CN104603633B - 用于在室内环境中定位对象的方法和系统 - Google Patents
用于在室内环境中定位对象的方法和系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104603633B CN104603633B CN201380045670.9A CN201380045670A CN104603633B CN 104603633 B CN104603633 B CN 104603633B CN 201380045670 A CN201380045670 A CN 201380045670A CN 104603633 B CN104603633 B CN 104603633B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- harmonic
- transmission line
- sensor tag
- positions
- nonlinear transmission
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 35
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 35
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 claims abstract description 18
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 7
- 238000013461 design Methods 0.000 description 11
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 3
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- 238000003491 array Methods 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000010295 mobile communication Methods 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 241000238631 Hexapoda Species 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000007274 generation of a signal involved in cell-cell signaling Effects 0.000 description 1
- 230000005802 health problem Effects 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
- G01S13/06—Systems determining position data of a target
- G01S13/08—Systems for measuring distance only
- G01S13/32—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
- G01S13/36—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated with phase comparison between the received signal and the contemporaneously transmitted signal
- G01S13/38—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated with phase comparison between the received signal and the contemporaneously transmitted signal wherein more than one modulation frequency is used
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/74—Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems
- G01S13/82—Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems wherein continuous-type signals are transmitted
- G01S13/84—Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems wherein continuous-type signals are transmitted for distance determination by phase measurement
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/87—Combinations of radar systems, e.g. primary radar and secondary radar
- G01S13/878—Combination of several spaced transmitters or receivers of known location for determining the position of a transponder or a reflector
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06K—GRAPHICAL DATA READING; PRESENTATION OF DATA; RECORD CARRIERS; HANDLING RECORD CARRIERS
- G06K7/00—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns
- G06K7/10—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns by electromagnetic radiation, e.g. optical sensing; by corpuscular radiation
- G06K7/10009—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns by electromagnetic radiation, e.g. optical sensing; by corpuscular radiation sensing by radiation using wavelengths larger than 0.1 mm, e.g. radio-waves or microwaves
- G06K7/10366—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns by electromagnetic radiation, e.g. optical sensing; by corpuscular radiation sensing by radiation using wavelengths larger than 0.1 mm, e.g. radio-waves or microwaves the interrogation device being adapted for miscellaneous applications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
- G01S13/06—Systems determining position data of a target
- G01S13/46—Indirect determination of position data
- G01S2013/466—Indirect determination of position data by Trilateration, i.e. two antennas or two sensors determine separately the distance to a target, whereby with the knowledge of the baseline length, i.e. the distance between the antennas or sensors, the position data of the target is determined
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Artificial Intelligence (AREA)
- Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
用于在室内环境进行定位的系统和方法，这些系统和方法是精确的，并且大体上不受多径干扰的影响。该方法包括：使用由收发器产生的电磁辐射照亮传感器标签，收发器位于远离传感器标签的地方；传感器标签包括用于生成宽带谐波的至少一个非线性传输线(NLTL)，在三个或更多位置接收来自至少一个NLTL的反向散射电磁辐射；该三个或更多位置的坐标是已知的，从第二谐波和第二谐波的至少一个次谐波处的相位和幅度输出，获得从传感器标签到该三个或更多位置中的每一个的距离，从而通过三边测量法确定传感器标签的位置。
Description
背景技术
本公开涉及室内实时定位系统(RTLS)、方法和相关应用。
短距离，高精确度定位对于诸如室内导航、体域网(BAN)和无障碍运动跟踪等许多应用来说很重要。另一方面，在高效资产管理上应用的射频识别(RFID)系统的近期发展使得低成本和低能耗的RFID标签和相关设备得到广泛可用。在RFID定位方法中，接收信号强度(RSS)应用范围很广，但是受到较差精确度的影响。飞行时间法(TOF)不适用于短距离，这是因为测量较小往返时间延迟很困难。使用单音载波的基于连续波(CW)相位的方法是优选的，因为其具有高精确度和简单架构。
然而，在室内环境下，通过反向散射RFID标签进行被动CW相位定位是一项挑战。在物理上，在办公室和其他室内位置，由多径干扰引起的相位误差较为严重。发射和接收端之间的较差隔离带来较强的自干扰，这也会影响相位检测。如果缺乏有效同步解决方案，邻近的读取器也可引起较强干扰。另一个限制来自于信号处理。尽管CW是精确的，当距离大于一个波长时，存在周期模糊性(cycle ambiguity)。为了得到较高精度必须正确地解决周期整数。对于诸如DFCW(双频连续波)等常规方法，感应带宽受限于：(1)在哪个读取范围内整数模糊性可得到解决；或(2)具有大相位误差的窄带RFID设备。尽管已经提出了具有谐波生成功能的RFID标签，但所提出的标签无法解决周期模糊性。
对于在室内环境中进行定位，需要精确的，大体上不受多径干扰的影响的，并且解决周期模糊性的系统和方法。
发明内容
本文以下公开了一些用于在室内环境进行定位的系统和方法，这些系统和方法是精确的，大体上不受多径干扰的影响，并且解决了周期模糊性。
在一个或多个实施例中，本公开的方法包括使用由收发器产生的电磁辐射照亮传感器标签；收发器位于远离传感器标签的地方；传感器标签包括用于匹配阻抗和生成宽带谐波的至少一个非线性传输线(NLTL)，读取器接收天线的三个或更多位置的坐标是已知的，从第二谐波的相位和幅度输出获得从传感器标签到三个或更多天线位置 中的每一个的距离，并且通过三边测量法确定传感器标签的位置。
在一个或多个实施例中，本公开的系统包括传感器标签，收发器和读取器。该传感器标签具有用于生成宽带谐波的至少一个非线性传输线(NLTL)，该读取器包括三个或更多天线和至少一个解调器，该三个或更多天线位置的坐标是已知的，该至少一个解调器提供收发器发射的电磁辐射的主频率的第二谐波的同相和正交输出，以及提供从所述三个或更多位置中的每一个到传感器标签的距离。在一个实例中，收发器被并入读取器中，并且包括三个或更多天线中的一个或多个。
还公开了其他实施例。
为了更好的理解本教导以及其他和进一步的方面，将参考附图和详细描述，其范围将由附加的权利要求指出。
附图说明
图1a，1b和1c示出了非线性传输线(NLTL)的原理；
图2a-2d示出了这些教导的RFID标签的测量结果的图形；
图3示出了本教导的系统的一个实施例的原理；
图3a示出了传统手机原理框图；
图3b示出了本教导的系统的一个实施例中的通用读取器的原理框图；
图3c示出了本教导的系统的一个实施例的通用结构的原理框图；
图4示出了这些教导的系统的一个实施例中的元件的原理；
图5a和5b示出了传统RFID标签和本教导的RFID标签的操作的图形；
图6示出了本教导的RFID标签的测距操作的图形；
图7a示出了这些教导的RFID标签的一个实施例的操作的图形；
图7b示出了这些教导的RFID标签的一个实施例中的第二谐波生成的图形。
具体实施方式
以下详细描述是实施这些教导的目前认为的最好的模式。该描述不应被认为具有限制性，而仅仅是用于示出这些教导的一般原理，因为这些教导的范围已由权利要求最好地定义。尽管这些教导已经描述了各种实施例，但应当认识到，这些教导还能够适用于在附加的权利要求的精髓和范围内的许多进一步的和其他实施例。
如文中所用，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数的情况，除非上下文另有明确说明。
除另有说明，在说明书和权利要求中使用的表示原料数量、反应条件等的所有数值应当理解为可由术语“约”进行修改。
本文所用的“三边测量法”是通过给定的一个节点到已知坐标的三个或更多个其他节点的距离而确定该节点坐标的过程(例如，参见Alan Kaminsky，三边测量法可从以下链接http://www.cs.rit.edu/～ark/543/module05/trilateration.pdf获得)。本文中三边测量法也被称为三角测量法。
