為載波一部分傳播的數據信號，其中承載了計算機可讀程序代碼。這種傳播的數據信號可以採用多種形式中任意形式，包括——但不限於——電磁信號、光信號或上述的任意合適的組合。計算機可讀信號介質可以是計算機可讀存儲介質以外的任何計算機可讀介質，該計算機可讀介質可以發送、傳播或者傳輸用於由指令執行系統、裝置或者設備使用或者與其結合使用的程序。計算機可讀介質上包含的程序代碼可以用任何適當的介質傳輸，包括——但不限於——無線、有線、光纜、RF等等，或者上述的任意合適的組合。可以以一種或多種程式語言的任意組合來編寫用於執行本發明各方面的操作的電腦程式代碼，所述程式語言包括面向對象的程式語言—諸如Java、Smalltalk、C++等，還包括常規的過程程式語言—諸如「C」程式語言或類似的程式語言。程序代碼可以完全地在單元601上執行、部分地在單元601上執行、部分在單元601上部分在另一單元601上執行等等。上面參照根據本發明實施例的方法、裝置(系統)和電腦程式產品的流程圖和/或框圖描述了本發明。應當理解，流程圖和/或框圖的每個方框以及流程圖和/或框圖中各方框的組合，都可以由電腦程式指令實現。這些電腦程式指令可以被提供給通用計算機、專用計算機或其它可編程數據處理裝置的處理器，從而生產出一種機器，使得這些電腦程式指令在通過計算機或其它可編程數據處理裝置的處理器被執行時，產生了實現流程圖和/或框圖中的一個或多個方框中規定的功能/動作的裝置。這些電腦程式指令也可以被加載到計算機、其它可編程數據處理裝置或其它設備上，使一系列操作步驟在計算機、其它可編程裝置或其它設備上執行以產生計算機執行過程，使得在計算機或其它可編程裝置上執行的指令提供用於實現流程圖和/或框圖中的一個或多個塊中指定的功能/動作的過程。附圖中的流程圖和框圖顯示了根據本發明的多個實施例的系統、方法和電腦程式產品的可能實現的體系架構、功能和操作。在這點上，流程圖或框圖中的每個方框可以代表一個模塊、程序段或代碼的一部分，所述模塊、程序段或代碼的一部分包含一個或多個用於實現規定的邏輯功能的可執行指令。也應當注意，在有些替換實現中，方框中所標註的功能也可以以不同於附圖中所標註的順序發生。例如，兩個連續的方框實際上可以基本並行地執行，它們有時也可以按相反的順序執行，這依所涉及的功能和算法優化而定。也要注意的是，框圖和/或流程圖中的每個方框、以及框圖和/或流程圖中的方框的組合，可以用執行規定的功能或動作的專用的基於硬體的系統來實現，或者可以用專用硬體與計算機指令的組合來實現。更普遍而言，儘管已經參照特定實施例描述了本發明，但本領域技術人員將理解到的是，可以進行各種改變並且可以替代等同方案，而不脫離本發明的範圍。此外，可以進行許多修改以適應本發明教導的特定情形，而不脫離本發明的範圍。此外，並不旨在於將本發明限於公開的特定實施例，而是本發明將包括落入所附權利要求範圍內的所有實施例。為了理解和/或解釋本文檔的目的，以下段落闡明了用於特定詞語或術語的一些定義。本發明：不應被理解為如下的一種絕對指示：由術語「本發明」所描述的主題由所提交的權利要求或可能在專利審查之後最後授權的權利要求覆蓋；而是，術語「本發明」用來幫助讀者獲得這樣的一般感覺：本文中的公開被認為是新的，通過使用術語「本發明」所指示的此理解是假定的且臨時的，並且隨著開發相關信息且隨著潛在地修訂權利要求而在專利審查的過程中經受改變。實施例：參見上文「本發明」的定義——類似解釋也適用於術語「實施例」。和/或：非異或；例如，A，B「和/或」C意指：(i)A或B或C中的至少一個為真且是可應用的。包括：除非明確地指出，否則意指「包括但不必定局限於」。模塊/子模塊：硬體、固件和/或軟體的任何集合，其可操作地工作以執行某種功能，而不考慮該模塊是否：(i)在單個本地附近區域中；(ii)分布在廣泛區域上；(iii)在較大的一片軟體代碼內的單個附近區域中；(iv)位於單片軟體代碼內；(v)位於單個存儲設備、存儲器或介質中；(vi)被機械地連接；(vii)電連接；和/或(iii)以數據通信連接。計算機：具有顯著數據處理和/或機器可讀指令讀取能力的任何設備，包括但不限於：臺式計算機、主計算機、膝上型計算機、基於現場可編程門陣列(FPGA)的設備、智慧型電話、個人數字助理(PDA)、主體安裝或插入式計算機、嵌入式設備類型的計算機以及基於專用集成電路(ASIC)的設備。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp