CN105518481A

CN105518481A - 用于识别对象并探测对象的射程的方法及系统

Info

Publication number: CN105518481A
Application number: CN201480044205.8A
Authority: CN
Inventors: 塔吉德尔·曼库
Original assignee: Tag Comm Inc
Current assignee: DRNC HOLDING Co Ltd
Priority date: 2013-08-16
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2034-02-27
Also published as: EP3033635A4; EP3033635B1; KR20160030309A; CN110286369A; EP3033635A1; KR101891901B1; US20150048966A1; US9709672B2; CN105518481B; WO2015021526A1; JP2016530512A; US20170276784A1

Abstract

一种用于对无线设备进行识别和测距的方法，包括：从检测系统发射原始雷达信号；响应于原始雷达信号在检测系统处接收调制的雷达信号，调制的雷达信号由无线设备的天线反向散射且包含与无线设备相关的信息，并且调制的雷达信号为原始雷达信号的频率偏移版本；以及，利用检测系统上的处理器根据调制的雷达信号来确定无线设备的身份和射程。

Description

用于识别对象并探测对象的射程的方法及系统

本申请要求于2013年8月16日提交的美国临时专利申请No.61/866,687的优先权，其中该文献通过引用结合到本文中，并且本申请还要求于2014年2月21日提交的美国专利申请No.14/186,454的优先权，其中该文献通过引用结合到本文中。

技术领域

本发明涉及射频识别和射程探测系统的领域，更具体地，涉及一种用于识别对象并探测对象的射程的方法及系统。

背景技术

射频识别(“RFID”)系统已经在许多应用中变得非常流行。图1示出了典型的RFID系统100。RFID系统100包括应用系统110、读取器120和标签130。当标签130出现在读取器120的操作范围内时，标签130经由自身的天线133开始接收由读取器经由自身的发射器/接收器121和天线123发射的能量140和数据150。标签130中的整流电路131收集并存储能量140，以为标签130中的其它电路(例如控制/调制器132)供电。在收集到足够能量140之后，标签130可以对预先存储的数据进行操作并将其发送回读取器120。然后，读取器120经由通信接口160将所接收的响应数据传递给应用系统110的服务器系统/数据库111，用于系统应用。

可根据标签的功率供应将RFID系统100中的标签130分类成无源型和有源型。无源标签其自身不具有电源并因此借助经由标签天线133所接收的电磁能量来从读取器120汲取所需的全部功率。相比之下，有源标签则包括能供应其操作所需的全部或部分功率的电池。

在RFID系统100中，读取器120与标签130之间的能量140及数据150的典型传输方法采用反向散射耦合(或反向散射)的方式进行。读取器120的天线123将能量140耦合至标签130上。通过调制标签的天线133的反射系数，使得可以在标签130与读取器120之间传输数据150。如图2所示，反向散射通常使用在微波频带RFID系统中。功率P_输入210从读取器天线123发射出。P_输入210的一小部分由标签天线133所接收，并且经整流之后为标签130中充当电源的存储电容器充电。在聚集了足够的能量之后，标签130开始工作。输入功率P_输入210的一部分由标签天线133所反射，并返回作为功率P_返回220。通过改变连接到天线133的负载可以影响反射特性。为了从标签130向读取器120传输数据150，例如，可以根据所传输的数据流的时间来开启和关闭晶体管。反射功率P_返回220的幅度可因此由读取器天线123来调制和提取。

如图3所示，在反向散射RFID系统中，多个标签130与主读取器120进行交互。读取器130用于：(i)经由RF信号的功率来对标签130供电；(ii)将数据传输给标签130；以及(iii)从标签130读取信息。幅移键控(“ASK”)调制通常使用在RFID系统100中。在ASK调制中，载波的振幅在通过二进制传输码序列所控制的两个状态之间进行切换。此外，在一些应用中还使用相移键控(“PSK”)调制。

现有的RFID系统的一个问题在于，该系统针对对标签或对象进行测距或确定标签或对象的射程或位置的能力有限。

因此，需要一种改进的用于识别对象并探测对象的射程的方法及系统。因此，期望一种能至少部分地解决上述及其它缺点的技术方案。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于对无线设备进行识别和测距的方法，其包括：从检测系统发射原始雷达信号；响应原始雷达信号，在检测系统处接收调制的雷达信号，调制的雷达信号由无线设备的天线反向散射并包含与无线设备相关的信息，并且调制雷达信号为原始雷达信号的频率偏移版本；以及，利用检测系统上的处理器来根据调制雷达信号确定无线设备的身份和射程。

根据本发明的其它方面，还提供了一种诸如数据处理系统的设备、与之适应的方法、以及其上记录有或存储有用于实施本发明的方法的程序指令的计算机可读介质或产品以及计算机程序产品或软件产品(例如，包括非暂时性介质)等制品。

附图说明

通过结合附图，并根据下文的详细描述本发明实施例的特征及优点将变得更为明显，附图中：

图1是用于说明根据现有技术的射频识别(RFID)系统的框图；

图2是用于说明在根据现有技术的RFID系统中读取器与标签之间的能量传输及数据传输的框图；

图3是用于说明在根据现有技术的RFID系统中读取器与多个标签之间的通信的框图；

图4是用于说明根据本发明的实施例的数据处理系统的框图；

图5是用于说明根据本发明实施例的采用偏移反向散射的基于雷达的识别和测距系统的框图；

图6是用于说明根据本发明实施例的采用偏移反向散射的基于单边带雷达的识别和测距系统的框图；

图7是用于说明根据本发明实施例的采用啁啾信号的基于雷达的识别和测距系统的框图；

图8是用于说明根据本发明实施例的采用正弦波信号的基于雷达的识别和测距系统的框图；以及，

图9是用于说明在根据本发明实施例的用于对无线设备进行识别和测距的检测系统内的模块的操作的流程图。

应当注意，在整个附图中类似特征以类似附图标记标示。

具体实施方式

在下文描述中，将对细节加以说明以提供对本发明的理解。在一些实例中，没有详细描述或示出某些软件、电路、结构、技术和方法，以便不对本发明造成干扰。术语“数据处理系统”在本文中是指包括这里所描述的计算机系统、检测系统、无线设备、射频识别(“RFID”)系统、雷达系统和网络配置在内的任何用于处理数据的机器。在数据处理系统的操作系统提供了可支持本发明需求的设施的情况下，本发明可以任何计算机编程语言来实现。存在的任何限制将是由于特定类型的操作系统或计算机编程语言所导致的，而这并不对本发明造成限制。本发明还可通过硬件或软、硬件结合的方式来实现。

图4是用于说明根据本发明的实施例的数据处理系统300的框图。数据处理系统300适于用于RFID系统(例如100,110)中，RFID系统例如为作为读取器(例如120)或检测系统520和/或作为标签(例如130)、对象或无线设备530的基于雷达的识别和测距系统500。如下所述，数据处理系统300还适于结合图形用户界面(“GUI”)来生成、显示和调整演示。数据处理系统300可以是客户端/服务器系统中的客户端和/或服务器。例如，数据处理系统300可以是服务器系统或个人计算机(“PC”)系统。数据处理系统300还可以是无线设备或其它移动、便携或手持设备。数据处理系统300包括输入设备310、中央处理单元(“CPU”)320、存储器330、显示器340和接口设备350。输入设备310可包括键盘、鼠标、追踪球、触敏面或屏幕、位置追踪设备、眼睛追踪设备或类似设备。显示器340可包括计算机屏幕、电视屏幕、显示器屏幕、终端设备、触敏显示面或屏幕、或者诸如打印机或绘图机的生成硬拷贝的输出设备。存储器330可包括多种存储设备，其包括如本领域技术人员所理解地通常设置在分级存储器中的内部存储器和外部存储器。例如，存储器330可包括数据库、随机存取存储器(“RAM”)、只读存储器(“ROM”)、闪速存储器和/或磁盘设备。接口设备350可包括一个或多个网络连接。数据处理系统300可适于经由接口设备350通过网络351来与其它数据处理系统(例如，类似于数据处理系统300)进行通信。例如，接口设备350可包括连接至诸如互联网和/或另一个有线或无线网络(例如无线局域网(“WLAN”)、蜂窝电话网等)的网络351的接口。因此，接口350可包括合适的发射器、接收器、天线(例如523,533)等。此外，数据处理系统300可包括全球定位系统(“GPS”)接收器。因此，数据处理系统300可通过网络351连接其它数据处理系统。CPU320可包括或可操作地耦合至专用协处理器、存储设备或其它硬件模块321。CPU320可操作地耦合至存储有用于综合管理系统300的操作系统(例如331)的存储器330。CPU320可操作地耦合至用于接收用户的指令或查询并用于将这些指令或查询的结果在显示器340上显示给用户的输入设备310。还可以经由接口设备350来接收指令和查询，并经由接口设备350来传输结果。数据处理系统300可包括用于存储数据和程序信息的数据库系统332(或存储器)。数据库系统332可包括数据库管理系统(例如332)和数据库(例如332)，并可存储在数据处理系统300的存储器330中。一般来讲，数据处理系统300将表示指令序列的数据存储在其中，执行指令序列可实现本文所描述的方法。当然，数据处理系统300可包含附加的软件和硬件，对附加的软件和硬件进行描述对于理解本发明来说是非必要的。

因此，数据处理系统300包括用于引导系统300实施本发明的实施例的计算机可执行的程序指令。程序指令可体现在一个或多个硬件模块321或常驻于数据处理系统300或别处(例如320)的存储器330中的软件模块331中。可选地，程序指令可体现在可用于将程序指令传输到数据处理系统300的存储器330中的计算机可读介质或产品(例如记忆棒、压缩光盘(“CD”)等)中。可选地，程序指令可嵌入至计算机可读信号中或者信号承载介质或产品中，计算机可读信号或者信号承载介质或产品由程序指令的售货商或供应商上传至网络351，并且计算机可读信号或者信号承载介质由终端用户或潜在买家通过接口(例如350)从网络351下载到数据处理系统300中。

用户可利用诸如图形用户界面(“GUI”)380的用户界面(和相关的模块321,331)来与数据处理系统300及其硬件模块和软件模块321,331进行交互。GUI380可用于监控、管理和访问数据处理系统300。GUI支持常见的操作系统，并提供了使用户能通过利用输入设备310(例如鼠标)从菜单栏里选择被认为是图标或选项的图形表示来选择指令、执行应用程序、管理计算机文件并实现其它功能的显示形式。一般来讲，GUI用于向用户传达信息并接收来自用户的指令，GUI通常包括多种GUI对象或控件，GUI对象或控件包括图标、工具栏、下拉菜单、文本、对话框、按钮等。用户通常通过使用输入设备(例如鼠标)310将指针或光标390定位在物体(例如图标)391上并在物体391上“点击”来与呈现在显示器340上的GUI380进行交互。通常，基于GUI的系统在出现在显示器340上的一个或多个“窗口”中向用户呈现应用、系统状态和其它信息。窗口392为在显示器340内的大致的矩形区域，用户可在矩形区域中查看应用或文档。这样的窗口392可被打开、关闭、全屏显示、缩小至图标、放大或缩小尺寸、或者移动至显示器340的不同区域。可同时显示多个窗口，例如：窗口包含在其它窗口内、窗口与其它窗口重叠、或者窗口平铺在显示区域内。

图5是用于说明根据本发明实施例的采用偏移反向散射的基于雷达的识别和测距系统500的框图。另外，图6是用于说明根据本发明实施例的采用偏移反向散射的基于单边带雷达的识别和测距系统500的框图。

根据本发明的一个实施例，识别和测距系统500包括雷达检测设备、读取器或系统520以及对象、标签或无线设备530。每个检测系统520和无线设备530可包括或具有与数据处理系统300类似的配置。根据一个实施例，检测系统520可以是另一个无线设备530或者可包含在另一个无线设备530中。

本发明提供了一种用于采用雷达技术来确定无线设备的射程560和位置的方法及系统。无线设备530向检测系统520反射回或反向散射唯一的频率偏移信号550。本发明使无线设备530能在对系统500进行测距或定位过程中反向散射身份(“ID”)签名(例如受控的偏移频率)。

根据一个实施例，检测系统520上的雷达天线523产生(或发出或发射)以频率f_雷达为中心的电磁波540。无线设备530散射回相对于频率f_雷达偏移了频率f_c和/或–f_c的电磁波550。

然后，检测系统520的雷达天线523接收或感测偏移至频率f_雷达+f_c(和针对图5的系统500偏移到f_雷达-f_c，或者针对图6的单边带系统500偏移到f_雷达-f_c)的反向散射的波或信号550。然后，检测系统520可通过采用诸如功率测量等技术，来确定反向散射的无线设备530的射程560或位置。

关于功率测量，返回至检测系统520的接收天线523的功率P_r由下式给出：

P_{r} = \frac{P_{t} G_{t} A_{r} {σF}^{4}}{{(4 π)}^{2} R^{4}}

其中，P_t为检测系统520的发射器的发射功率，G_t为检测系统的发射天线523的增益，A_r为无线设备530的接收天线533的有效孔径，σ为雷达截面，F为方向图传播，R为检测系统520与无线设备530之间的射程560或距离。考虑到所接收的功率P_r相对于发射信号540发生了频率偏移，由于反向散射信号550偏移了频率f_c，因此所接收到的功率P_r并未经历其自身的直流(“DC”)偏移。

根据一个实施例，使用来自检测系统520的调制连续波信号540。多种调制方式是可行的。用于基于雷达的系统的多种调制信号包括：正弦波；锯齿波；三角波；方波；以及啁啾信号。

图7是用于说明根据本发明实施例的采用啁啾信号的基于雷达的识别和测距系统500的框图。在图7的实施例中，由检测系统520生成调制原始信号(例如啁啾信号)540。然后由进行反向散射的无线设备530对调制信号540进行偏移550。在此实施例中，可采用连续波雷达技术(例如，参见Luck,DavidG.C.,“FrequencyModulatedRadar”,McGraw-Hill,NewYork,N.Y.,1949,466页，其通过引用并入本文)。在此实施中，由于由检测系统520接收的信号550偏移了频率f_c，则可使用或采用在全双工系统中所用的技术来减少从发射器到检测系统520的接收器的泄露。例如，可使用SAW型双工器来使发射器与接收器隔离。

根据一个实施例，可在系统500中使用线性啁啾信号(即锯齿频率调制信号)。在此实施例中，可以应用以下一组等式：

k＝Δf_r/Δt_雷达

其中，Δf_r为雷达频率扫描量，Δt_雷达为扫描频率所需的时间。在检测系统520处接收到的信号的瞬时频率差由下式给出：

Δf＝δt*k+f_c

其中，δt为往返传输时间，f_c为频率偏移量。无线设备530的相对间隔或射程560则由下式给出：

射程＝cδt/2

其中c为光速。

图8是用于说明根据本发明实施例的采用正弦波信号的基于雷达的识别和测距系统500的框图。在图8的实施例中，检测系统520发射正弦波信号540，进行反向散射的无线设备530发送偏移了频率f_c的调制信号550。如果采用正弦频率调制，则由于调制波形是连续的(即，没有如一些雷达系统中使用的脉冲调制)，因此接收器不需要停止处理传入的信号。在此实施例中，由承载在所接收到的信号上的调制导致的频谱扩散量正比于至反射对象或无线设备530的射程560或距离。例如，针对频率调制(“FM”)信号y(t)的时域等式由下式给出：

y(t)＝cos(2πf(t)t)

其中，

f(t)＝f_rf+Bcos(2πf_mt)

其中，B为调制指数，f_m为调制频率，f_rf为射频(“RF”)载波频率。到达无线设备530的天线533处的信号由下式给出：

cos[2πf(t+δt/2)(t+δt/2)]

其中，δt为时间延迟。根据下式对从无线设备530返回的信号550进行频率偏移和时间延迟：

cos[2πf(t+δt)(t+δt)+2πf_ct+φ]