本文所使用的“次谐波”表示中心频率增加或减少频率一个变化量后所得到的频率，其中该频率变化量被限定在围绕中心频率的一定带宽内，该带宽小于中心频率和最接近谐波之间的间隔。
在一个或多个实施例中，本公开的方法包括使用从至少一个收发器发射的电磁辐射照亮传感器标签；该收发器位于远离该传感器标签的地方；该传感器标签包括用于生成宽带谐波的至少一个非线性传输线(NLTL)，在三个或更多位置接收来自该至少一个NLTL的反向散射电磁辐射；该三个或更多位置的坐标是已知的，利用第二谐波和第二谐波的至少一个次谐波的相位和幅度输出，获得从传感器标签到三个或更多位置中的每一个的距离，并且采用三边测量法确定传感器标签的位置。
在其他实施例中，本公开的方法包括使用从接收器生成的电磁辐射照亮传感器标签；该接收器位于远离该传感器标签的地方；该传感器标签包括用于匹配阻抗和生成宽带谐波的至少一个非线性传输线(NLTL)；读取器接收天线的三个或更多位置的坐标是已知的，利用第二谐波的相位和幅度输出，获得从传感器标签到三个或更多天线位置中的每一个的距离，并且采用三边测量法确定传感器标签的位置。
在一个或多个实施例中，本公开的系统包括传感器标签，至少一个收发器和读取器。该传感器标签具有用于生成宽带谐波的至少一个非线性传输线(NLTL)，该读取器包括三个或更多天线，至少一个解调器，和测距元件，该三个或更多天线中的每个天线位于三个或更多位置中的一个位置，该三个或更多位置的坐标是已知的，该至少一个解调器提供收发器发射的电磁辐射的主频率的第二谐波和第二谐波的一个或多个次谐波的同相和正交输出，该测距元件被配置为利用第二谐波和一个或多个次谐波的同相和正交输出，提供从所述三个或更多位置中的每一个到传感器标签的距离。在一 个实例中，收发器被并入到读取器中，其包括三个或更多天线中的一个或多个天线。
在其他实施例中，本公开的系统包括传感器标签，收发器和读取器。该传感器标签具有用于生成宽带谐波的至少一个非线性传输线(NLTL)，该读取器包括三个或更多天线和至少一个解调器，该三个或更多位置的坐标是已知的，该至少一个解调器提供收发器发射的电磁辐射的主频率的第二谐波的同相和正交输出，以及提供从所述三个或更多位置中的每一个到传感器标签的距离。在一个实例中，收发器被并入到读取器中，其包括三个或更多天线中的一个或多个天线。
在一个非限制性的实施例中，本公开提供一种使用谐波RFID标签在室内环境中进行定位的系统和方法，其通过测量多个频率的连续波(CW)相位信息因而具有毫米级的精确度。通过使用非线性传输线(NLTL)，可以在反向散射期间被动地生成第二谐波(SH)，比其他方案(例如使用分立二极管)具有更高效率。从SH获得相位信息，解决了在传统反向散射RFID标签中由发射和反射信号引起的多径干扰，这样的多径干扰往往限制了室内应用。NLTL被设计为具有宽带或多带特性，提供到天线前端的良好匹配，并且通过采用多频率，具有可以解决相位模糊性的优点。本发明的系统性价比高，这是因为可以使用标准CMOS技术来实现NLTL，并且CW简化了用于信号生成和检测的读取器的设计。
在另一个非限制实施例中，可以通过CMOS技术或具有特定天线设计的印刷电路板来制造NLTL RFID标签。NLTL谐波RFID标签可被附着到任何感兴趣的物体上，并且生成反向散射的第二谐波相位。使用三边测量(或三角测量)法确定从标签到至少4个固定的天线位置的距离。在一个实施例中，确定的位置被用作室内网络中的固定的标签ID。
对于外形大于5cm的系统，安装工作于100MHz-900MHz附近的印刷电路板是最合适的。对于外形小于5cm的系统，CMOS芯片实现方式将是首选的。
本公开的突出特点包括：
集成用于谐波生成的NLTL以解决多径干扰问题。
RFID标签的宽带或多带特性易于天线匹配。
在谐波RFID操作中使用相位调制。
采用连续波以简化读取器设计。
高定位精确度(毫米级)。
在另一方面，本公开可被用于小范围实时定位工具，应用于人机接口和碰撞避免。
可能的应用包括实时目标定位、安全监控、仓储管理和多路不定向远程读取(multiplexing nondirectional remote reading)。
在申请号为No.61/61/670,635的美国临时申请的附录C(以及2010年12月的《IEEE微波理论和技术(WTI)学报》第58卷第12期第4121页的F.Yu、K.G.Lyon和E.C.Kan的“使用非线性传输线的谐波生成的新颖的被动RFID转调器”，2011年6月5-10日在MD巴尔的摩召开的IEEE MTT 2011国际微波研讨会的F.Yu.Ma、K.G.Lyon和E.C.Kan的“用于单天线非自干扰RFID的反射的非线性传输线”，将以上所有内容并入本文以作参考和所有目的)中所描述的基于反向散射NLTL的谐波RFID标签中，匹配的或可反射的配置如图1所示，在由RFID标签接收到的收发器信号的第二谐波上编码传感器信号。因此，如果周围环境中没有在给定频率范围内进行非线性变换的对象，则可以最大程度地消除自干扰和多径反向散射。图1a、1b表示(a)匹配的和(b)反射型NLTL设计的电路模型。图1(c)示出了用于这两种设计的电路照片。反射型NLTL仅使用一根天线，Zload可以代表传感器的电容器，其幅度给出了对于反射波的附加相移。
匹配的设计比反射的设计具有更宽的带宽，但其需要两根天线，并且传感器集成仅能作为变容二极管的DC偏移。反射的设计具有更小的封装，这是因为(1)单根天线结构和(2)波在传输线中传输两次，使得用于谐波生成的NLTL级的数量减半。在反射的设计中，传感器可被集成为传输线末端Zload，其将传感器输出转换为附加相移。这是迄今为止开发的最小的和最长范围的非自干扰被动RFID。
与单二极管倍频器相比，NLTL显示出更有效的谐波生成，这是因为布拉格频率(Bragg frequency)fB防止功率扩散到期望的谐波之上。另外，NLTL的正实数阻抗还提供良好匹配和相对较宽的带宽，从而在匹配的和反射的配置中均不需要匹配网络。通过将传感器电容作为Zload，转调器可以进行幅移键控(Amplitude Shift Keying,ASK)、相移键控(Phase Shift Keying,PSK)和其他类似的编码方案。使用IBM 0.13μm CMOS工艺的两种配置的电路照片均在图1(c)示出。
图2示出了实验的RFID测试结果，图2a-2d表示非自干扰被动RFID的实验测试结果。图2a表示读取器功率为20dBm和平均天线增益为-1.2至+3.0dBi时匹配型NLTL设计中的距离特性；图2b表示PSK传感器电容调制；图2c表示在反射型NLTL中的 第二谐波变换；图2d表示反射型NLTL RFID的距离特性。参见图2c，由于来自收发器的照射通常具有一个窄范围的初始频率，因此来自NLTL的反向散射是宽带的谐波反向散射。
通过使用更高的读取器功率和/或具有更高效率的改进的天线，可以容易地将读取范围扩展到10米以上。若最后一级采用电容性传感器用于PSK，已经证实，当RFID的fB＝10GHz时，可以得到0.25°/fF，当fB＝15GHz时，可以得到0.61°/fF。陡峭的斜率相应于更高的灵敏度，同时较小的斜率相应于更大的检测范围。
