CN103229071A - 用于基于超声反射信号的对象位置估计的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于小空间定位的系统，包括：在固定已知位置处的发射元件，其发射具有连续载波信号部分和调制到其上的基带信号的经调制连续波，例如超声波。该发射元件在其中可能出现要定位的对象的范围上发射经调制连续波。接收元件接收由发射设备发射并由对象反射的信号；以及位置检测元件根据对从反射信号接收到的载波信号部分和基带信号两者的分析来确定该对象的位置。

Description

用于基于超声反射信号的对象位置估计的系统和方法

发明领域

本发明在其一些实施例中涉及定位系统和方法，尤其但不排他地涉及小空间定位系统和方法。

发明背景

小空间定位、数米或更小的空间内的定位的领域是已知的。利用小空间定位系统的已知应用包括具有定点设备用于计算机交互、机器人和机器控制系统、以及用于玩具和库存控制的计算机交互系统的应用。某些应用可能需要2D解决方案，其他应用可能需要3D解决方案。某些应用（诸如定点设备）可能只需要单向通信，而其他应用（例如，机器人应用）可能需要双向通信。

通过使用利用定向发射机/接收机的距离发现的对象定位也是公知的，在称为SONAR（声音导航和测距）的方法中使用超声反射。该方法与RADAR（无线电检测和测距）类似地工作：在特定方向上生成超声脉冲。如果在该脉冲的路径中存在对象，则该脉冲的部分或全部将被反射回发射机作为回声并且可通过接收机路径被检测。通过测量脉冲被发射与回声被接收之间的时间差，就能够确定该对象有多远。

转让给Epos技术有限公司的题为“Acoustic Robust SynchronizationSignaling For Acoustic Positioning System（用于声学定位系统的声学稳健同步信令）”的国际专利申请公开No.WO2005111653（Airman Nathan，其内容由此通过援引纳入于此）描述了定位元件和定位设备，其中定位元件发射连续调制的声学波形和同步信号，该同步信号是至少两个同步分组的序列，每个分组承载用于该连续调制的声学波形的定时数据。另外，该同步信号使用时间跳跃来支持多个定位元件的并发定位。

转让给Epos技术有限公司的题为“Method And System For ObtainingPositioning Data（用于获得定位数据的方法和系统）”的国际专利申请公开No.WO03088136（Airman Nathan和Eliashiv Oded，其内容由此通过援引纳入于此）描述了定位元件和检测器装置，该定位元件用于获得位置并包括用于发射可解码以锁定位置的基本连续超声波形的第一发射器；该检测器装置用于以准许锁定位置并输出该波形以用于计算的方式、以能保持位置锁定能力的方式检测该波形。

转让给Epos技术有限公司的题为“System And Method For Positioning（用于定位的系统和方法）”的国际专利申请公开No.WO2008117292（AirmanNathan和Agassy Meir，其内容由此通过援引纳入于此）描述了使用基带和载波信息来提供胜于已知系统的改善的准确性和/或降低的模糊性。

“Ultrasonic Imaging in Air with a Broadband Inverse Synthetic ApertureSonar（用宽带逆合成孔径声纳在空中的超声成像）”（Michael P.Hayes，1997）讨论了对来自数字调制超声信号的收到超声反射的分析。其缺少基带和载波分析、信道建模、泄漏估计和正交信号的技术。

US2007/0121097讨论了使用定形超声脉冲的姿势分析。然而，所描述的技术仅使用真实信号，其并未公开正交基带信号和泄漏估计。

美国专利申请20080005703公开了使用超声的手势识别。然而，其并未公开调制技术。

美国专利申请20100296368公开了用于姿势检测的回声分析。然而，其并未公开调制技术，也未公开对BB和载波信息的使用。

“Continuous Sonar Sensing for Mobile Mini Robots（用于移动迷你机器人的连续声纳感测）”（Jurgen alhold等人，2002）公开了使用连续调制发射。然而，其并未公开对BB和载波信息的使用。对正交编码的讨论是用于车辆区分和用于同时从若干发射机估计相同的目标。

发明内容

根据本发明的一些实施例的一方面，提供了一种用于小空间定位的系统和方法，其相比于已知系统可改善准确度和/或降低模糊性。可从要定位的无源对象获得具有载波信号和调制的连续经调制声波的回声。

本发明的一些实施例的一方面提供了一种用于小空间定位的系统，包括：发射设备，其发射经调制连续波，其中该经调制连续波包括载波信号和基带信号，该发射设备朝其中可能出现希望跟踪的对象的区域或空间或范围发射该信号。接收单元接收起源自该发射设备的从该对象反射的信号。收到信号可包括自发射机设备的直接路径的泄漏。该系统可使用基于近似距离的分析来确定反射该发射的对象的位置，该分析使用通过向该对象发射和从该对象反射的往返延迟所接收到的载波信号和基带信号两者。

该系统可使用如设在给定计算设备中的语音组件，诸如内置立体声话筒和扬声器，以发射和接收超声信号。

对载波信号和基带信号两者的分析可包括对载波信号的相位分析。

接收单元可包括检测器，用于执行由接收单元接收到的经调制连续波与期望经调制连续波之间的相关。

可任选地，该经调制连续波具有预定形式或结构，并且该期望经调制连续波是由发射设备发射的经调制连续波的副本。

可任选地，该期望连续波建模所发射波（包括例如经调制数字信号）、发射机、空气、话筒和接收电路的总体响应。

可任选地，该期望连续波是从反射的记录导出的。

可任选地，接收单元从收到经调制连续波与期望经调制连续波之间的相关来确定基带和载波信号相关曲线。

可任选地，接收单元包括泄漏衰减机制，其中泄漏被定义为从直接路径（发射机到接收机）中的固定发射接收到的信号，而反射信号是用于TOA测量所需的信号。泄漏也可在较宽的视角中定义，其除了直接路径信号以外还包括从静态环境反射的信号：设备外壳、位于设备附近的人造物、该设备放置于其上的表面等。良好的泄漏衰减机制可估计来自环境的反射，其具有比目标相对更低的变化率。以此方式，目标的运动将更容易被检测和跟踪。泄漏信号的示例是在从移动设备的扬声器到话筒的最短路径中到达的信号。

可任选地，泄漏衰减方法包括如下方法：其中收到信号经历差分运算以移除恒定泄漏、并随后执行与收到信号的期望波形的复相关。

泄漏是在没有反射体时收到的从发射机（扬声器）发送的声学信号。例如，当使用表面时，比如手持机放置在桌子上时，泄漏可包括来自该表面的反射。

措辞“扬声器”在本文中涉及任何发声设备。

可任选地，泄漏衰减方法使用其中不存在对象（即，不存在反射）的状况的知识，以及随后计算相关并且关于数个帧对相关值取平均。帧可被定义为序列的历时，连续调制是从该序列构建的。结果被存储在存储器中。一旦指示可能存在要定位的对象，就计算相关并从该相关值中扣除来自不存在对象的状况的相关的所保存值的矢量。这得到无泄漏的相关信号。

作为进一步替换，泄漏衰减方法使用无要定位的对象的知识（即，不存在反射），并且随后从直接路径接收到的时域信号被取平均和存储。基于对象可能存在的知识，从先前存储的模式中扣除这些时域采样，从而产生无泄漏的时域信号，其随后可进一步与该连续波相关以找出到达时间TOA。

由于泄漏通常是恒定的，因此可使用泄漏补偿作为距离校准的手段。因此，有可能测量泄漏的TOA，从而使用从话筒到扬声器的已知距离来计算音速。该音速可被用于计算环境温度。

可任选地，接收元件确定绝对相关曲线中的一个或多个峰值以及实相关曲线中的一个或多个峰值。实相关和绝对相关曲线的数学定义在下文提供。

可任选地，接收单元包括一个或多个接收机，并且该接收单元配置成用于确定发射设备与该接收机之间的视线距离或主反射距离。

可任选地，与实相关曲线中的峰值基本对准的绝对相关曲线中的峰值对应于接收机与发射设备之间最可能的视线距离或主反射距离。

可任选地，该系统包括模糊解决器，用于从实相关曲线中的多个峰值选择一个或多个峰值。

可任选地，这多个峰值是从包括若干经延迟信号的收到信号获得的，这些经延迟信号的相关曲线彼此重叠。

可任选地，该系统包括模糊解决器，其标识数个峰值中与绝对相关曲线的峰值最靠近的一个峰值或者决定没有合适的峰值。

可任选地，使用基于由模糊解决器计算出的一个或多个预定义参数的值的评分。

可任选地，接收单元解译发射机、（反射、）以及一个或多个接收机之间最可能的视线距离（或最可能的反射距离），其中由接收机接收到的信号包括近范围中的由于由发射设备发射的信号的多径而引起的彼此重叠的若干经延迟信号。