其中，f_c为偏移频率，t为时间延迟，φ为由于无线设备530的相位误差。注意，还存在频率的偏移量f_c。检测系统520则利用其最初发送的原始信号540向下传输所接收的信号550。例如，采用“Carsonbandwidthrule”(参见Carson,J.R.,"NotesontheTheoryofModulation",Proc.IRE,vol.10,no.1,1922年2月,pp.57-64,其通过引用并入本文)，得到加载到信号上的扩散量：

调制_频谱_扩散＝2(B+1)f_msin(δt)

因此，无线设备530的射程560由下式给出：

射程＝cδt/2

其中，c为光速。

根据一个实施例，检测系统520发射原始信号540，无线设备530响应于原始信号540反向散射作为原始信号540的频率偏移(f_c)版本的调制信号550。例如，在于2014年2月16日公开的、通过引用并入本文的美国专利申请公开文件No.US2014/0016719A1中，描述了对频率偏移调制信号550的反向散射。与标准雷达系统不同的是，根据本发明，无线设备530对传入的雷达信号540进行反向散射和偏移。根据一个实施例，对反向散射信号550的频率进行偏移，还进行了调制。根据另一个实施例，偏移频率f_c随时间变化(即，这与啁啾信号相类似)。注意，针对普遍实现，无线设备530可反射回任何调制的和/或经频率偏移的信号550。

通过上述实施例可得到一种用于识别对象530并探测对象530的射程560的改进方法和系统，并且可提供一个或多个优点。例如，系统500既可用于识别物体(例如无线设备)530，也可用于探测物体(例如无线设备)530的射程560。

可借助流程图来概述上述方法的方面。

图9是用于说明在根据本发明实施例的用于对无线设备530进行识别和测距的检测系统(例如300,520)内的模块(例如软件模块或硬件模块331,321)的操作900的流程图。

在步骤901中，操作900开始。

在步骤902中，从检测系统520发射原始雷达信号540。

在步骤903中，响应原始雷达信号540在检测系统520处接收调制的雷达信号550，调制的雷达信号550由无线设备530的天线533反向散射并包含与无线设备530相关的信息，调制的雷达信号550是原始雷达信号540的频率偏移(例如f_c)版本。

在步骤904中，利用检测系统520上的处理器320，从调制雷达信号550中确定无线设备530的身份和射程560。

在步骤905中，操作900结束。

上述方法还可包括：在检测系统520处测量调制的雷达信号550的功率，调制的雷达信号550的功率与无线设备530的射程560的四次方成反比。该方法还可包括：测量原始雷达信号540与调制雷达信号550之间的时间延迟，无线设备530的射程560与时间延迟成反比。身份可以是包含在与无线设备530相关的信息中的标识号。原始雷达信号540可以是正弦波、锯齿波、三角波、方波和啁啾信号中的一种。调制雷达信号550可以是正弦波、锯齿波、三角波、方波和啁啾信号中的一种。射程560可以是检测系统520与无线设备530之间的距离。无线设备530可以是射频识别(“RFID”)标签。检测系统520可以是射频识别(“RFID”)读取器。并且，检测系统520可以是另一个无线设备，或者包含在另一个无线设备中。

根据一个实施例，上述步骤901-905中的每个步骤可由各自的软件模块331实施。根据另一个实施例，上述步骤901-905中的每个步骤可由各自的硬件模块321实施。根据另一个实施例，上述步骤901-905中的每个步骤可由软件331和硬件模块321的组合实施。例如，图9可表示用于说明在数据处理系统300中具体的硬件模块901-905(全体地321)之间的相互连接的框图，每个硬件模块901-905适于或者配置为实施本发明的方法的各个步骤。

虽然本发明首先讨论的是方法，但是本领域的普通技术人员应当理解，可对上面讨论的关于数据处理系统300的设备进行编程，以实施本发明的方法。此外，与数据处理系统300一起使用的制品(例如，预录的存储设备或者包括记录在其上的程序指令的其它类似的计算机可读介质或产品)，可引导数据处理系统300促进本发明的方法的实施。可以理解的是，这样的设备和制品也落入本发明的范围之内。