反射型NLTL(作为开路负载的Zload被用作传输线末端)可仅使用一根天线。使用单天线时，对于基频率和第二谐波频率需要有较高的效率。在图2(c)和2(d)中，开路反射型NLTL的特征在于具有双频段G形天线和宽带D点天线(例如参见J.Andrews，皮秒脉冲实验室，应用说明-UWB信号源，天线和传播2003，其全部内容并入本文以作参考和所有目的)。
考虑到分布式标签的部署和维护，则被动型传感器标签更好，因其不需要更换电池，并且不需要临近的RF源，RF源如果功率超过32dBm会引发干扰或健康问题。其他优点如图5所示。然而，传感器标签仍然需要“ID”，使得其位置可知，进而用于更好的控制和监视。为了结构稳健，精确定位传感器数据在确定问题等级上是最重要的因素。这些教导的方法的一个实施例被用于标签位置确定，在一个实施例中，确定的位置被用作室内网络中的固定标签ID。(图6示出了标签位置的一个实施例)通过运行两个询问频率，可以在NLTL的相位调制中容易地确定到读取器的距离，但是需要至少三个读取位置以通过三边测量(三角测量)得到准确的位置。在一个实施例中，借用来自GPS(全球定位系统)的概念，使用4-6个读取器天线位置以同时解决模糊问题和应对多径干扰。在一个实施例中，仅需要一个读取器，但其功率将被导出到4-6个天线，这些天线具有已知的精确相对位置。可以使用额外的打包以重定向来自不同位置的辐射功率即可实现该方案，而不需要通过改变中央读取器的结构，如图3所示，其表示使用手机读取器的背壳中的四根天线进行被动型的标签三角测量。
应当注意的是如图3所示的传统手机包括被配置为通过网络发送接收信号的天线304。在图3的读取器中的天线还可与手机中的一个或多个处理器312连接。该一个或多个处理器312被配置为执行存储在计算机可读媒介316(诸如图示的存储器)中的机器可读码。该一个或多个处理器312还可被配置为将计算机可读码存储到计算机可读 媒介316中。如图3a所示的移动通信设备具有被配置为向用户呈现诸如一个或多个视频数据流的一部分的信息的显示器334。用户接口330被配置为接收用户输入，并将其提供给一个或多个处理器312。在一个实例中，用户接口330被配置为显示器334的一部分，例如在触摸屏显示器中。在如图3a所示的示例性实施例中，移动通信设备还包括麦克风320和扬声器329。
在本教导中所使用的传统手机的一部分可以用图3b所示的通用的方式描述。参见图3b，本文本所示的实施例中，在图示的元件110中，一个或多个处理器55可操作地连接到计算机可用媒体65，该计算机可用媒体65中具有用于执行这些教导的方法的计算机可读代码。至接收器的接口85连接到天线，将来自天线的接收信号提供给接收器，标准接口95也可操作地连接到一个或多个处理器55。由计算机连接元件75(例如计算机总线)提供可操作的连接。在如图3b所示的实施例中，可通过计算机可读代码的手段来执行解调。在其他实施例中，通过接口85提供解调的输出。由可编程阵列或专门设计用于该应用的元件执行相同功能的实施例都落入这些教导的范围内。
为了进一步阐明这些教导，下文将呈现详细的实施例。这些教导并不限于这些详细的实施例。
可达到的距离分辨率依赖于反向散射信号的相位噪声和整个系统的SNR。假设读取器发送s＝S·cos(2πf0t)的连续波，反向散射第二谐波采取以下形式：
r＝Rcos(4πf0t-8πf0d/c+φ)+n (1)
这里，d是读取器和RFID天线之间的距离，c是光速。相位项φ表示相位偏移，其是可以使用传感器Zload电容量进行补偿或编码的常数。最后一项n是来自无线信道的加性高斯噪声，其服从N(0,σ2)的分布。在一个实例中，如图4所示的用于反向散射信号解调的解调器元件使用低通滤波器(LPF)实现正交方案。对于如图4所示的解调器，正交输出可以表达为：
I＝A cos(8πf0d/c+θ-φ)+nI (2)
Q＝A sin(8πf0d/c+θ-φ)+nQ (3)
在一个实例中，可以使用求平均值以进一步最小化噪声的影响。距离可以通过如下计算得到：
根据建议，在f0在3GHz周围的单个测量中测得的相位差很容易处于0.57°之内，根据公式(4)，这转换为距离误差不到0.04mm。然而，由于存在整数模糊性，实际距离可以是：
在本公开中，从NLTL反向散射的谐波的宽带特性被利用来解决整数模糊性。在本公开的方法的一个实施例中，在从NLTL的反向散射的第二谐波和第二谐波的一个或多个次谐波被用于获得距离和解决整数模糊性。用于从第二谐波和第二谐波的一个或多个次谐波获得距离的各种各样的方法都落入这些教导的范围内。例如，在谐波雷达中使用的方法(例如参见《IEEE天线和传播学报》，第52卷第11期，第2825-2832页，2004年11月，B.G.Colpitts和G.Boiteau，“谐波雷达收发器设计：用于昆虫跟踪的微型标签”，以及Farrukh Aslam，S.M.(2008)，宽带谐波雷达检测，杜兰大学论文，杜兰大学，UK，其全部内容并入本文以供参考和所有目的)。在一个实施例中，使用第二谐波和第二谐波的一个或多个次谐波。由于用于阻抗匹配的反射式NLTL的有限带宽，使用的频率为f0及其次谐波f0+Δf。
从以上那些公式，可以获得以下公式，
这里，β满足0≤β＜2π，因此在该方法中范围被定位为：
在这些教导的RFID标签的一个实施例中，单个宽带偶极天线用于既接收又传输信号，同时一个肖特基二极管被用来生成第二谐波(参见图7a-7b)。然而，还可以调用附加的面积和损失阻抗匹配网络，该网络由直径1mm的电感环路和单个分立二极管组成。另外，谐波变换效率随着询问功率(interrogation power)的增加而下降，这导致即使使用4kW读取器功率，也会受限于100m的通信范围。
图3c示出了从上文所公开的实施例中总结得到的这些教导的系统的一个实施例。参见图3c，在其中所示的实施例中，使用从收发器130和一个或多个天线120生成的电磁辐射来照亮RFID标签112。RFID标签112包括用于生成宽带谐波的至少一个NLTL，从而由NLTL生成照明辐射(illuminating radiation)的主频率的第二谐波和第二谐波的一个或多个次谐波作为反向散射辐射。通过三个或更多天线120接收反向散射辐射，其中三个或更多天线的位置的坐标是已知的。三个或更多天线的输出被提供给接收元件(例如收发器130)，并且从接收元件将其提供给一个或多个解调器140，从而生成用于第二谐波和第二谐波的一个或多个次谐波的同相和正交分量。测距元件150获得从RFID标签112到三个或更多天线120的每一个的位置。通过三边测量从距离(范围)找到RFID标签的位置。在一个实施例中，测距元件150可以是如图3b所示的结构。在其他实施例中，可以由可编程阵列或未该操作特别设计的元件来执行测距元件(包括三边测量)。
出于描述和定义本教导的目的，应当注意到本文中利用的术语“大体上”代表可归因于任何定量比较、值、测量或其他表示的固有的不确定度。本文还利用术语“大体上”来代表定量比较可能从规定的参考发生变化但不会导致问题的主题的基本功能发生改变。