可任选地，接收单元以载波信号波长的十分之一的数量级上的准确度确定该位置。

可任选地，对不同系统使用不同的基带信号。

可任选地，接收单元存储关于将由发射设备发射并由要定位的对象反射的基带信号的信息。

可任选地，接收单元基于基带信号来区分从要定位的对象反射的具有载波频率的经调制信号（其中该反射针对该系统的发射设备）和其他发射设备。

可任选地，接收单元存储一个或多个校准参数以用于基于该系统的传递函数来调整期望经调制连续波。

可任选地，该校准参数是相位响应、振幅响应、以及群延迟中的一者。

可任选地，该经调制连续波是声波。

可任选地，该经调制连续波是超声波。

可任选地，该经调制连续波是配置成用于穿透除空气以外的媒介的1-18MHz范围内的超声波。

可任选地，该经调制连续波是RF波。

可任选地，载波信号的频率与经调制连续波的基带信号的频率在相同的量级上。

可任选地，接收单元包括间隔开的至少两个接收机，并且每个接收机定位在预定义位置中。

可任选地，该系统包括处理单元，其配置成基于发射设备（反射）与两个接收机中的每个接收机之间的视线距离（或反射距离）的三角测量来确定发射设备的位置。

可任选地，发射设备发射同步信号，其定义飞行时间延迟的开始。

可任选地，该同步信号是IR信号。

可任选地，该同步信号是RF信号。

本发明的一些实施例的一方面提供了一种用于小空间定位的方法，包括：从发射设备发射经调制连续波，其中该经调制连续波包括载波信号和基带信号，并在定位于彼此的预定义距离处的诸接收机处接收由该发射设备发射的信号；以及使用对从发射设备接收的载波信号和基带信号两者的基于近似距离的分析来确定发射设备的位置，其中该发射设备和接收机中的一者是在大致范围内可移动的，并且另一者定位在预定义位置处。

本发明的一些实施例的一方面提供了一种用于小空间定位的方法，包括：从发射设备发射经调制连续波，其中该经调制连续波包括载波信号和基带信号，并用接收机接收由该发射设备发射的信号，其中接收机和发射机定位在彼此的预定义距离处；以及使用对从该发射和/或接收设备接收的载波信号和基带信号两者的基于近似距离的分析来确定反射对象的位置，其中该反射对象在大致范围内可移动。

可任选地，发射设备在大致范围内可移动，并且接收机定位在预定义位置处。

可任选地，对载波信号和基带信号两者的分析包括对载波信号的相位分析。

可任选地，该方法包括执行由接收单元接收到的经调制连续波与期望经调制连续波之间的相关。

可任选地，该经调制连续波是预定形式的，并且该期望经调制连续波是所发射的经调制连续波的副本。

可任选地，该方法包括从收到经调制连续波与期望经调制连续波之间的相关来确定绝对相关曲线和实相关曲线。

可任选地，该方法包括确定绝对相关曲线中的峰值以及实相关曲线中的峰值。

可任选地，该方法包括确定发射设备与至少一个接收机之间的视线距离。

可任选地，与实相关曲线中的峰值基本对准的绝对相关曲线中的峰值对应于该至少一个接收机与发射设备之间最可能的视线距离。

可任选地，该方法包括从实相关曲线中的多个峰值中选择峰值。

可任选地，这多个峰值是从包括若干经延迟信号的收到信号获得的，这些经延迟信号的相关曲线彼此重叠。

可任选地，该方法包括从多个峰值中标识与绝对互相关曲线的峰值最靠近的峰值。

可任选地，该方法包括从多个峰值中标识与绝对相关曲线中的上升能量最靠近的峰值。

可任选地，该方法包括基于对所确定视线距离的历史跟踪来从多个峰值中标识峰值。

可任选地，该方法包括基于对所确定视线距离随时间推移的速度跟踪来从多个峰值中标识峰值。

可任选地，该方法包括比较从不同接收机计算出的可能视线距离。

可任选地，该方法包括确定拟合收到经调制连续波的重叠波形的最小方差或最大似然。

可任选地，该方法包括基于指派给多个峰值的至少一部分的评分来从这多个峰值中标识峰值。

可任选地，该评分基于一个或多个预定义参数的计算出的值。

可任选地，该方法包括解译发射机、（反射体）以及接收机之间最可能的视线距离（或最可能的反射距离），其中由接收机接收到的信号包括近范围中的由于由发射设备发射的信号的多径而引起的彼此重叠的若干经延迟信号。

可任选地，该方法包括在载波信号波长的十分之一的数量级上的准确度内确定该位置。

可任选地，该方法包括区分从不同发射设备发射的信号。

可任选地，该区分基于将预期基带信号与收到基带信号作比较。

可任选地，该方法包括在工作中调整预期经调制连续波的模板。

可任选地，该调整基于对接收到的经调制连续波的质量的量化度量。

可任选地，该量化度量是该经调制连续波与期望经调制连续波之间的相关的相关评分。

可任选地，使用时域滤波技术，诸如FIR、IIR、或非线性滤波器（诸如中值滤波器）、或此类技术的组合，对每个接收单元的TOA轨迹进行滤波。

可任选地，来自所有接收单元的TOA轨迹的形状被用于标识对象的上/下或下/上移动。这可以通过验证所有接收机的TOA轨迹是类似的、或者贯穿整个轨迹存在恒定的时移来进行。随后，TOA轨迹的形状若类似于“L”形则被用于发现上/下运动。也就是说，在该轨迹的开头处，TOA的导数为负并且随后具有恒定值。类似地，若TOA轨迹的形状在开头处具有正导数并以0导数结束，则可标识下/上移动。

可任选地，可通过从两条轨迹中标识“U”形来从收到信号的TOA轨迹中提取从左往右或从右往左移动。此类“U”形可包括开头处的负导数、继之以0导数（平均而言）、并以一段正导数结束。

可任选地，在第一接收机更靠近该系统右手侧的示例中，若第一接收机的轨迹的“U”形在源自于第二接收机的轨迹的“U”形之前，则可标识从左往右移动。

可任选地，该经调制连续波是声波。

可任选地，该经调制连续波是超声波。

可任选地，该经调制连续波是用于穿透除空气以外的媒介的1-18MHz范围内的超声波。

可任选地，该经调制连续波是RF波。

可任选地，载波信号的频率与经调制连续波的基带信号的频率在相同的量级上。

可任选地，该方法包括执行发射设备与用于接收从该发射设备发射的信号的两个接收机中的每个接收机之间的视线距离的三角测量。

可任选地，该方法包括发射同步信号，其中该同步信号定义飞行时间延迟的开始。

可任选地，该同步信号是IR信号。

可任选地，该同步信号是RF信号。

可任选地，反射该信号的对象的确切位置可通过话筒或扬声器的冗余性来估计，例如通过使用三个话筒和一个扬声器、或两个话筒和两个扬声器。当同时使用若干扬声器时，使用信号编码是尤其有用的，因为每个扬声器可发射不同编码，由此在短时段中提供关于反射环境的更多信息。

可任选地，可从若干扬声器发射相同信号，在驱动这些扬声器的信号之间存在受控延迟。该方法允许发射信号的波束转向。该波束可被控制以便从期望方向接收到反射。使波束转向允许创建围绕该设备的3D图像。

可任选地，可与音频有关活动（诸如音乐播放、语音呼叫等）同时地获得反射对象的位置。

可任选地，相同的音频组件被用于超声和语音应用两者。本发明人发现，一些话筒（通常使用MEMS技术）具有可被利用的超声响应，由此提供功能性而不必提供新组件。扬声器和其他音频发射机在超声范围中具有残留响应。替换地，这些发射机可以是专用的超声设备，而话筒将用于音频和超声两者。替换地，可使用相反的办法。

对现有音频元件的使用具有一些限制，这主要是由于超声范围中不利的频率响应。由于这些组件主要是为语音应用而制作的，因此其超声频率响应将不是准许的。平坦对于TOA估计具有相当大的益处：其允许较窄的互相关结果并且更能抵抗多径和噪声。存在众多技术用于平坦化频率响应，诸如对发射信号整形。在接收机侧，收到信号可通过均衡器以对有效频率响应进行整形。

整体而言，对音频和超声两者使用相同的组件被认为是对设备有利的，由此节省了成本和降低了向设备增加额外组件的复杂性。

可任选地，反射对象位置可被用于影响语音有关活动。在用于波束成形的话筒阵列的情形中，反射位置可帮助使话筒接收波束朝扬声器转向。在另一个实施例中，反射分析可用于消去房间回声。

可任选地，反射分析可分析反射群并搜索相对快速的移动。此类情景可描述在来自其他手指和手本身的反射群内部的正移动的手指的反射。此类清形可获益于较早描述的基带和载波分析的实施例，其允许准确地分离近旁反射。