具体地，指令序列(执行该指令序列可使数据处理系统300实现本文所述的方法)可包含在根据本发明的一个实施例的数据承载产品中。可将该数据承载产品载入数据处理系统300中，并由数据处理系统300运行。另外，指令序列(执行该指令序列可使数据处理系统300实现本文所述的方法)可包含在根据本发明的一个实施例的计算机程序产品或软件产品(例如，包括非暂时性介质)中。可将该计算机程序或软件产品载入数据处理系统300中，并由数据处理系统300运行。再有，指令序列(执行该指令序列可使数据处理系统300实现本文所述的方法)可包含在根据本发明的一个实施例的可包括协处理器或存储器的集成电路产品(例如硬件模块或模块321)中。可将该集成电路产品安装在数据处理系统300中。

本发明的上述实施例仅用于举例。本领域技术人员应当理解，可以对这些实施例做出细节上的各种变型，所有这些均落入本发明的范围之内。

Claims

1.一种用于对无线设备进行识别和测距的方法，包括：

从检测系统发射原始雷达信号；

响应所述原始雷达信号，在所述检测系统处接收调制的雷达信号，所述调制的雷达信号由所述无线设备的天线反向散射且包含与所述无线设备相关的信息，并且所述调制的雷达信号为所述原始雷达信号的频率偏移版本；以及，

利用所述检测系统上的处理器，根据所述调制的雷达信号确定所述无线设备的身份和射程。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：在所述检测系统处测量调制的雷达信号的功率，所述调制的雷达信号的功率与所述无线设备的射程的四次方成反比。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括：测量所述原始雷达信号与所述调制雷达信号之间的时间延迟，所述无线设备的射程与所述时间延迟成反比。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述身份为包含在与所述无线设备相关的信息中的标识号。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述原始雷达信号为正弦波、锯齿波、三角波、方波和啁啾信号中的一种。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述调制的雷达信号为正弦波、锯齿波、三角波、方波和啁啾信号中的一种。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述射程为所述检测系统与所述无线设备之间的距离。

8.根据权利要求1所述方法，其中，所述无线设备为射频识别RFID标签。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述检测系统为射频识别RFID读取器。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述检测系统为另一个无线设备，或者包括在另一个无线设备中。

11.一种用于对无线设备进行识别和测距的系统，包括：

耦合至存储器、发射器和接收器的处理器；以及，

在所述存储器内并由所述处理器控制或执行的硬件模块和软件模块中的至少一个，所述模块包括：

用于控制所述发射器从所述系统发射原始雷达信号的模块；

用于响应于所述原始雷达信号控制所述接收器接收调制的雷达信号的模块，所述调制的雷达信号由所述无线设备的天线反向散射且包含与所述无线设备相关的信息，并且所述调制的雷达信号为所述原始雷达信号的频率偏移版本；以及，

用于根据所述调制雷达信号确定所述无线设备的身份和射程的模块。

12.根据权利要求11所述的系统，还包括：用于在所述系统处测量调制的雷达信号的功率的模块，所述调制的雷达信号的功率与所述无线设备的射程的四次方成反比。

13.根据权利要求11所述的系统，还包括：用于测量所述原始雷达信号与所述调制的雷达信号之间的时间延迟的模块，所述无线设备的射程与所述时间延迟成反比。

14.根据权利要求11所述的系统，其中，所述身份为包含在与所述无线设备相关的信息中的标识号。

15.根据权利要求11所述的系统，其中，所述原始雷达信号为正弦波、锯齿波、三角波、方波和啁啾信号中的一种。

16.根据权利要求11所述的系统，其中，所述调制雷达信号为正弦波、锯齿波、三角波、方波和啁啾信号中的一种。

17.根据权利要求11所述的系统，其中，所述射程为检测系统与所述无线设备之间的距离。

18.根据权利要求11所述的系统，其中，所述无线设备为射频识别RFID标签。

19.根据权利要求11所述的系统，其中，所述系统为射频识别RFID读取器。

20.根据权利要求11所述的系统，其中，所述系统为另一个无线设备，或者包括在另一个无线设备中。