可以电子地执行控制和数据信息，并且这些信息可被存储在计算机可读媒介上。一般形式的计算机可读(也被称为计算机可使用)媒介包括但不限于：软盘、柔性盘、硬盘、磁带或任意其他磁性媒介、CDROM或任意其他光学媒介、穿孔卡、纸带、或任意其他物理或纸质媒介、RAM、PROM和EPROM、FLASH-EPROM、或任意其他存储芯片或存储盒、或任意其他计算机可以读取的非易失性媒介。如同USPTO 2005用于专 利主题适格性的专利申请临时审查指南(1300Off.Gaz.Pat.Office 142(2005年11月22日))中所述的那样，在另一方面，从技术观点看来，使用功能性描述材料编码的信号类似于使用功能性描述材料编码的计算机可读存储器，这两者中都创建了与计算机的功能性相互关系。换句话说，计算机能够执行编码的功能，而无关其格式是盘还是信号。
尽管已经描述了关于多种实施例的本发明，应当认识到的是这些教导还适用于落入附加权利要求的精神和范围内的进一步的和其他实施例的宽广变化。
Claims (28)
1.一种用于在室内环境中定位对象的方法，所述方法包括：
使用由收发器产生的电磁辐射照亮传感器标签，所述收发器位于远离所述传感器标签的地方，所述传感器标签包括用于生成宽带谐波的至少一个非线性传输线；
在三个或更多位置处接收来自所述至少一个非线性传输线的反向散射电磁辐射，所述三个或更多位置的坐标是已知的；
从第二谐波和所述第二谐波的至少一个次谐波处的相位和幅度输出，获得从所述传感器标签到所述三个或更多位置中的每一个的距离；和
通过三边测量法确定所述传感器标签的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述非线性传输线是包括位于一端的一个天线和位于另一端的另一个天线的穿式结构。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述非线性传输线终止于阻抗。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述非线性传输线终止于开路。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述非线性传输线终止于短路。
6.根据权利要求1所述的方法，其中获得从所述传感器标签到所述三个或更多位置中的每一个的距离的步骤包括：
为所述三个或更多位置中的每一个，利用接收到的反向散射电磁辐射，生成所述收发器发射的所述电磁辐射的主频率的第二谐波和第二谐波的次谐波的同相和正交输出；和
从第二谐波和次谐波处的同相和正交输出获得从所述三个或更多位置中的每一个到所述传感器标签的距离。
7.一种在室内环境中定位对象的系统，所述系统包括：
传感器标签，其包括用于生成宽带谐波的至少一个非线性传输线；
收发器；
读取器，其包括：
三个或更多天线，所述三个或更多天线中的每一个天线位于三个或更多位置中的一个位置，所述三个或更多位置的坐标是已知的；
至少一个解调器，其提供所述收发器发射的电磁辐射的主频率的第二谐波和所述第二谐波的一个或多个次谐波的同相和正交输出；和
测距元件，其被配置为从所述第二谐波和所述一个或多个次谐波处的所述同相和正交输出提供从所述三个或更多位置中的每一个到所述传感器标签的距离。
8.根据权利要求7所述的系统，其中使用了一个次谐波；并且其中所述测距元件被配置为从所述第二谐波和所述次谐波处的所述同相和正交输出获得从所述三个或更多位置中的每一个到所述传感器标签的距离。
9.根据权利要求7所述的系统，其中所述非线性传输线是包括位于一端的一个天线和位于另一端的另一个天线的穿式结构。
10.根据权利要求7所述的系统，其中所述非线性传输线终止于阻抗。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述非线性传输线终止于短路。
12.根据权利要求10所述的系统，其中所述非线性传输线终止于开路。
13.根据权利要求7所述的系统，其中所述收发器被并入到所述读取器中，并且其包括所述三个或更多天线中的一个。
14.根据权利要求7所述的系统，其中所述至少一个解调器包括：
两个下混频元件，一个下混频元件将输入信号乘以余弦函数，另一个下混频元件将输入信号乘以正弦函数；
两个低通滤波器，每个低通滤波器连接到所述两个下混频元件中的一个。
15.一种用于在室内环境中定位对象的方法，所述方法包括：
使用由收发器产生的电磁辐射照亮传感器标签，所述收发器位于远离所述传感器标签的地方，所述传感器标签包括用于生成宽带谐波的至少一个非线性传输线；
从至少三个或更多位置接收反向散射的电磁辐射，所述三个或更多位置的坐标是已知的；
从第二谐波频率处的相位和幅度输出获得从所述传感器标签到所述三个或多个位置中的每一个的距离，以及通过三边测量法确定所述传感器标签的位置。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述非线性传输线是包括位于一端的一个天线和位于另一端的另一个天线的穿式结构。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述非线性传输线终止于阻抗。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述非线性传输线终止于开路。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述非线性传输线终止于短路。
20.根据权利要求15所述的方法，其中获得从所述传感器标签到所述三个或更多位置中的每一个的距离的步骤包括：
为所述三个或更多位置中的每一个，利用接收到的反向散射电磁辐射，生成所述收发器发射的所述电磁辐射的主频率的第二谐波的同相和正交输出；和
从所述第二谐波的所述同相和正交输出获得从所述三个或多个位置中的每一个到所述传感器标签的距离。
21.一种用于在室内环境中定位对象的系统，所述系统包括：
传感器标签，其包括用于生成宽带谐波的至少一个非线性传输线；
收发器；
读取器，其包括：
三个或更多天线，所述三个或更多天线中的每一个天线位于三个或更多位置中的一个位置，所述三个或更多位置的坐标是已知的；
至少一个解调器，其提供所述收发器发射的电磁辐射的主频率的第二谐波的同相和正交输出；
测距元件，其被配置为从所述第二谐波处的所述同相和正交输出提供从所述三个或更多位置中的每一个到所述传感器标签的距离。
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述测距元件被配置为从所述第二谐波处的所述同相和正交输出获得从所述三个或更多位置中的每一个到所述传感器标签的距离。
23.根据权利要求21所述的系统，其中所述非线性传输线是包括位于一端的一个天线和位于另一端的另一个天线的穿式结构。
24.根据权利要求21所述的系统，其中所述非线性传输线终止于阻抗。
25.根据权利要求24所述的系统，其中所述非线性传输线终止于短路。
26.根据权利要求24所述的系统，其中所述非线性传输线终止于开路。
27.根据权利要求21所述的系统，其中所述收发器被并入到所述读取器中，并且其包括所述三个或更多天线中的其中一个。
28.根据权利要求21所述的系统，其中所述至少一个解调器包括：
两个下混频元件，一个下混频元件将输入信号乘以余弦函数，另一个下混频元件将输入信号乘以正弦函数；
两个低通滤波器，每个低通滤波器连接到所述两个下混频元件中的一个。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201261670635P | 2012-07-12 | 2012-07-12 | |