可任选地，来自若干手指的反射可被分析，从而允许定位一个以上手指，并且允许执行完整手指分析，以此方式可模拟音乐键盘。

以下讨论可从上述方法获益的众多示例。这些示例不是综合性的，并且是作为示例来讨论的。

任何平坦的平面可通过发射超声能量并分析反射来允许用户交互。可任选地，用户可在该平坦的平面上在该设备附近移动其手。这些移动可被解读成控制鼠标移动。轻敲手指可被解读为鼠标点击。

可任选地，可通过反射分析来实现多触摸姿势，从而允许两根或多根手指执行姿势，比如与诸如放大、缩小等功能相关联。

可任选地，可实现3D控制。

可任选地，可使用反射来帮助自动对焦相机。

可任选地，可使用反射来‘收获’视频图像。

可任选地，可使用反射来使设备静音。

除非另行定义，否则在本文中所使用的所有技术和/或科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员所通常理解的相同的含义。下文描述了示例性的方法和/或材料，但类似于或等效于本文所述的那些方法和材料可用在本发明实施例的实践或测试中。在冲突的情况下，将以包括定义的本专利说明书为准。此外，材料、方法和示例仅为解说性的而不旨在必然作为限制。

本发明的实施例的方法和/或系统的实现可涉及手动地、自动地、或其组合地执行或完成所选任务。此外，根据本发明的方法和/或系统的实施例的实际仪器和装备，若干所选任务可通过硬件、软件或固件或其组合使用操作系统来实现。

例如，用于执行根据本发明的实施例的所选任务的硬件可实现为芯片或电路。作为软件，根据本发明的实施例的所选任务可实现为由使用任意合适操作系统的计算机执行的多条软件指令来实现。在本发明的示例性实施例中，根据本文描述的方法和/或系统的示例性实施例的一个或多个任务由数据处理器来执行，诸如用于执行多条指令的计算平台。可任选地，数据处理器包括用于存储指令和/或数据的易失性存储器、和/或用于存储指令和/或数据的非易失性存储器，例如磁性硬盘和/或可移动介质。可任选地，还提供了网络连接。还可任选地提供了显示器和/或用户输入设备，诸如键盘或鼠标。

附图简述

本文参照附图以仅示例的方式描述本发明的一些实施例。现在详细参照附图，需要强调的是，所示的细节是作为示例和用于对本发明实施例的解说性讨论的目的。在此意义上，对附图所作的描述使得对于本领域技术人员而言如何实践本发明的实施例是明显的。

在附图中：

图1是根据本发明一些实施例的小空间定位系统的简化框图；

图2是根据本发明一些实施例的用于确定反射所发射信号的对象的位置的简化数据流图；

图3是根据本发明一些实施例的收到和期望信号的相关（correlation）曲线的绝对部分、虚部和实部的示意解说；

图4A-4C是根据本发明的一些实施例的三个示例性相关曲线集，其解说了由于存在多径信号而可能出现的潜在模糊性；

图5是可从重叠在LOS（视线）信号上的多个多径信号获得的自相关曲线的示例性绝对部分和实部的示意解说；

图6是可从对来自发射机和接收机之间的直接路径的泄漏的接收、以及对反射信号连同重叠在LOS信号上的多个多径信号的接收所获得的互相关曲线的示例性绝对部分的示意解说；

图7解说了泄漏衰减方法，其中从收到信号中扣除在没有检测到信号时的复相关的绝对值；

图8A-8D解说了时域中的泄漏衰减方法，其中在无反射状况期间对时域信号取平均并且随后在检测到或指示反射时从收到信号中扣除该平均值；

图9解说了在上/下移动期间从相同对象收到的信号的TOA轨迹的示例；

图10A和10B解说了由两个接收机对从相同对象反射的信号接收到的信号的从左往右移动的TOA轨迹的示例；

图11A和11B解说了图10a和10b的经滤波版本；

图12A和12B解说了指示上/下运动的到达时间轨迹；

图13A、13B和13C解说了本实施例用于检测手指位置（包括姿势）、用于软屏幕使用（作为鼠标）以及用于检测接近度的应用；

图14解说了本实施例用于多手指检测的应用；以及

图15解说了本实施例用于根据来自用户面部的反射来检测用户存在性的应用。

一些示例性实施例的描述

本发明在其一些实施例中涉及定位系统和方法，尤其但不排他地涉及小空间定位系统和方法。

根据本发明的一些实施例，提供了一种小空间定位系统。根据本发明的一些实施例，小空间定位系统朝无源对象发射经调制连续信号，该无源对象反射所发射信号并且该反射被间隔开的至少两个接收机接收。该经调制连续信号包括嵌入在载波信号上的预定义基带信号。可基于对该信号的基带部分和载波部分的分析、或使用在期望经调制信号与收到经调制信号之间计算出的互相关（cross-correlation）来确定TOF和/或LOS距离。如本文所使用的，术语互相关意指能比较信号的任何比较函数，例如最小方差、最小绝对误差等。可任选地，同步信号随该经调制连续信号一起被发射以定义TOF延迟的开始。

根据本发明的实施例，用载波和基带信号两者执行互相关，例如不必移除和/或执行下变频，并且对载波信号进行或不进行低通滤波。期望载波波形与收到载波波形的互相关可促进执行对载波信号的相位分析。

基带（BB）信号可提供具有对应于载波信号的波长的量级内的准确度的定位，而载波信号的相位分析可通过提供关于该波长内的位置的信息来改善该准确度。

本发明的实施例可促进改善对于声学定位系统可获得的准确度。可达成载波信号的波长的大约千分之一的数量级上的准确度。通常情况下，该准确度受信噪比（SNR）限制；在无限SNR下，准确度也可以是无限的。在实践中，SNR可高达20dB，并且在准确度方面仍可允许良好的结果。发明人已发现，本文描述的系统的准确度的限制因素不是SNR（若其足够高，比如通常高于15dB）。限制因素是音速的重复性，其甚至在办公/家里环境也略微地变化。音速的较小波动（比如说由于温度变化）可限制系统准确度。然而，可基于测量扬声器与话筒之间的直接信号路径（这是已知距离）的TOF来作出对温度的直接测量。由此，本发明的实施例可校正此类温度变化。

载波信号和基带信号可被选择成使得载波信号落在基带信号的频率范围内和/或在与基带信号相同的量级上。

载波和基带信号可以是声学的并且在超声（US）频率范围中。在其他示例性实施例中，载波和基带信号是电磁的并且在RF范围中。

各实施例可解决在存在多径信号的情况下确定LOS距离或反射距离时的模糊性。模糊性可能是由于相关曲线（例如原始信号或最近反射与多径信号的相关曲线）的交迭，使得能以标识原始LSO峰值或反射对象的最近反射点。

可计算一个或多个参数以确定在暴露于多径期间的最可能定位。可使用评分系统基于各种所定义参数来确定最可能的定位。对相关的包络和实部中的峰值分析可解决模糊性，或者历史跟踪或速度跟踪或在每个接收机中接收到的信号之间的比较、或上述任何组合可用于解决模糊性。

现在参照图1，其是示出根据本发明的实施例的小空间反射定位系统的简化示意框图。由扬声器123提供在固定的已知位置处的发射元件，其发射经调制连续波130。波130包括连续载波信号部分和调制到该载波上的基带信号。发射元件123被定位成在其中可能预期出现要定位的对象的范围上发射该经调制连续波，诸如在屏幕上方、在计算设备前方的表面上，如下文将更详细地讨论的。接收元件RX1接收由该发射元件发射并由对象140反射的信号。

位置检测元件包括处理器160及其组成部分和附件（诸如存储器151），并使用该反射信号（通常通过分析反射信号中的载波信号部分和基带信号两者）来确定该对象的位置。

定位系统120通常包括发射机123、和接收机121，用于拾取由该发射机发射、从对象140反射并由这些接收机接收的信号。系统120基于对接收到的反射信号的TOF分析来估计反射对象在所定义空间内的位置。通常情况下，系统120是静止的。

根据本发明的实施例，发射设备123发射预定义的经调制连续信号170。一个或更多个接收机（例如，来自系统120的接收机121和接收机122）可拾取由发射机123发射的信号。使用载波和基带相关器152将收到信号与期望信号（例如预存在接收机端的该预定义的经调制连续信号的副本、或在接收机端计算出的信号或由接收机捕获的信号）作比较。通常情况下，载波和基带相关器被整合到处理单元160中。该预定义的经调制连续信号的模板、模型和/或特征通常被预存在存储器151（例如，非易失性存储器）中。如本文所使用的模板是期望信号从数学级数到数字化输入数据的完整模型。模板表示包括例如话筒响应、发射机响应、电路系统、反射器、空气间隙等在内的总模型。

模板可用作计算出的参考的起始点。不同示例在发射机与接收机之间的传递函数方面可能有一定程度的差异。接收机可例如通过在工作中或在特殊校准模式中调整模板来容适这些差异。可出于此类目的而实现对收到信号的质量的量化度量。此类量化度量可以是相关评分，并且可实现对该相关评分的预定义阈值以限定信号的质量。例如，当相关评分高于该预定义阈值时，收到信号可被系统用来调整模板。

接收机121和122可接收来自发射机123的一个或更多个信号。通常情况下，接收机121、122和发射机123是静止的、间隔开的、并且定位在预定义位置处。在一个示例性实施例中，接收机121和122沿与计算设备（例如，个人计算机、移动电话设备、个人数字助理（PDA））相关联的显示单元的边缘定位。接收机121和122可以是话筒。与接收机121和接收机122处于电通信或逻辑通信中的载波和基带相关器152可包括用于将收到经调制信号与期望经调制信号进行互相关而不从其载波提取基带信号和/或用于将基带信号连同载波信号一起执行互相关的电路系统。通常情况下，可实现期望经调制信号的模板以用于与收到信号进行互相关。

在本实施例中可通过对发射机和接收机使用相同的时钟源来达成发射机和接收机的同步。TOF测量包括测量经调制信号130的发射与对收到信号的最可能延迟的估计之间的时间，如上文所解释的。

处理器160基于载波和基带信号的互相关结果来确定定位。每个系统可与专用的载波和基带相关器152相关联，并且发射机123可发射一系列可能信号之一。以此方式，若干发射机可同时从相同的系统进行发射而不产生干扰。若干系统可在相同的邻域中使用，每个系统使用不同的信号集以避免干扰其他近旁系统。可任选地，在发射之前，系统侦听周围环境，从而动态地选取信号以避免干扰。

在本发明的替换实施例中，载波和基带相关器和/或其功能被整合到（例如，与该定位系统相关联的个人计算机或计算设备中的）处理单元160。处理器160可包括快速傅里叶变换（FFT）能力并且可用于对收到信号执行相位和振幅分析。

存储器单元151可包括存储器能力，例如用于存储来自收到信号的信息、期望经调制连续信号的参数和/或其他信息的存储器能力。存储器单元151可包括易失性和非易失性存储器。存储器单元151可存储一个或更多个校准参数，这些参数被实现成用于基于诸特征来调整模板，这些特征例如是具体硬件集合（例如发射机和接收机）的传递函数。示例性校准参数可包括模板的相位、振幅、和群延迟以及其他参数中的差异。

经调制连续信号源170可以是声学信号源（例如，在超声范围中）。例如，经调制连续信号源170的信号范围可在约20与80KHz和/或高达200KHz之间变动。尽管高于200KHz的频率也可用于声学信号，但发明人已发现随着声学信号的频率增加，对LOS损失的敏感性也增大。频率增加可能由于尺寸比波长更大或在波长附近的较小人造物而对总体声学响应产生影响或对发射信号的衰落速率产生影响，从而导致该系统有较小的有效范围。

根据本发明的其他实施例，信号源112可以是RF信号源。在一些示例性实施例中，RF信号源可在超高频率（UHF）范围中（例如433MHz、868MHz、900MHz、915MHz、和2.4GHz）和/或在超宽带（UWB范围中（例如，3.1-10.6GHz）发射信号。

发射/接收系统与反射对象之间的距离可基于来自发射机的、从对象反射并由接收机拾取的经调制连续信号的TOF来确定。收到信号可包括通常情况下的最短路径、一般而言的LOS、或发射机与接收机之间的最短距离、来自反射对象的反射群、以及来自该设备自身和环境的反射。一个接收机可以能够确定到反射对象的距离。两个接收机可允许确定可能的反射体位置的子空间。反射对象在三维中的位置可基于从三个接收机中的每个接收机确定的距离的三角测量来确定。

基于收到信号，处理器160基于载波和基带信号来计算TOF，并且通常执行三角测量以确定作为时间函数的发射设备位置。

发明人已发现，对于声学定位，使用US频率范围中的发射信号存在诸优点。US波处于声学频谱的较高端。通常情况下，对于较高频率的载波信号，可获得较高的准确性。另一优点在于US波通常较不容易受到来自环境噪声的干扰，因为US发射机与其他声学发射机相比和/或与RF发射机相比在我们的典型环境中较不突出。对于附加的US发射机和/或US信号可能出现在周围环境中的情形，它们通常比其他声波衰落得更快，因为衰落速率对于较高频率会增大。US定位系统的另一优点在于，对于所需量的发射能量，US发射机和/或接收机通常小于其他信号发射机和/或接收机。另外，由于US频率范围是人类不可听到的，对于用户交互而言，它比声学定位系统中使用的其他声学范围更切合实际。由于对于较高范围信号，对短暂LOS损失的敏感性较大，所实现的声学频率的范围可被限制。

尽管已主要针对范围在20-100KHz之间的声学信号描述了诸系统和方法，但是本文描述的系统和方法也可应用于通常应用更高频率的医疗超声系统，例如对诸如肝脏和肾脏之类的深处组织应用1-6MHz或者对肌肉、肌腱、睾丸、胸部和新生儿脑之类的组织应用7-18MHz。另外，本文描述的系统和方法也可应用于RF系统。

本文描述的系统和方法可容易地适用于多个用户，例如在彼此附近工作的用户群。每个发射设备110可发射唯一的经调制连续信号，其可被专用的检测器151和152（图1）识别。不同发射设备中的载波信号可由用于不同用户的不同基带信号来调制。每个接收机和/或检测器可识别对应于其相关发射机的基带模式。例如，识别可通过对基带信号的信号分析来实现。

具体地，使用正交基带级数、或几乎正交的基带级数可能具有显著益处。术语“几乎正交”意味着两个不同基带级数的互相关参照于每个级数自相关可具有低值。

不拥有期望基带信号的所定义性质的收到信号可从TOF分析中忽略和/或排除。由于TOF是由基带和载波信息两者确定的，可实现不同信号而不会牺牲对TOF的检测和/或估计的准确性。

现在参照图2，其示出根据本发明的实施例的用于确定反射位置的简化概念性数据流图。由两个或更多个接收机（例如，接收机121和接收机122）拾取的信号可经历FFT210，从而可在预定义频带内执行对收到信号的延迟分析。由接收机拾取的信号可在执行FFT之前被滤波和放大。基于收到经调制信号和所发射经调制信号之间的检出时移在频域中执行从接收机121和122接收到的信号的定时校正。通常情况下，经校正信号被保存在存储器220中以用于进一步处理，从而确定定位。可通过分析收到信号的位置来在工作中补偿接收电路与发射电路之间的延迟。发射机与接收机之间的直接路径主要取决于几何分布，即发射机和接收机的位置，这是恒定的。该已知距离可被用于为缺少接收机与发射机之间的初始同步的系统确定TOF。替换地，该系统可包括同步阶段，其中至少一个接收机输入和一个发射机输出被电连接。

存储器220被整合到如图1中所示的存储器151。相关器执行存储在223中的模板与在定时校正之后的输入数据之间的互相关。相关器152可被实现成用于对期望经调制连续信号（例如，保存在存储器223中的预定经调制连续信号）进行互相关。

相关器152可计算相关曲线的包络（绝对）和实部。随后，基于包络峰值和实部峰值的位置，可确定TOF。相关器152可将泄漏信号纳入考虑，并且可从收到信号中衰减（例如，通过减去）泄漏估计，这将在下文更详细地讨论。随后可在滤波和移动方向块221中对衰减操作的输出进行滤波并估计移动方向，这将在下文更详细地讨论。

在确定TOF和/或LOS距离时可以考虑从先前采样存储的信息、和/或来自其他接收机的输出信号。所存储的数据可包括在确定TOF中有用的一个或更多个所定义参数值、阈值和/或其他信息。所存储的数据可包括例如期望信号、预存信号和/或参考信号的表。

可由坐标和速度估计器222基于根据从接收机121和122接收到的信号确定的TOF来确定所发射或反射的声学信号的起源位置。起源位置可在预定义的坐标系内相对于接收机的位置来定义。位置和速度估计器（222）输出可将随时间的某些反射行为映射为姿势，从而允许例如上/下姿势或左/右姿势。更精确的反射分析允许锁定某些反射（诸如来自定向手指的反射）以跟踪该手指的移动。该手指跟踪可例如被用作鼠标以控制光标移动。

处理器160可使用模板来构造参考信号和/或期望信号的查找表，可将收到信号与该查找表作比较从而可发现最匹配的距离。期望波形可以奈奎斯特速率来采样，并且采样点之间的任何定时失配可通过外推函数来克服以披露距离。技术人员将领会，声学信号具有不同的角传递函数，并且可将均衡器添加到接收机以补偿该现象。