| US61/670,635 | 2012-07-12 | ||
| PCT/US2013/050307 WO2014012012A1 (en) | 2012-07-12 | 2013-07-12 | Rfid device, methods and applications |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104603633A CN104603633A (zh) | 2015-05-06 |
| CN104603633B true CN104603633B (zh) | 2017-08-29 |
Family
ID=49916572
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201380045670.9A Active CN104603633B (zh) | 2012-07-12 | 2013-07-12 | 用于在室内环境中定位对象的方法和系统 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US9645234B2 (zh) |
| CN (1) | CN104603633B (zh) |
| WO (1) | WO2014012012A1 (zh) |
Families Citing this family (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9645234B2 (en) * | 2012-07-12 | 2017-05-09 | Cornell University | RFID device, methods and applications |
| US20170010350A1 (en) * | 2015-07-10 | 2017-01-12 | Honeywell International Inc. | Systems and methods for load aware radar altimeters |
| US10038248B1 (en) * | 2015-07-23 | 2018-07-31 | University Of South Florida | Three-dimensionals RFID tags |
| US11048893B2 (en) * | 2016-05-25 | 2021-06-29 | William Marsh Rice University | Methods and systems related to remote measuring and sensing |
| US10559177B2 (en) * | 2016-08-04 | 2020-02-11 | Dean Michael Feldman | Area and property monitoring system and method |
| KR102664268B1 (ko) | 2016-11-24 | 2024-05-09 | 삼성전자주식회사 | 무선 통신 장치를 이용한 사용자의 재/부재 검출 방법 및 장치와 그를 이용한 서비스 제공 시스템 및 방법 |
| US11744470B2 (en) | 2017-06-16 | 2023-09-05 | Cornell University | Methods and systems for electromagnetic near-field coherent sensing |
| US11125856B2 (en) * | 2017-11-28 | 2021-09-21 | Texas Instruments Incorporated | Distance measurement using millimeter wave radar |
| EP3794497B1 (en) | 2018-05-14 | 2023-07-05 | Cornell University | Collaborative rfid reader using code divisional multiple access (cdma) and methods for same |
| JP7107762B2 (ja) * | 2018-06-20 | 2022-07-27 | 東芝テック株式会社 | 通信装置、通信方法及びプログラム |
| US10531424B1 (en) * | 2018-09-11 | 2020-01-07 | Greina Technologies, Inc. | Angle of arrival and departure using standard bluetooth low energy packets |
| WO2020092849A1 (en) * | 2018-10-31 | 2020-05-07 | Cornell University | System and method for ultra-high-resolution ranging using rfid |
| DE102018128962A1 (de) * | 2018-11-19 | 2020-05-20 | Rheinmetall Waffe Munition Gmbh | Verfahren zur Bestimmung der Position eines Objektes, Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines Objektes und System |
| US10708718B1 (en) | 2019-02-28 | 2020-07-07 | At&T Intellectual Property I, L.P. | Space characterization using electromagnetic fields |
| CN111208500A (zh) * | 2019-05-30 | 2020-05-29 | 中国矿业大学 | 一种基于无源rfid的掘进机位姿参数检测方法 |
| US11843450B2 (en) * | 2020-05-14 | 2023-12-12 | Jeeva Wireless Inc. | Duplex long range backscatter wireless communication systems and methods |
| CN111783911A (zh) * | 2020-06-18 | 2020-10-16 | 西安新邮通科技有限公司 | 一种贴片式无线射频识别技术测距系统 |
| WO2022101739A1 (en) * | 2020-11-11 | 2022-05-19 | I Comb Ltd. | Systems and methods for ascertaining spatial information of target objects |