由模糊性检测器获得的最可能的信号被用于标识与模板信号的最可能的非零距离。坐标估计器222可包括最大似然检测器，其类似于所纳入的国际专利申请公开No. WO03088136中所描述的最大似然检测器。

连续信号170可由具有傅里叶变换S_L(ω)的复低通时域信号s_L(t)来表示，从而：

S_L(ω)=0，|ω|＞B/2，否则S_L(ω)≠0。

该信号在频域中的自相关函数为：

$C_{\mathrm{LL}}\left(\mathrm{\ω}\right)=S_L\left(\mathrm{\ω}\right)\·\stackrel{\‾}{S_L\left(\mathrm{\ω}\right)}={\left|S_L\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2$      式(1)

注意，时域中的自相关函数c_LL(t)可以是对称的，因为频率响应是实数。

可通过围绕载波频率ω_c放置频率响应S_L(ω)作为正频率和负频率来合成双边带通信号S_BP(ω)。

S_BP(ω)的自相关和/或互相关可表示为（假定ω_c≥B/2):

$C_{\mathrm{BPBP}}\left(\mathrm{\ω}\right)=S_{\mathrm{BP}}\left(\mathrm{\ω}\right)\·\stackrel{\‾}{S_{\mathrm{BP}}\left(\mathrm{\ω}\right)}=\frac{1}{4}\·[{\left|S_L\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2*\mathrm{\δ}(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_c)+{\left|S_L(-\mathrm{\ω})\right|}^2*\mathrm{\δ}(\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}_c)]$    式(2)

时域表示为：

$c_{\mathrm{BPBP}}\left(t\right)=\frac{1}{4}\·[c_{\mathrm{LL}}\left(t\right)\·e^{j\·{\mathrm{\ω}}_c\·t}+c_{\mathrm{LL}}(-t)\·e^{-j\·{\mathrm{\ω}}_c\·t}]=\frac{1}{2}\·c_{\mathrm{LL}}\left(t\right)\·\cos ({\mathrm{\ω}}_c\·t)$    式(3)

注意，若S_L(ω)是对称的，c_LL(t)将为实数。

并非使用双边S_BP(ω)信号，可使用只有正频率包含信息的单边表示S_BP+(ω)。

该信号的自相关可以为：

$c_{\mathrm{BP}+\mathrm{BP}+}\left(t\right)=\frac{1}{2}\·c_{\mathrm{LL}}\left(t\right)\·e^{j\·{\mathrm{\ω}}_c\·t}$      式(4)

c_B+PBP+(t)的绝对部分对应于式(1)中的基带信号自相关。该相量（复指数）将调制项添加到该响应。

式(4)的实部对应于式(3)的载波和基带相关C_BPBP。项“实相关”和“绝对相关”是如本文所解释地从式(4)导出的。

现在参照图3，其是根据本发明的实施例的收到信号与期望信号之间的互相关曲线的绝对部分和实部的图表。该相关曲线的绝对部分和/或包络曲线310表示基带自相关，而该相关曲线的实部320表示基带和载波信号互相关。如从图3可以看出的，关于载波和基带信号的相关曲线320比对应于基带信号的相关曲线310更窄。相关曲线320提供了嵌入在载波信号中的增加的相位信息。由于关于载波和基带信号的相关曲线320更窄，其允许在由包络曲线310确定的波长内对距离的更准确估计。LOS信号的延迟可发生在线350与时间轴（X轴）交叉处的时间，并且被定义为在包络曲线310的界限内在对应于该相关曲线的实部中的峰值的时间。该相关曲线的虚部330可用于提供嵌入在载波信号中的增加的相位信息。该相关的虚部和实部两者可被实现成确定相位信息。

将来自该相关曲线的基带部分的信息与由载波提供的相位信息相组合使得能进行对TOA的更准确估计。通常情况下，例如，若带宽是足够的，则基带信号包含达到波长量级的准确度的信息。载波信号具有较窄的波带并且提供由该包络所定义的波长内的相位信息。发明人已发现，将来自基带和载波的结果相组合使得能对距离进行更准确的估计，而没有在仅使用对载波的相关时原本将导致的模糊性。

方波基带信号的理想自相关结果可以是具有sinc(x)形状的包络310、以及峰值与该包络的峰值对准的载波320。sinc(x)表示sin(x)/x，并且是由于该信号的有限带宽引起的，sinc(x)主瓣的带宽与该信号的带宽成正比。使用对载波信号的相关可将准确度改善10倍。

胜于其他系统的改善的准确性可通过在确定TOA和/或TOF时考虑嵌入在载波信号中的相位信息来达成。在使用经调制连续信号进行定位的已知系统中，例如在RF定位系统中，在确定TOA、TOF和/或LOS距离时，载波信号被移除而不被考虑。

载波信号的频率（例如，30-60KHz）大致在与带宽（例如，50-100KHz）相同的量级上。由于采样率通常是基于带宽来确定的，例如至少为带宽的2倍以避免混迭，通常被用于确定实信号的采样频率也可应用于对载波信号进行采样，从而载波信号信息可被纳入考虑而不会显著增大可用系统（例如，声学小空间定位系统）的采样率。

通常情况下，RF系统不是这种情形，在RF系统中，载波频率可能在数百MHz的量级上，而带宽可能要小得多。然而，对于包括具有高采样率（例如，3-4GHz的采样率和/或甚至更高采样率，例如6-8GHz）的接收机的已知RF系统，使用本文描述的系统和方法也可应用载波信号的相位信息。

载波和基带信号通常比基带信号更稳健并且随LOS保持其位置，例如在面临多径信号时随LOS保持其位置。由于载波信号的稳健本质，在确定相关时，相比于依赖于基带信号来确定相关的系统，该定位系统对环境噪声的敏感性降低。

现在参考图4A-4C，其示出了三个示例性相关曲线集，解说了由于存在多径（MP）信号而可能出现的潜在模糊性。当存在短程多径信号时，若干经延迟信号在接近的距离中到达检测器并彼此重叠，由此使所得的相关曲线混淆。当存在多径信号以使得其相应的相关曲线450出现在视线（LOS）信号400的相关曲线某个距离处时，该相关的实部和绝对部分中的峰值（指示最大相关点410）可能是清楚的并且可确定LOS距离（图4A）。LOS是从其接收到信号的最短距离和/或发射机与接收机之间没有多径的距离。由于最短距离是由具有延迟410的第一峰值表示的，因此清楚的是，该第一峰值表示LOS信号。

然而，模糊性可能源自于短多径信号，例如，来自在载波信号的一个波长量级上的距离的多径信号。随着多径延迟460接近LOS延迟410（图4B-4C），相关曲线的形状由于LOS信号410和多径信号460的相关曲线的重叠而混淆。

通常情况下，如图4B中所示，当发生近多径情况时，可能在相关曲线的实部中发现多个潜在LOS峰值（例如，峰值405和455），从而导致关于哪个峰值对应于LOS的模糊性。尽管LOS峰值出现在延迟410处，但当实曲线488具有其最大峰值455时，乍看起来，包络曲线499和实曲线488似乎指向时间460处的最大相关。

当甚至更近的多径信号出现时，如图4C中所示，LOS信号和延迟可能进一步混淆，并且实相关曲线中的任何潜在峰值（例如，峰值406、407和408）都可能不对应于与延迟410相对应的原始LOS峰值。信号重叠可能导致并非LOS峰值的峰值放大和/或的确对应于LOS的峰值衰减。面对关于LOS距离的模糊性，可能需要检查一个以上准则以确定最可能的LOS峰值。

本文的示例讨论了LOS以示出最短距离的路径，但是在若干反射当从近旁对象反射时彼此重叠的情况下可能发生相同的现象。术语“LOS”可与“最短反射路径”互换。

可实现模糊解决器以解决源自于多径信号重叠的模糊性。现在参考图5，其是可从重叠在LOS信号上的多个多径信号获得的自相关曲线的示例性绝对部分和实部的示意解说。当实曲线488具有其最大峰值462时，乍看起来，包络曲线499和实曲线488似乎指向时间460处的最大相关。可考虑和/或计算一个或更多个准则和/或参数以解译、估计和/或选取LOS峰值，例如对应于LOS距离的峰值。可考虑包络峰值499与载波峰值462之间的距离。例如，发明人已发现，可以预期最靠近包络峰值的载波峰值是LOS峰值。例如，在图5中，峰值462可被认为是LOS峰值的最强候选，因为其最靠近包络峰值461。补充地或替换地，距包络峰值超过预定义距离的峰值可作为弱候选被排除，并且LOS峰值可通过排除过程来选取。例如，峰值425和430可作为弱候选被排除。

本文的示例讨论了LOS以示出最短距离的路径，但是在若干反射当从近旁对象反射时彼此重叠的情况下也可能发生相同的现象。术语“LOS”可与“最短反射路径”互换。

此外，以上提及的包络峰值与载波峰值之间的距离可以是考虑用于估计最可能的LOS峰值的数个参数和/或准则中的仅一个。可考虑的一个其他参数是该峰值是否位于该包络的上升或陡升部分。发明人已发现，可以预期LOS峰值可能是位于包络曲线的上升能量上的峰值，例如曲线420在上升时的最陡部分上的第一峰值。例如，基于该参数，峰值422可被确定为LOS峰值。

在当前采样中选取最可能的LOS峰值时，可以考虑先前采样中对应于LOS峰值的位置和/或距离。由此，在确定最可能的当前LOS峰值时，在其中没有出现由于近多径引起的模糊性的先前采样中解译出的对应于LOS峰值的位置和/或距离可被考虑并被用作参考点。例如，若在4个采样之前清楚知道LOS峰值对应于与接收机的距离A，因为在该采样中没有多径模糊性，则该采样可被用作参考点以针对当前采样确定哪个将是最可能距离并由此确定哪个将是LOS峰值。基于移动是连续的假设，基于LOS峰值的先前位置（例如，没有模糊性的位置）对LOS峰值的位置进行历史跟踪可提高选取正确LOS峰值的可能性。可为不同的可能性确定评分并且可选取具有最佳度量的可能性作为当前采样的最可能LOS峰值。

更具体地，取决于所实现的应用，可预先确定采样点之间的合理和/或可能的速度范围。对应于在预定义范围外的不太可能的速度的峰值可被取消作为最可能LOS峰值的资格和/或可能得到低评分。例如，在笔数字化系统中，手运动通常被用于移动发射设备。手运动的可能范围是已知的并且可被用于排除LOS在所定义时间段上不太可能的位置和/或位置改变。在一些示例性实施例中，LOS峰值可基于关于先前采样所确定的速度被赋予评分。具有最佳评分（例如，具有最可能的速度）的LOS峰值可被选取为最可能的LOS峰值。可在两个采样（例如，相邻采样）和/或在多个采样之间执行速度跟踪。在一些示例性实施例中，可对没有模糊性的先前采样执行速度跟踪。

还可使用互相关来检测移动，因为其可示出由于移动或附加反射引起的差异。使用互相关提供了用于移除泄漏的简洁方式。

从另一接收机获得的信息可被用于解译最可能的LOS峰值。可执行从两个接收机（例如，接收机121和122，图1）接收到的输入信号之间的互相关以确定最可能的LOS峰值。本发明人已发现，由于多径情况引起的模糊性通常不会同时和/或以相同方式影响两个接收机。每个输入信号可被实现为另一接收机和/或收到信号的模板。在比较来自每个接收机的结果时，附加信息被添加并且位置模糊性可被消除和/或减少。

以上参数以及其他参数中的任何参数可单独使用或组合使用以确定最可能的LOS峰值。评分系统可与多个参数联用，每个参数对每个峰值的评分作出贡献，并且随后LOS峰值被选择为具有最高或最低评分的那个峰值。可对每个参数应用加权。例如，相比于其他参数，重要的参数可被赋予更大的权重。

技术人员可以考虑以上未提及的其他参数和/或附加参数以帮助解译最可能的LOS峰值。

现在参考图6，其是可从对来自直接路径的泄漏的接收、以及发射机和接收机之间的周围固定反射、连同对反射信号的接收（从而多个多径信号重叠在LOS信号上）所获得的互相关曲线的示例性绝对部分的示意解说。该图示出了在同一附图中存在的多个相关曲线。采样‘0’对应于0距离（在经校准系统中）。‘X’轴表示时间。该图所基于的实验使用了512个采样，但该图示出大约320个采样，因为高于采样320的相关值一般较低。‘Y’轴表示相关值（未归一化）。该实验中使用的采样率为156.25KHz，其发射频谱大致为25Hz到78KHz。然而，在现实生活系统中，更可能的采样频率将为192KHz或96KHz（标准音频采样率）。在一些情形中，可使用48KHz或44.1KHz的采样率，以允许更低的超声带宽。由于该系统对发射机和接收机使用相同的时钟源，因此对于每个发射周期无需同步这两者。在使用不同时钟源的示例中，可能需要同步机制。同步可使用泄漏标识来实现同步。

发射信令周期确定往返（发射机-反射器-接收机）距离。1毫秒的周期表示大约34cm（因为音速约为340m/秒）。通常可使用较长的周期，从而允许反射有更多时间来衰落以用于避免码间串扰，并且还允许较长的往返距离。如图6中可以看出，延迟在采样120处显著衰落，对应于大约0.8毫秒的往返时间。只要需要反射分析，就可连续地调制所发射信号而没有任何中断，但所发射信号可被实现在具有发射和静默区域的占空循环中。静默时间可准许较低功耗和更容易检测到反射能量以及其他特征。

图6中的泄漏的主要部分是最靠近的相关峰值（620）。该最靠近的相关峰值也是跨多个测量相对稳定的，因为其表示从发射机到接收机的直接信号路径。泄漏还可表示取决于安装或设备外壳的恒定反射。此类反射的消除是更难的，因为它们是动态的，从而该消除不能依赖于在无菌环境中（诸如在制造期间）作出的测量。例如，若设备被放置在靠近书或屏幕的桌子上，则泄漏对于该具体安装而言可能还包括该书或屏幕的静态反射。在设备自身具有反射部分信号的结构的情形中，该结构可保持恒定和稳定，从而其也可被认为是泄漏。

来自动态环境（诸如身体移动）的反射不是稳定的，并且倾向于从一个信号周期到另一个信号周期时发生变化（630）。如果移动是迅速的，则这些改变也将是快速的。在一些情形中，泄漏可具有显著的能量，其可能混淆反射并且可能使有意义的反射分析变得困难。在许多实践用例中，例如当音频组件（接收机和发射机）也被用于语音功能性时，泄漏衰减对于获得对反射的更好分析是更加重要的。其理由在于，例如：音频组件的放置对于超声分析不是最优的但却是针对语音应用的折衷，以音频为中心的组件的频率响应倾向于在超声等中较低。

现在参考图7，其解说了泄漏衰减方法的4条曲线，其中从实际收到信号中扣除在没有检测到信号时的复相关的绝对值，也就是在绝对相关域中的泄漏扣除。

该绝对相关的泄漏估计（760）包括直接路径（最高峰值）和跟随该直接路径的‘恒定’反射相关。在它们之间，这些分量形成曲线770。

当该设备放置在静态环境中时，从每个信号接收周期中扣除泄漏可产生相对低且平坦的相关（795）。当对象在由发射机和接收机覆盖的体积中穿过时，该相关则可包括泄漏（720）和反射（730）两者。从该信号中扣除估计泄漏（770）将产生反射相关曲线（750），其允许更容易的解码，示出了动态行为而没有静态附加量。

现在参考图8A-8D，其解说了时域中、或时间和相位域中的泄漏衰减方法，其中在无反射状况期间对时域信号取平均并且随后在检测到或指示反射时从收到信号中扣除该平均值。

时域中的泄漏估计（840）包括直接路径和跟随主路径信号的‘恒定’或‘固定’反射。用于估计该泄漏的一种方法是对若干信号周期取平均以衰减环境中的噪声或虚假移动。从传入信号（820）中扣除该泄漏将形成信号860，其包括经衰减的泄漏。模板与无泄漏的收到信号的互相关将形成曲线880，其更容易分析反射行为。

时域扣除的等效移植是以与针对绝对泄漏扣除所描述的方式类似的方式使用实相关（其包括载波和基带信息）进行泄漏估计。

图9是解说在上/下移动期间从相同对象接收到的信号的TOA轨迹的示例的图形，并且示出了可如何基于反射行进时间来检测此类上/下移动。

如图9中所解说的，该系统对于每个信号周期锁定的反射位置（‘Y’轴）对照信号周期计数（‘X’轴）被标绘。在该示例中，手在手持机的实体模型上方移动，该手持机上具有面朝上的扬声器和一对话筒。根据先前描述的方法分析来自手的反射的往返延迟。注意，这些曲线不是完全平滑的，因为手上的一些反射点变强或变弱，并且该算法随着时间推移可选择锁定来自手的不同部位的不同反射。然而，容易看出，反射往返延迟变得较小，并且两个话筒具有类似的延迟。这些因素表明，手移动在该设备上方开始并靠近（“上/下”）。往返延迟的导数是手速度，其也可被使用。如图中所见，所有接收机的TOA轨迹是大致类似的，或者贯穿整个轨迹中可能有恒定的时移。那么，TOA轨迹的形状若其外观类似于“L”形则被认为指示了上/下移动。在“L”形中，该轨迹的开头具有为负的TOA导数，此后接着是具有恒定值的轨迹区域。