| US11848720B2 (en) * | 2021-03-26 | 2023-12-19 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Harmonic-enhanced identification (ID) and device resolution for frequency modulating communication |
| WO2024241175A1 (en) * | 2023-05-19 | 2024-11-28 | Inlan Inc. | Multi-band passive rfid tag |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5241923A (en) * | 1992-07-23 | 1993-09-07 | Pole/Zero Corporation | Transponder control of animal whereabouts |
Family Cites Families (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| NO126975B (zh) * | 1967-03-30 | 1973-04-16 | John Welsh | |
| US4364043A (en) * | 1979-05-30 | 1982-12-14 | The University Of Adelaide | Efficient object identification system |
| US5525993A (en) * | 1995-05-12 | 1996-06-11 | The Regents Of The University Of California | Microwave noncontact identification transponder using subharmonic interrogation and method of using the same |
| US5699045A (en) * | 1996-06-06 | 1997-12-16 | Sensormatic Electronics Corporation | Electronic article surveillance system with cancellation of interference signals |
| US6812824B1 (en) | 1996-10-17 | 2004-11-02 | Rf Technologies, Inc. | Method and apparatus combining a tracking system and a wireless communication system |
| US6060815A (en) * | 1997-08-18 | 2000-05-09 | X-Cyte, Inc. | Frequency mixing passive transponder |
| US7911324B2 (en) * | 2001-02-16 | 2011-03-22 | Automotive Technologies International, Inc. | Method and system for obtaining information about RFID-equipped objects |
| CA2438172C (en) | 2001-03-12 | 2007-01-16 | Eureka Technology Partners, Llc | Article locator system |
| US7152804B1 (en) * | 2004-03-15 | 2006-12-26 | Kovlo, Inc. | MOS electronic article surveillance, RF and/or RF identification tag/device, and methods for making and using the same |
| US7286053B1 (en) * | 2004-07-31 | 2007-10-23 | Kovio, Inc. | Electronic article surveillance (EAS) tag/device with coplanar and/or multiple coil circuits, an EAS tag/device with two or more memory bits, and methods for tuning the resonant frequency of an RLC EAS tag/device |
| US9953259B2 (en) * | 2004-10-08 | 2018-04-24 | Thin Film Electronics, Asa | RF and/or RF identification tag/device having an integrated interposer, and methods for making and using the same |
| JP2007155554A (ja) * | 2005-12-06 | 2007-06-21 | Fujitsu Ltd | Ｒｆｉｄタグの位置を検出する位置検出装置 |
| US8791824B2 (en) | 2006-08-14 | 2014-07-29 | Allen Hollister | Method for reading RFID tags using directional antennas |
| WO2009058543A1 (en) * | 2007-10-10 | 2009-05-07 | Kovio, Inc. | High reliability surveillance and/or identification tag/devices and methods of making and using the same |
| CA2725460C (en) * | 2008-05-15 | 2017-11-07 | Kovio, Inc. | Surveillance devices with multiple capacitors |
| US8441168B2 (en) | 2008-08-06 | 2013-05-14 | Applied Sensor Research & Development | Saw sensor tags with enhanced performance |
| US8044797B2 (en) * | 2009-01-27 | 2011-10-25 | Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc. | System for locating items |
| US8188908B2 (en) | 2010-01-29 | 2012-05-29 | Amtech Systems, LLC | System and method for measurement of distance to a tag by a modulated backscatter RFID reader |