类似地，若TOA轨迹的形状在开头处具有正导数并随后以0导数结束，则可标识下/上移动。

对移动开始（该图中的时间0）的检测使用专用逻辑。虚假移动可能被错误地解读为有意义的姿势，由此限制了该解决方案的可利用性。此类检测器可包括能量阈值，其可抑制姿势识别直至有充足的反射能量。其他机制可包括某个方向上的相干移动、使用多个接收机来作决策等。

连贯信号的互相关可检测相对移动。可将来自先前发射的收到信号与后续信号相关。此类互相关可示出差异，因为恒定的或慢变化的反射具有较小的效应。这些差异可对应于移动。泄漏衰减在该方法中有极大帮助，因为这些改变可被强调。若信号是周期性的并且占用了信号周期的大部分，则后续采样的滑动窗可增强该检测的分辨率。例如，对于每个采样，可用相同长度的采样但没有该新采样来执行相关。

实践系统还可使用可允许较低平均功耗的概率模式。例如，该系统可在进入解码模式之前查找通过特定阈值的超声反射，解码模式可消耗更多资源并且使用更频繁的发射。甚至解码模式可取决于反射速度而使用可变的发射占空循环。若速度较低，则发射/接收的更新率也可降低。

图10A和10B解说了由两个接收机对从相同对象反射的信号接收到的信号的从左往右移动的TOA轨迹的示例。

如可以看出的，左话筒往返延迟曲线（1020）在开始时（时间0）比右话筒往返延迟曲线（1010）更远，但随着时间推移，该次序交换，在该情形中解说为在信号周期400左右交换。手移动由此可被确定为从右往左。

附加地或替换地，可通过从两条轨迹中标识“U”形来从收到信号的TOA轨迹中提取从左往右或从右往左移动。可从开头处的负导数、继之以大约0导数、并以一段正导数结束来标识“U”状导数。

可任选地，在第一接收机更靠近该系统右手侧的示例中，若第一接收机处的轨迹的“U”形在第二接收机处的轨迹的“U”形之前，则可标识从左往右移动。

图10A示出了绝对相关域中的泄漏扣除，而图10B示出了时域中的泄漏衰减。可注意到，时域泄漏估计提供了更平滑的往返估计。

图11A和11B解说了图10A和10B中的轨迹的经滤波版本。图11A示出了绝对相关域中的泄漏扣除并使用中值滤波器长度9。图11B示出了时域中的泄漏扣除并使用中值滤波器长度3连同全1滤波器长度10。发明人将不同的滤波器作为基准，并且发现如图中所示的中值滤波器以相对低的计算努力给出了足够的性能。

图12A和12B解说了在上/下运动期间从相同对象收到的信号的反射功率轨迹。

该系统对于每个信号周期锁定的反射位置（‘Y’轴）对照信号周期计数（‘X’轴）被标绘。在该示例中，手在手持机的实体模型上方移动，该手持机具有从该手持机面朝上的扬声器和话筒对。根据先前描述的方法分析来自手的反射的往返延迟。注意，这些曲线不是完全平滑的，因为手上的一些反射点变强或变弱，并且该算法随着时间推移可选择锁定不同反射。然而，容易看出，反射往返延迟变得较小，并且两个话筒具有类似的延迟。这些因素表明，手移动在该设备上方开始并靠近，由此指示上/下运动。往返延迟的导数是手速度，其也可被使用。如图中所见，所有接收机的TOA轨迹是大致类似的，或者贯穿整个轨迹可能存在恒定的时移。TOA轨迹的形状若类似于“L”形则被标识为上/下运动。如以上所讨论的，“L”形是其中在轨迹开头处TOA的导数为负并且其延长部分具有恒定值的轨迹。类似地，若TOA轨迹的形状在开头处具有正导数并随后以0导数结束，则可标识下/上移动。

对移动开始（该图中的时间0）的检测使用专用逻辑，这对于移动检测而言是重要的。虚假移动可能被错误地解读为有意义的姿势，这可能限制该解决方案的可利用性。此类检测器可包括能量阈值，其可抑制姿势识别直至有充足的反射能量。其他机制可查找某个方向上的相干移动、使用多个接收机来作决策等。

在另一个实施例中，连贯信号的互相关可检测相对移动。可将来自先前发射的收到信号与后续信号相关。该互相关将示出差异，因为恒定的或慢变化的反射具有较小的效应。由该相关示出的这些差异由此可对应于移动。泄漏衰减在此类方法中可以有极大帮助，因为这些改变可被强调。若信号是周期性的并且占用了信号周期的大部分，则后续采样的滑动窗可增强检测分辨率。例如，对于每个采样，可用相同长度的采样但没有该新采样来执行相关。

现在参照图13，其示出了移动计算或通信设备1300在扬声器1320处发射经调制超声信号，该信号被三个话筒1340、1360和1380拾取。该设备可允许手势识别。可使用专用超声发射机以允许较高信号电平或较低功耗。如图13A中所示，该配置可用于屏幕上方的区域中的手指跟踪，并且相同的配置可用于实现对该屏幕的触摸。图13B示出跟踪正在屏幕上方徘徊的手的示例，从而该手所作的姿势可被识别。

如图13C中所示，类似的配置可具有垂直于其上可放置该设备的桌面的扬声器1400以及话筒1420和1440，从而允许容易地发射和接收与该桌面平行地传播的波，并允许使用手指作为鼠标。在图13A和13B的配置中，发射机和接收机可具有足够的能量以便即使它们所面对的方向是朝上也能允许鼠标实现。

现在参照图14，其示出了使用多个发射机和接收机的多点触摸应用。在该情形中，两个扬声器1460和1480从该设备的任一侧发射信号，并且话筒1490.1...1490.8（未全部示出）被放置在每个角落和每一侧的中间。这些发射机可如上所述地发射不同的信号，这可允许更容易地分析反射，因为其将会把特定反射与特定发射机相关联。可实现编码以允许来自若干发射机的同时发射，从而这些接收机能辨别来自不同发射机的信号。正交编码可促进反射分析，因为不同的代码可对彼此具有低得多的影响。使用代码还可通过具有用于每个系统的不同代码来允许近旁系统之间的较低影响。代码选择可以是动态的，以便降低近旁系统之间的干扰概率。系统可侦听一段时间以便检测附近被使用的代码并随后挑选不同的代码。

图15示出了嵌入在屏幕或膝上型设备中的用于检测用户存在性或用户移动的检测器。应用可使用对靠近屏幕的用户存在性的检测来操作该设备的功率管理，根据用户存在性来开启或关闭该设备。

预期在从该申请成长的专利的生命期间，许多有关的检测和处理电路将会被开发，并且术语检测器和/或处理器的范围旨在先验地包括所有此类新技术。

术语“包括”、“包含”、“含有”、“含”、“具有”及其结合表示“包括但不限于”。

术语“由……构成”表示“包括且限于”。

撰写以上描述的清楚目的是，为清晰起见在分开实施例上下文中所描述的本发明的特征也可以在单个实施例中组合提供。相反，为了简洁而在单个实施例上下文中描述的本发明的各种特征也可分开地提供或以任意合适的子组合提供或合适地在任何其他所描述的本发明的实施例中提供。在各个实施例的上下文中描述的特征并不被认为是这些实施例的必要特征，除非该实施例在没有这些元件的情况下无法操作。根据本领域技术人员的理解，每个特征可被隔离地取得并且随后可与本文描述的任何其他特征相组合。

Claims (48)

1.一种用于小空间定位的系统，包括：

在固定已知位置处的发射元件，其配置成用于发射经调制连续波，其中所述经调制连续波包括连续载波信号部分和调制到所述载波信号部分上的基带信号，所述发射元件配置成在其中可能出现要定位的对象的范围上发射所述经调制连续波；以及

接收元件，其配置成用于接收由发射设备发射并由所述对象反射的信号；以及

位置检测元件，其配置成根据对从所述反射信号接收到的所述载波信号部分和所述基带信号两者的分析来确定所述对象的位置。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，对所述载波信号和所述基带信号两者的所述分析包括对所述载波信号的相位分析。

3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件配置成用于执行由接收单元接收到的经调制连续波与期望经调制连续波之间的相关。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述经调制连续波是预定的并且所述期望经调制连续波包括由所述发射设备发射的所述经调制连续波的副本。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述经调制连续波的所述副本包括信道模型，其用于建模所述波形从所述定位元件到所述波形解码单元的通道，由此提供参考信号以对照该参考信号来标识所述最可能距离。

6.如权利要求3或4所述的系统，其特征在于，所述接收单元配置成用于从所述收到经调制连续波与所述期望经调制连续波之间的所述相关来确定基带和载波信号相关曲线。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述相关曲线包括相应的绝对曲线、实曲线和虚曲线，并且所述接收单元配置成用于确定相应的绝对相关曲线中的至少一个峰值和相应的实相关曲线中的至少一个峰值。

8.如前述任一项权利要求所述的系统，进一步配置成使用包括以下各项的组中的一个成员：

所述发射元件与所述接收元件之间的已知距离，以及

固定链路。

9.如前述任一项权利要求所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件配置成使用差分检测来移除直接信号路径的泄漏和静态人造物的泄漏。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述差分检测包括含以下各项的组中的一个成员：从前一采样中扣除每个输入采样并随后应用包括相继帧之间的复相关和互相关的组的至少一个成员，所述差分检测被执行以确定行进时间。

11.如权利要求1-7中任一项所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件配置成使用复相关扣除来移除直接信号路径的泄漏。

12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件配置成：

确定检测区域中没有放置对象的第一时间以计算和取平均在所述第一时间的复相关，所述相关的绝对值被保存；

在所述检测区域中放置有要定位的对象时的第二时间，确定在所述第二时间获得的相关结果的第二绝对值并从所保存的绝对值中扣除所述第二绝对值，由此提取所述反射信号的绝对相关而没有所述直接路径泄漏；

使用所述绝对相关来提取所述反射信号的行进时间。

13.如权利要求1-7中任一项所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件配置成使用时域扣除来移除直接信号路径的泄漏。

14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件配置成：

确定检测区域中没有放置对象的第一时间以针对N个帧的周期取平均并保存信号，其中每一帧是发射序列的历时；

在所述检测区域中放置有要定位的对象时的第二时间，从在所述第一时间计算出的所述时域信号的所保存平均值中扣除收到信号的时域值，由此提取所述反射信号的时域值而没有所述直接路径的泄漏；以及

执行复相关以提取所述反射信号的行进时间。

15.如权利要求9至14中任一项所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件配置成使用所述泄漏的到达时间连同所述发射元件与所述接收元件之间的已知距离来由此计算空气温度。

16.如权利要求11至14中任一项所述的系统，其特征在于，通过检测包括能量和信噪比的组中的至少一个成员的改变来获得关于对象存在性的指示。

17.如权利要求16所述的系统，其特征在于，能量检测包括将输入信号与已知模板相关并随后在所有可能的时间距离上对相关输出的能量进行积分。

18.如权利要求16或17所述的系统，其特征在于，所述信噪比计算包括在可能距离范围中的相关的所有可能值的能量的积分，并除以远端时移处的相关输出处的噪声估计的平均。

19.如前述任一项权利要求所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件配置成从每帧计算出的复相关值来计算每接收机的到达时间轨迹，其中所述帧等于发射序列或模板的历时。

20.如权利要求19所述的系统，其特征在于，由所述复相关提取的所述到达时间是使用已通过设定阈值的复相关的绝对值的最大值来计算的。

21.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述设定阈值被设置成有噪相关的平均值的M倍或比所述有噪相关的平均值大M，其中M是预定常数。

22.如前述任一项权利要求所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件配置成使用二维搜索以实现对第一路径到达时间的微调提取。

23.如权利要求22所述的系统，其特征在于，所述二维搜索包括搜索相同起源信号的多个反射，所述多个反射以相应的复相关的相应时间、振幅和相位中的至少一者的方式来表征。

24.如权利要求19所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件配置成通过取高于预设阈值的相关的绝对值并使用质心等式进行积分来从所述复相关提取所述到达时间。

25.如权利要求19至24中任一项所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件进一步配置成使用包括以下各项的组中的一个成员对所提取的到达时间轨迹进行滤波：线性滤波器、IIR滤波器、FIR滤波器、非线性滤波器、中值滤波器、以及线性和非线性滤波器的组合。

26.如前述任一项权利要求所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件进一步配置成使用第二接收机并比较来自每个接收机的到达时间踪迹。

27.如权利要求26所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件配置成分别从每个接收机提取踪迹方向，由此区分从上往下移动与从下往上移动。

28.如权利要求27所述的系统，其特征在于，所述区分包括：

估计相应的踪迹的第一导数；

取平均并与0作比较；

若平均值大约0，则确定所述方向是从下往上；以及若该值低于0，则确定所述方向是从上往下。

29.如权利要求28所述的系统，其特征在于，所述确定是排除其中导数等于0的踪迹部分来作出的。

30.如权利要求27至29中任一项所述的系统，其特征在于，从区分出的TOA踪迹的平均值提取速度。

31.如权利要求26至30中任一项所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件进一步配置成分别使用每个接收机处的相应到达时间轨迹来区分从左往右和从右往左移动。

32.如权利要求31所述的系统，其特征在于，所述区分包括寻找到达时间的减小、继之以常数、继之以增大的三部分构成。

33.如权利要求32所述的系统，其特征在于，所述区分包括比较各个接收机处的所述三部分构成。

34.如前述任一项权利要求所述的系统，其特征在于，所述发射元件配置成使用正交编码来提供信号，所述信号能与由至少一个其他发射元件产生的信号区分开。

35.如前述任一项权利要求所述的系统，其特征在于，所述发射元件是使用所述系统的现有扬声器元件来提供的，并且其中所述接收机元件是使用所述系统的现有话筒元件来提供的。

36.一种用于空气音速测量的系统，包括：

在第一固定已知位置处的发射元件，其配置成用于发射经调制连续波，其中所述经调制连续波包括连续载波信号部分和调制到所述载波信号部分上的基带信号；以及

在第二固定已知位置处的接收元件，其配置成用于接收由发射设备发射的信号以及来自周围环境的泄漏，所述接收元件包括检测元件，所述检测元件配置成根据所述泄漏的到达时间结合所述发射元件与所述接收元件之间的距离来确定所述音速。

37.如权利要求36所述的系统，其特征在于，所述检测元件配置成根据所述音速测量来确定空气温度。

38.一种用于小空间定位的系统，包括：

在第一固定已知位置处的发射元件，其配置成用于发射经调制连续波，其中所述经调制连续波包括连续载波信号部分和调制到所述载波信号部分上的基带信号，所述发射元件配置成在其中可能出现要定位的对象的范围上发射所述经调制连续波；以及

在第二固定已知位置处的接收元件，其配置成用于接收由发射设备发射并由所述对象反射的信号，所述接收元件包括位置检测元件，其配置成根据对从所述反射信号接收到的所述经调制连续波的反射的分析来确定所述对象的位置。

39.如权利要求38所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件配置成使用差分检测来移除直接信号路径的泄漏。

40.如权利要求39所述的系统，其特征在于，所述差分检测包括从前一采样中扣除每个输入采样并随后执行应用复相关以确定到达时间。

41.如权利要求38所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件配置成使用复相关扣除来移除直接信号路径的泄漏。

42.如权利要求41所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件配置成：

确定接收区域中没有放置对象的第一时间以计算和取平均在所述第一时间的复相关，所述相关的绝对值被保存；

在所述接收区域中放置有要定位的对象时的第二时间，确定在所述第二时间获得的相关结果的第二绝对值并从所保存的绝对值中扣除所述第二绝对值，由此提取所述反射信号的绝对相关而没有所述直接路径泄漏；

使用所述绝对相关来提取所述反射信号的行进时间。

43.如权利要求38所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件配置成使用时域扣除来移除直接信号路径的泄漏。

44.如权利要求43所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件配置成：

确定接收区域中没有放置对象的第一时间以针对N个帧的周期取平均并保存信号，其中每一帧是发射序列的历时；

在所述接收区域中放置有要定位的对象时的第二时间，从在所述第一时间计算出的所述时域信号的所保存平均值中扣除收到信号的时域值，由此提取所述反射信号的时域值而没有所述直接路径的泄漏；以及

执行复相关以提取所述反射信号的行进时间。

45.如前述任一项权利要求所述的系统，其用于包括以下各项的应用组中的一个成员：对象存在性检测、光标操纵、多对象跟踪、音乐键盘、以及与软屏幕的跟踪交互。

46.一种用于小空间定位的系统，包括：

至少三个发射元件，每个发射元件配置成发射经调制连续波形；

中央控制器，用于提供每个发射元件处的信号之间的受控延迟以提供波束转向，以便接收来自期望方向的反射，由此提供围绕所述发射元件的三维定位。

47.一种用于小空间定位的方法，包括：

从固定位置发射经调制连续波，其中所述经调制连续波包括连续载波信号部分和调制到所述载波信号部分上的基带信号，所述发射是发射到在其中可能出现要定位的对象的范围中；

接收由发射设备发射并由对象反射的信号；以及

根据对从所述对象反射的所述载波信号部分和所述基带信号两者的分析来确定所述对象的位置。

48.一种用于小空间定位的方法，包括：

从第一固定位置发射经调制连续波，其中所述经调制连续波包括连续载波信号部分和调制到所述载波信号部分上的基带信号，所述发射是发射到在其中可能出现要定位的对象的范围中；

在第二固定位置处接收由发射设备发射并由对象反射的信号；以及

根据对来自所述对象的所述反射的分析来确定所述对象的位置。

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