| US9208365B2 (en) | 2011-01-12 | 2015-12-08 | Intermec Ip Corp. | Method and apparatus to mitigate multipath in RFID |
| US9645234B2 (en) * | 2012-07-12 | 2017-05-09 | Cornell University | RFID device, methods and applications |
-
2013
- 2013-07-12 US US14/413,523 patent/US9645234B2/en active Active
- 2013-07-12 CN CN201380045670.9A patent/CN104603633B/zh active Active
- 2013-07-12 WO PCT/US2013/050307 patent/WO2014012012A1/en active Application Filing
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5241923A (en) * | 1992-07-23 | 1993-09-07 | Pole/Zero Corporation | Transponder control of animal whereabouts |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US9645234B2 (en) | 2017-05-09 |
| US20150198708A1 (en) | 2015-07-16 |
| WO2014012012A1 (en) | 2014-01-16 |
| CN104603633A (zh) | 2015-05-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104603633B (zh) | 用于在室内环境中定位对象的方法和系统 | |
| Ma et al. | Minding the billions: Ultra-wideband localization for deployed RFID tags | |
| Vena et al. | A depolarizing chipless RFID tag for robust detection and its FCC compliant UWB reading system | |
| Ma et al. | 3D real-time indoor localization via broadband nonlinear backscatter in passive devices with centimeter precision | |
| US8253539B2 (en) | Rfid reader management system and method | |
| Miesen et al. | Where is the tag? | |
| US10921419B2 (en) | Methods and apparatus for wideband localization | |
| Kárník et al. | Summary of available indoor location techniques | |
| Dardari et al. | The future of ultra-wideband localization in RFID | |
| Athalye et al. | A radio frequency identification system for accurate indoor localization | |
| Heidrich et al. | Local positioning with passive UHF RFID transponders | |
| Bae et al. | Hawkeye: Hectometer-range subcentimeter localization for large-scale mmwave backscatter | |
| Zhang et al. | Principles and techniques of RFID positioning | |
| Pancham et al. | Evaluation of real time location system technologies in the health care sector | |
| Sharma et al. | On the seamless integration and co-existence of chipless RFID in broad IoT framework | |
| Klinefelter et al. | Interferometric radar for spatially-persistent gesture recognition in human-computer interaction | |
| Siegele et al. | State of the art of non-vision-based localization technologies for AR in facility management | |
| Ma et al. | Fine-grained RFID localization via ultra-wideband emulation | |
| Ledeczi et al. | Towards precise indoor RF localization | |
| Wang et al. | An indoor localization system based on backscatter RFID tag | |
| EP2098979A1 (en) | Transponder system. | |
| Motakabber et al. | Development of a position detection technique for UWB chipless RFID tagged object | |
| Ranganathan et al. | Low-power distance bounding | |
| Kharrat et al. | Customized RSSI method for passive UHF RFID localization system | |
| Chan et al. | Characterization of a 60GHz Reader and mmID System for High Fidelity Real-time Tracking With On-chip Processing |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |