CN105873822A - 单程飞行时间距离测量 - Google Patents

Abstract

通过由第一天线发射宽带信号、由第二天线接收发射宽带信号并且比较在发射和接收信号之间的时间延迟来确定相对于一个或多个点的距离和/或定位。第一和第二天线连接到定时器/处理器单元。第一或第二天线中的一个或多个可移动到待测量的未知定位，但是通过固定或已知延迟的通信链路来维持与定时器/处理器的连接。定时器/处理器包含用于生成发射信号的时基以及用于测量接收信号的时间延迟的偏移定时器。接收信号可以被处理以确定开始时间或前沿，其可以解决RF循环以及调制带宽模糊性并且可以允许比操作中心频率处的波长短得多的距离的明确确定。

Description

单程飞行时间距离测量

相关申请

本申请是Dewberry等人于2014年9月5日提交的题为“One Way Time of FlightDistance Measurement”的US 14479236的PCT申请，14479236要求Dewberry等人于2013年9月6日提交的题为“One Way Time of Flight Distance Measurement”的美国临时申请61/847,963在35 USC 119(e)下的权益，所述美国临时申请通过引用以其全部并入本文中；14479236是Dewberry等人于2013年4月26日提交的题为“High Capacity Ranging UsingDirect-path Signal Strength”的申请13/872,030的部分继续，所述申请13/872,030是Dewberry于2012年4月26日提交的题为：“High Capacity Ranging Network Using Ultra-Wideband Direct-path Pulse Signal Strength with Dynamic Recalibration”的临时申请61/639,056的非临时申请；13/872,030也是Dewberry等人于2013年1月18日提交的题为“Distance Measuring Quality Factor Using Signal Characterization”的申请13/745,700的部分继续，所述申请13/745,700是Dewberry等人于2012年1月18日提交的题为“Distance Measuring Error Variance Using Signal Characterization”的临时申请61/587,912的非临时申请。以上引用的专利文献通过引用以其全部被并入本文中。

技术领域

本公开内容一般地关于通过信号传播的距离测量的领域，更特别地关于用于勘测和工业应用的高精度测量。

背景技术

在构造、制造和勘测方面存在准确地测量通过非金属材料的距离的需要，所述非金属材料诸如用于建筑物构造或用于大型机械设备中的结构支撑的那些。本发明可以用于静态勘测、在测试和操作期间的弯曲移动或屈曲（flexture）的动态测量，或者当大量使用时，用于精确动态定位。

链接屈曲和/或末端效应器（effector）位置的直接测量可以使得能够实现在工业过程中使用较轻重量的构造和较快的动态性（dynamics）。

发明内容

本公开内容一般地关于一种用于确定相对于一个或多个点的距离和/或定位的系统和方法，这通过由第一天线发射宽带信号，由第二天线对发射宽带信号进行接收以及比较所发射和所接收的信号之间的时间延迟。第一和第二天线连接到定时器/处理器单元。第一或第二天线中的一个或多个可移动到待测量的未知定位或位移，但是通过具有已知或可确定的、优选稳定的时间延迟的通信链路而维持与定时器/处理器的通信。通信链路可以典型地是柔性传输线、线缆、光纤或波导，其在存在线缆端部的相对运动的情况下维持恒定的电气长度（时间延迟）。通信链路还可以包括动态测量的RF、声学或光学链路。定时器/处理器包含用于生成发射信号的时基和用于测量接收信号的时间延迟的偏移定时器。接收信号可以被处理以确定信号能量或前沿的精确的到达时间，其解决RF循环和调制带宽模糊性并且允许比操作中心频率处的单个波长短得多的距离的明确确定。

宽带是指具有在两个天线之间的距离上具有多于一个循环的通过介质的对应波长的调制带宽的信号。因而，可能存在关于正接收调制的哪个循环的潜在模糊性。另外，受限的调制带宽贡献于对于确定当尤其是在反射表面存在的情况下确定从发射信号定时的时间延迟时正接收RF信号的哪个循环的难度或无能为力。根据本系统的一个或多个变型，可以克服循环模糊性，这允许距离的分辨率小于通过介质的RF中心频率的波长。

在一个变型中，作为扫描接收器来操作接收器和偏移定时器。扫描接收器在偏移时间范围上在多个偏移时间处进行接收并且生成表示在所述偏移时间范围上的接收信号的扫描数据集。从发射信号的时间来测量偏移时间。可以针对与精确定时和多径（multipath）信号的拒绝有关的特性来分析扫描数据集。可以通过隔离信号脉冲（pulse）的前沿来针对使得能够标识最早信号返回时间的特性来分析扫描数据集。另外，传播路径的频率选择性吸收特性（如果已知或被测量的话）可以用于改善复杂非视线RF信道中的信号的到达时间估计的准确性。

本系统关于一种无线电技术，其通过测量在连接到相同基础收发器的天线之间发射和接收的RF信号的发射时间和到达时间之间的差异。在各种实施例中，RF信号可以是冲击（impulse）超宽带（UWB）或经频率调制的连续波信号。系统可以使用其他的现象学作为基础，诸如光学或声学信令。系统允许对收发器电子装置的单个中央集合所测量的发射和接收之间的时间差异的精确测量。

在UWB实施例中，基础收发器发射RF脉冲，所述RF脉冲通过短或长的线缆而传播到发射天线。所发射的脉冲然后可以通过环境中的任何RF半透明材料（诸如空气、木材、纤维板、塑料、环氧树脂等）而传播。环境可以是干净的或可以包括反射器或吸收器，所述反射器或吸收器在多径杂波存在的情况下产生具有未知幅度的接收信号。RF信号由接收天线元件捕获，所述接收天线元件可以随着测试下的设备移动或可以被手动放置在某个位置处并且针对静态距离勘测而求平均。接收天线连接到线缆，所述线缆将RF能量传播回到发源的收发器。收发器在未知、通常频率选择性的衰减和多径杂波存在的情况下相对于发射时间测量接收信号的到达时间。发射和接收之间的时间差异，除去线缆长度（通过校准而找到），乘以通过介质的RF的速度（经常假定为恒定），构成了距离测量。

在一个变型中，接收器是基于相关性的扫描接收器，其被配置成确定所接收的宽带信号的前沿以确定时间差异。

在一个变型中，前沿处理被设置成拒绝由于其通过RF信道的较长路径长度（相对于直接路径）所引起的时间上延迟到达的多径反射信号。因而，从环境中的附近对象的具有大于1/2波长、长于主路径的路径长度的反射可以被忽略并且将对距离测量没有影响；然而，窄带信号将会很可能接收来自这些信号的干扰。例如，具有2GHz带宽的典型UWB具有其大约4.5cm的路径长度差异。

各种实施例和特征可以包括但不限于：

1) 第一天线接收而第二天线发射，即发射和接收功能可以针对给定几何结构而反转；

2) 可以使用光学或声学发射和接收，而不是RF发射和接收。

3) 窄带RF调制（即频率、相位或幅度调制）可以用作发射和接收定时事件。然而，较窄的带宽可以使定时以及距离误差变长。

4) 可以代替冲击发射而使用频率调制连续波（FMCW）和“啁啾”发射和接收。

在另外的变型中，系统可以包括一个发射天线和在各种位置处的多个同时接收天线以用于三边测量定位。在定位架构的另一变型中，一个接收天线和由时间或码分离的多个发射源用于三边测量定位。

在一个变型中，提供了一种路程监视系统，所述系统包括：

第一天线元件，其位于测试下的设备的移动端部处；

第二天线元件，其位于朝向测试下的设备的静态端部，所述第一天线元件与第二天线元件间隔开；以及

收发器，

其中收发器可操作成基于在第一和第二天线之间传输的信号的飞行时间来计算在第一天线的位置和第二天线的位置之间的路程/距离，

其中用于第一天线的发射器将位于静态参考点附近。

由于天线驱动器或发射器可以位于与第一天线间隔开，因此这移除了对于向测量系统的动态侧提供的相对复杂的电路的需要。飞行时间是单程飞行时间，即对于信号从第一天线通过所测量的RF信号传播并且稍后在第二天线处被接收的时间。

发射器可以通过第一（优选有线的）通信链路而耦合到第一天线，并且接收器通过第二通信链路而耦合到第二天线，其中第一通信链路的传播延迟和第二通信链路的传播延迟通过先前的校准而已知，或者如果从测量到测量的增量（delta）时间/距离是期望的则被忽略。收发器可操作成测量在从发射器发送信号和信号到达接收器处之间的时间T，和/或从一个测量到下一个测量的增量时间dT。

由于反射路径（多径信号）比直接路径长，所以接收的第一、最直接的能量信号的到达时间（TOA）的精确测量，减去由于有线链路所引起的静态偏置，并且乘以传播速度，产生准确的距离测量。

收发器可以进一步可操作成从所测量的时间T中减去第一通信链路的传播延迟以及第二通信链路的传播延迟，以找到在第一和第二天线之间传输的信号的飞行时间。

收发器可以进一步可操作成将第一和第二天线之间传输的信号的飞行时间乘以所传输的信号的速度来确定第一天线和第二天线之间的距离。

发射器可以位于邻近于第二天线或紧密接近第二天线，以最小化从天线驱动器处的信号的初始生成到由第一天线对所传输的信号的最终接收的传输长度。

发射器和/或接收器可以与第二天线的位置间隔开，以最小化将定位在距离测量的动态侧上的路程监视系统的组件数目和功率要求。

当柔性链路的两侧都在移动时，本系统也可以是有益的，并且端点之间的精确动态距离指示构件的屈曲。

第一和/或第二通信链路可以包括物理通信链路，例如传输线或线缆、诸如RF线缆、同轴线缆、波导、带状线、光纤或其它物理通信链路。

第一线缆和/或第二线缆或其它通信链路可以被适配用于在存在所述第一天线位置相对于所述第二天线位置的相对运动的情况下维持固定长度。柔性线缆可以具有松弛、弯曲、曲线、线圈或其它技术以允许运动而不改变线缆的长度以及因而线缆的功能RF传播时间。

在一个变型中，将在第一和第二天线之间传输的信号可以包括脉冲信号并且收发器可以发送多个脉冲以通过相干信号整合来形成较高保真度的接收信号。

在一个变型中，接收器、发射器、信号处理和控制组件可以被提供为单个模块（例如收发器模块、发射器-接收器模块）的部分。附加地或可替换地，信号处理器和控制器可以与接收器和/或发射器集成，或者可以被提供为分离的信号处理和控制模块的部分。

距离测量的准确性典型地受发射器和接收器之间的同步精度所影响。通过提供单个时钟信号来同步发射器和接收器，在发起将由第一天线发射的信号的触发事件和接收器处信号的到达的测量事件之间的时间的测量的准确性得以增加。这导致在第一和第二天线之间的路程测量的增加的准确性。优选地，通过使用单个时钟晶体和单个事件触发电路来同步发射器和接收器，这可以大大降低时钟抖动对系统的影响。

可以通过被布置成生成用于发射信号生成和接收信号采样二者的同步精确事件触发的任何合适的模块或电路（例如，发射器模块、接收器模块、收发器模块、发射器-接收器模块、控制器模块、专用时钟生成器等等）来提供单个时钟。

在可替换的配置中，接收器和发射器的位置可以反转，即，使得位于动态系统的静态侧附近的第二天线耦合到发射器以将信号发射到位于朝向动态侧的第一天线，所述信号然后经由第一通信链路而发送到接收器。然后可以基于从第二天线向第一天线发射的信号的飞行时间来计算第一和第二天线之间的距离。在另外的方面中，系统可以被配置使得发射器被提供为可切换的发射器/接收器模块，其中相关联的天线可以被配置成基于模块选择而发射或接收。

进一步提供了一种用于对如所描述的用以测量测试下的设备的两个点之间的距离的路程监视系统进行操作的方法。

特别地，提供了一种用于路程监视的方法，所述方法包括以下步骤：

朝向测试下的设备上的第一位置而提供第一天线；

朝向测试下的设备上的第二位置而提供第二天线，所述第一天线将与第二天线间隔开；

提供与第一天线相关联的发射器或接收器或发射器-接收器或收发器；

在第一天线和第二天线之间传输信号；以及

基于在第一和第二天线之间传输的信号的飞行时间来计算在第一天线的位置和第二天线的位置之间的路程，

其中与第一天线相关联的发射器或接收器或发射器-接收器或收发器与第一天线间隔开，优选地位于朝向测试下的设备上的第一位置，优选地位于具有充足容积和功率源的静态侧中。

发射器优选地通过较长的有线通信信道而被连接，以允许发射器使用较高的功率来克服线缆损耗，从而允许在发射天线处的最大化的经调节的发射功率。

发射侧还可以被选择成嵌入在测试下的设备内部，以便减少测量系统的自由空间发射。

所述方法还可以包括以下步骤：

提供与第二天线相关联的相应的发射器或接收器或发射器-接收器或收发器，以及

将与相应的第一和第二天线相关联的相应的发射器或接收器或发射器-接收器或收发器同步到单个时钟。

在另外的变型中，所述方法还可以包括以下步骤：

应用扫描接收器扫描窗口以针对信号接收而进行监视。

使用扫描窗口允许减少获取接收信号所花费的时间。因此，能够有针对路程监视系统的待处理的数据量方面的减少，从而导致更快速和/或更准确的路程监视系统。这样的扫描窗口可以由如上所述的设备的路程监视系统的控制器来应用，或者可以被应用为分离的信号处理模块的部分。

扫描窗口可以具有可配置的持续时间和采样分辨率。可以在发射触发事件之后的可配置的开始时间处应用扫描窗口。可以基于通信链路的传播延迟和基于在测试下的设备或测量路径基础上的直接路径能量延迟的最大动态性的知识来配置扫描窗口开始和停止时间。

直接采样的扫描窗口的时间分辨率可以被配置以便最大化信号飞行时间测量准确性而同时最小化对于每个距离测量所需的持续时间。在动态过程控制应用中，小的持续时间和快速的更新速率是特别重要的。

在另外的方面中，沿着测试下的设备的多个天线，其与多个扫描窗口相组合，在时间上延迟以围绕返回信号并且具有充足的跨度来覆盖距离动态的完整范围，将允许利用单个发射信号的同时距离测量。

校准

对于一些应用而言，可能没有必要测量总延迟。仅仅测量天线之间延迟方面的相对改变可能是足够的。例如，控制系统可以仅通过确保时间延迟保持固定来成功地操作。换言之，控制系统可以提供一种响应于时间延迟测量而操作的反馈控制机制。如果时间延迟增加，则控制实现减少延迟的某种改变。如果延迟减少，则控制实现相反的改变。

可替换地，可能期望的是知道天线之间的绝对距离。在这样的情况下，可能有益的是不仅知道从一个天线到另一个天线的行进时间，而且还知道剩余的系统延迟。例如，一些系统延迟可以包括但不限于：

·从宽带信号离开最终输出晶体管以及行进到集成封装上的出口引脚的时刻的延迟，

·从引脚通过印刷电路板迹线、通过滤波器、其它组件到与通信链路的印刷电路板连接的延迟，

·从通信链路的一端到天线基底的延迟，

·从天线基底到天线的相位中心的延迟，

·从发射天线的相位中心到接收天线的相位中心的延迟的客观测量，

·从接收天线相位中心到接收通信链路的延迟，

·接收通信链路到接收印刷电路板，

·其它电子延迟以及

·软件延迟。

许多延迟是如此小以至于是不相关的。一些可以是固定的。一些随着时间或温度而变化。对于其而言这些信号是已知的准确性确定所得到的天线到天线时间延迟测量的总体准确性。基于声学的系统可能还必须补偿由于温度和湿度所引起的声速方面的改变。

具有合理可接受的系统所需的准确性可以随着应用而变化。一些系统可能通过仅仅一般地知道延迟的幅度而是成功的。这可以通过分析或利用对照已知距离的非常简单的一次校准来实现。其它应用可能要求已知的延迟有高准确性，这使包括在线校准上连续的甚至更精细的校准过程成为必要。

例如，连续校准的一种方法可以涉及使用收发器以用于发射和接收天线二者结合组合器。例如，发射信号可以通过环形器而离开发射器使得环形器的输出将会驱动通信链路并且来自系统中阻抗失配的任何反射将会返回到环形器和本地接收器。该本地接收器然后可以测量返回反射的时间偏移并且从而测量从发射脉冲的发射到来自发射天线的基底的反射的接收的时间延迟。类似方法可以使用在接收天线上。

在另外的方面中，提供了一种针对材料或设备校准路程监视系统的方法，所述系统包括：

在设备中的第一位置处提供天线；

提供从第一位置延伸到第二位置的通信链路（典型地RF传输线）；

沿着通信链路从第二位置向第一位置处的天线发送将由天线发射的信号；

在第二位置处，由于第一位置处的天线处的能量的部分反射而接收到沿着通信链路来自所述天线的信号；以及

基于第二位置处接收到的信号来校准路程监视系统。

在一个变型中，校准步骤可以包括针对沿着通信链路发送的信号来确定通信链路的传播延迟。校准可以被执行以计及动态构造内所提供的通信链路上的弯曲效应和/或温度效应。

在一个变型中，校准方法可以被执行为单个初始的校准过程。附加地或可替换地，校准方法可以被执行为正在进行的路程监视过程的部分，例如作为在设备操作期间所执行的动态重新校准技术的部分。

通常，在动态反馈控制过程中，需要测量之间距离方面的改变，而不是绝对距离。这些应用通常不需要绝对校准。

在一个变型中，校准可能需要对于通过测试下的设备的信号的频率选择性衰减的评定以便计及制造变化。

在另一变型中，校准可能需要对于与传播通过动态柔性材料或结构相关联的改变的RF直接路径和反射信道的评定。

该方法支持在沿着设备的长度的任何点处的多个动态位置处、或支持定位系统的几何学上不同的位置处的评定。

风力涡轮机叶片感测和控制

在一个变型中，提供了一种用于风力涡轮机叶片的路程监视系统，所述系统包括：

第一天线，其将位于朝向风力涡轮机叶片的尖端（具有相关联的发射器）；

第二天线，其将位于朝向风力涡轮机叶片的根端（具有相关联的接收器），所述第一天线将与所述第二天线间隔开；以及

控制器，

其中所述控制器可操作成基于在所述第一和第二天线之间传输的信号的飞行时间来计算在第一天线的位置和第二天线的位置之间的路程/距离，

其中用于所述第一天线的发射器将位于朝向风力涡轮机叶片的根端。

还提供了一种用于操作如所述的路程监视系统来测量风力涡轮机叶片的多个点之间的距离的方法。

特别地，提供了一种用于风力涡轮机叶片路程监视的方法，包括以下步骤：

在风力涡轮机叶片的根端处提供第一天线；

在沿着风力涡轮机的不同位置处提供多个天线；

将所述多个天线连接到单个共享的通信链路；

在第一天线处提供接收器并且为共享的通信链路提供发射器；以及

从发射器向通信链路向所述多个天线中的每一个向同步接收器传送发射信号，使得接收器可以计算在每个发射天线与接收天线之间的相对或绝对时间延迟。由于天线驱动器或发射器可以位于与第一天线间隔开（例如在叶片的根半部内），这移除了对于向第一天线的位置处的叶片尖端提供相对复杂的电路的需要，从而简化了所需要的闪电保护电路。另外，这消除了在风力涡轮机叶片的外侧位置处提供远程功率供给以用于从第一天线发射信号的问题。飞行时间将被理解为单程飞行时间，即信号从第一天线发射以在第二天线处被接收的时间。

优选地，发射器和/或接收器与第二天线的位置间隔开，例如在风力涡轮机毂或机舱内，以最小化将定位在风力涡轮机叶片内部的路程监视系统的组件的数目。

在可替换的配置中，接收器和发射器的位置可以反转，即，使得位于叶片的根端附近（即在叶片的根半部内）的第二天线耦合到发射器以向第一天线发射信号，所述第一天线位于朝向叶片的尖端，即在叶片的尖半部内，所述信号然后经由第一通信链路而发送到接收器。于是可以基于从第二天线发射到第一天线的信号的飞行时间来计算在第一和第二天线之间的距离。在另外的方面中，系统可以被配置使得发射器被提供为可切换的发射器/接收器模块，其中相关联的天线可以被配置成基于模块选择而发射或接收。

还提供了一种具有如所描述的路程监视系统的风力涡轮机叶片。进一步提供了一种具有至少一个这样的风力涡轮机叶片的风力涡轮机。

进一步提供了一种用于操作如所描述的路程监视系统以测量风力涡轮机叶片的两个点之间的距离的方法。

在一个变型中，通过利用扫描接收器，扫描接收器采样率可以准许每个样本之间的多径的衰退，即，样本时间间隔可以大于针对附近环境特征的反射时间。例如，在尖部中具有发射天线并且在叶片的根部处具有接收天线的风力涡轮机系统可以接收离开塔的反射。所述样本时间间隔可以允许来自塔的反射在开始另一样本之前衰退。此外，每个扫描接收器样本例如可以包括以下的积分：来自冲击宽带信号的多个脉冲，或使用其它宽带技术而形成符号的多个啁啾。

特别地，提供了一种用于风力涡轮机叶片路程监视的方法，所述方法包括以下步骤：

朝向风力涡轮机叶片的尖端而提供第一天线；

朝向风力涡轮机叶片的根端而提供第二天线，所述第一天线将与所述第二天线间隔开；

提供与所述第一天线相关联的发射器或接收器或发射器-接收器或收发器；

在所述第一天线和所述第二天线之间传输信号；以及

基于在所述第一和第二天线之间传输的信号的飞行时间来计算在第一天线的位置和第二天线的位置之间的路程，

其中与所述第一天线相关联的所述发射器或接收器或发射器-接收器或收发器与所述第一天线间隔开，优选地位于朝向风力涡轮机叶片的根端，优选地位于风力涡轮机的毂中。

优选地，所述方法还包括以下步骤：

提供与所述第二天线相关联的相应的发射器或接收器或发射器-接收器或收发器；以及

将与相应的第一和第二天线相关联的相应的发射器或接收器或发射器-接收器或收发器同步到单个时钟。

在另外的方面中，提供了一种对用于风力涡轮机叶片的路程监视系统进行校准的方法，所述系统包括：

在风力涡轮机叶片中的第一位置处提供天线；

提供从所述第一位置延伸到第二位置的通信链路；

沿着所述通信链路从所述第二位置向所述第一位置处的天线发送将由所述天线发射的信号；

在所述第二位置处，接收沿着所述通信链路的来自所述天线的所述信号的反射；以及

基于在所述第二位置处接收的反射信号来校准所述路程监视系统。

将理解的是，校准步骤可以包括针对沿着所述通信链路发送的信号而确定所述通信链路的传播延迟。校准可以被执行以计及风力涡轮机叶片内所提供的通信链路上的弯曲效应和/或温度效应。优选地，信号是简单脉冲信号。

将理解的是，校准方法可以被执行为一次校准过程，例如在风力涡轮机上的路程监视系统的安装期间。附加地或可替换地，校准方法可以被执行为正在进行的路程监视过程的部分，例如作为在风力涡轮机操作期间执行的动态重新校准技术的部分。例如，这样的重新校准方法的步骤可以被执行为如上所述的路程监视方法的部分，其中用于路程监视系统的重新校准的步骤在所定义的数目的路程测量之后实施，例如对于路程监视测量的每10、20、100、1000等等个实例，执行重新校准过程。校准典型地发生在系统是静态的并且可以通过其它方法估计距离时。

如果测试下的设备按其性质具有静止状态或平均/松弛的距离，则可以执行动态校准。通过测量系统的飞行时间度量的运行平均和/或中值可以用作动态校准测量。

如果监视/控制系统具有用于确定静止的可替换装置，那么它可以触发RF测量系统来在这些模式期间重新校准。例如，风力叶片控制系统主动监视风车的旋转速度。该系统典型地调整叶片的俯仰以便将旋转速度保持在受控的设定点处。通常，屈曲模型用于估计作为速度和俯仰的函数的风力叶片的弯曲。该监视系统可以提供校准事件信号以及测量点之间的估计距离以允许联机重新校准。

将理解的是，第一位置可以是沿着风力涡轮机叶片的长度的任何点，例如朝向叶片尖端，朝向叶片根端。将理解的是，第二位置可以被提供在风力涡轮机叶片的根端处、风力涡轮机毂中、风力涡轮机机舱中。

另外，沿着叶片的各种长度处的任何数目的天线可以用作沿风力叶片的长度往下的多个测量点，以用于复杂屈曲的动态估计。

还描述了一种用于感测针对风力涡轮机叶片的升程（lift）值的方法，包括：

测量针对第一对天线之间传输的信号的向风飞行时间，所述第一对天线中的至少一个布置在所述风力叶片的向风（高压）侧，所述向风飞行时间响应于由于气动负载所引起的风力叶片的弯曲；测量针对第二对天线之间传输的信号的背风（低压）飞行时间，所述第二对天线中的至少一个布置在风力叶片的背风侧；并且基于将向风飞行时间与背风飞行时间进行比较来确定升程值。

附图说明

参照附图来描述本发明。在附图中，同样的参考标号指示相同或功能上类似的元件。另外，参考标号的（多个）最左数位标识在其中参考标号首次出现的附图。

图1是根据本公开内容的距离测量系统的示例性框图。

图2是图示了所述距离测量系统中的接收信号的若干特征的示例性定时图和扫描波形。

图3示出了用于标识前沿信号到达时间的示例性扫描连同处理特征。

图4图示了示例性的系统框图，其包括具有分离的信号处理器和控制器组件的收发器的扫描接收器部分的定时和扫描控制。

图5A和5B图示了根据本公开内容的示例性风力叶片偏转测量系统。

图6A示出了图5A的示例性系统的框图。

图6B描绘了如图6A中所测量的升程与比较延迟的示例性函数。

图7图示了耦合到线性致动器702的示例性位置传感器。

图8图示了示例性的室内勘测应用。

图9图示了被配置用于效应器定位的示例性距离传感器。

图10图示了示例性的医学应用。

图11图示了示例性的动力锤操作。在该示例中，三个距离被同时测量，其允许多维定位。

图12描绘了示例性的高尔夫球杆屈曲测量应用。

图13更详细地示出了图12的高尔夫球杆测量系统。

图14描绘了针对图12的应用的从把手到球杆的距离相对于时间的图表。

图15描绘了随时间的加速度的图表。

图16图示了使用两个发射天线和单个接收天线的示例性变型。

图17图示了使用被组合到单个线缆并且馈送到两个发射天线的两个收发器的示例性系统。

图18图示了使用两个接收天线和两个发射天线的另外的示例性系统。

图19图示了使用两个接收天线和两个发射天线的另外的示例性系统。

图20图示了使用天线馈送反射来校准系统延迟的示例性系统。

UWB基础知识

以下是超宽带（UWB）无线电的概述，作为对于理解本发明的益处的帮助。

超宽带是一种新兴的RF技术，其具有在通信、雷达、定位和感测应用方面的显著益处。在2002年，联邦通信委员会（FCC）向消费者认可了这些潜在益处并且发布了首个规则制定，其使得能够实现基于超宽带技术的产品在美国的商业销售和使用。FCC采用了超宽带的以下定义：即占用任何中心频率处的至少0.25的分数带宽或400MHz带宽。分数带宽更准确地被定义为：

其中FBW是分数带宽，f_h是上频带边缘，并且f_l是下频带边缘，频带边缘被定义为频谱密度中的10dB下降点。

存在对于UWB的许多方法，包括冲击无线电、直接序列CDMA、超宽带噪声无线电、超高速数据的直接调制、以及其它方法。本公开内容包括超宽带脉冲无线电（比冲击更长的脉冲，但是比窄带短），并且可以在该处具有显著应用，但是可以具有超过冲击无线电到其它形式的超宽带以及也超过超宽带到常规无线电系统的潜在益处和应用。虽然如此，描述关于冲击无线电的示例性变型来理解基础知识并且然后将描述扩展到技术的延伸是有用的。

冲击无线电已经在一系列专利中被描述，包括给Larry W. Fullerton的美国专利号4,641,317（1987年2月3日授权的）、4,813,057（1989年3月14日授权的）、4,979,186（1990年12月18日授权的）以及5,363,108（1994年11月8日授权的）。第二代冲击无线电专利包括给Fullerton等人的美国专利号5,677,927（1997年10月14日授权的）、5,687,169（1997年11月11日授权的）、5,764,696（1998年6月9日授权的）、5,832,035（1998年11月3日授权的）以及5,969,663（1999年10月19日授权的）以及给Fullerton的5,812,081（1998年9月22日授权的）以及5,952,956（1999年9月14日授权的），所述专利通过引用被并入本文中。

冲击无线电系统的使用在题为“System and Method for Intrusion Detectionusing a Time Domain Radar Array”的美国专利号6,177,903（2001年1月23日授权的）、题为“Wide Area Time Domain Radar Array”的美国专利号6,218,979（2001年4月17日授权的）以及美国专利号6,614,384（2003年9月2日授权的）中被描述，所述专利通过引用被并入本文中。

关于脉冲发生器电路的附加细节可以在以下中找到：由Fullerton等人于2000年3月29日提交的题为“Apparatus, System and Method for Flip Modulation in anImpulse Radio Communication System”的美国专利申请09/537,692以及由Fitzpatrick等人于2004年9月30日提交的题为“A Bi-Phase Modulator For Ultra WidebandSignals”的申请10/712,271，所述申请通过引用被并入本文中。

关于接收器电路的附加细节可以在2002年7月16日授权给Jett等人的题为“Baseband Signal Converter Device for a Wideband Impulse Radio Receiver”的美国专利6,421,389中找到。此外的UWB功率节约技术可以在以下中找到：2002年12月10日授权给Richards的题为“Method and system for coordinating timing amongultrawideband transmissions”的美国专利6,492,904、以及2003年5月27日授权给Richards等人的题为“Method and apparatus for moderating interference whileeffecting impulse radio wireless control of equipment”的美国专利6,571,089、以及由Brethour等人于2003年11月14日提交的序列号为10/712,269的题为“System AndMethod For Processing Signals In UWB Communications”的美国专利申请。所有以上引用的美国专利和美国专利申请由此通过引用以其全部被并入本文中。

UWB传输之间的定时协调此外在2002年12月10日授权给Richards的题为“Methodand System for Coordinating Timing Among Ultrawideband Transmissions”的美国专利6,492,904中被描述。利用定时的安全系统此外在以下中被描述：2003年9月2日授权给Hall等人的题为“System and Method for Detecting an Intruder Using ImpulseRadio Technology”的美国专利6,614,384以及2001年1月23日授权给Fullerton等人的题为“System and Method for Intrusion Detection Using a Timing Domain RadarArray”的美国专利6,177,903。对象位置定位此外在2001年10月9日授权给Richards等人的题为“System and Method for Person or Object Position Location UtilizingImpulse Radio”的美国专利6,300,903中被解释。位置确定此外在2000年10月17日授权给Fullerton等人的题为“System and Method for Position Determination by ImpulseRadio”的美国专利6,133,876中被解释。基于定位信息的功能控制此外在由Taylor等人于2000年2月24日提交的题为“System and Method for Information Assimilation andFunctionality Control Based on Positioning Information Obtained by ImpulseRadio Techniques”的美国专利申请序列09/511,991中被描述。延迟编码技术此外在以下中被描述：由Roberts于2001年6月13日提交的题为“System and Method for ApplyingDelay Codes to Pulse Train Signals”的美国专利申请序列09/878,923以及2004年9月7日授权给Richards等人的题为“Method and apparatus for applying codes havingpre-defined properties”的美国专利6,878,730。以上所列的美国专利和美国专利申请由此通过引用以其全部被并入本文中。

距离测量此外在以下中被描述：2000年10月17日授权给Fullerton等人的题为“System and Method for Position Determination By Impulse Radio”的美国专利6,133,876、以及2001年9月25日授权给Richards等人的题为“System and Method forDistance Measurement by Inphase and Quadrature Signals in a Radio System”的美国专利6,295,019、以及2004年3月2日授权给Richards的题为“System and method forestimating separation distance between impulse radios using impulse signalamplitude”的美国专利6,700,538。以上列出的美国专利和美国专利申请由此通过引用以其全部被并入本文中。

全双工通信此外在1997年11月11日授权给Fullerton的题为“Full DuplexUltrawide-Band Communication System and Method”的美国专利5,687,169中被描述。

精确定时生成器此外在2001年10月16日授权给Richards等人的题为“PrecisionTiming Generator System and Method”的美国专利6,304,623以及2003年6月10日授权给Richards等人的题为“Precision timing generator apparatus and associatedmethods”的美国专利6,577,691中被描述。

获取此外在2003年4月29日授权给Richards等人的题为“System for Fast Lockand Acquisition of Ultra-Wideband Signals”的美国专利6,556,621、以及2012年2月7日授权给Barnes等人的题为“Enhanced system and method for detecting the leadingedge of a waveform”的8,11,797中被描述。

所有以上提及的美国专利和专利申请由此通过引用以其全部被并入本文中。

具体实施方式

图1是根据本公开内容的距离测量系统的示例性框图。参考图1，收发器102耦合到第一天线106和第二天线110以用于测量在两个天线106、110之间的距离108。天线106可以典型地是通过相对长的线缆104连接到收发器的可移动或移动天线，而天线110可以典型地通过可选的线缆112而连接到接收器。天线106可以优选地连接到收发器102的发射部分。通过将较长的线缆连接到发射侧允许增加发射功率以克服线缆损耗而同时在天线处维持指定的发射场强度。另外，该配置允许发射天线被安置在测试下的设备的内部，这促进增加的发射功率而同时在测试下的设备的表面处维持指定的发射场强度。

更一般地，线缆104可以是具有已知或可确定的、优选地稳定的时间延迟的通信链路104。通信链路104可以将发射信号从发射器102传送到天线106。可替换地，定时信号可以通过通信链路104传送并且发射信号可以邻近于通信链路104的天线106端而被生成。

可替换地，发射和接收连接可以反转，即，天线106用于接收并且天线110用于发射。在另外的可替换方案中，线缆112和104可以是任何期望的长度并且天线中任一个或二者可以根据应用而是移动的或固定的。在一些应用中，接收天线可以是定向天线以增加路程和干扰抑制而不增加所辐射的功率。

在操作中，信号通过线缆104而被发射到天线106。发射信号通过路径108传播到接收天线110和通过线缆112到接收器。接收器被配置成测量在信号的发射和接收之间的时间差异。从总延迟中减去线缆延迟以确定传播延迟以及因而确定通过路径108的距离。

典型地，线缆长度针对假脱机（spooling）或温度中的变化是恒定的；然而，对于特殊情况或为了更大的准确性，可以通过测量温度和/或应力并且基于实验性或理论的线缆表征来确定校正因子而对温度和应力进行校正。

在一个变型中，收发器是超宽带冲击收发器并且所接收的信号通过使用时间扫描接收器而被处理以确定信道响应波形。信道响应波形然后被处理以找到脉冲信号的前沿。前沿定时然后用于精确地确定接收信号定时。前沿信号产生于两个天线之间的最短直接传播路径。多径信号将从直接路径延迟并且因而将被接收器处理所拒绝。因而，图1的系统可以在存在包括静态和动态多径的多径干扰的情况下递送精确的距离测量——对于动态系统而言合期望的特性。

图2是由扫描接收器产生的示例性定时图和扫描波形，其图示了图1的距离测量系统的若干特征。参考图2，针对整个发射到接收时间的扫描波形被示出为沿着时间轴226的间隔202。缩短的扫描窗口被示出为间隔204。在时间206处发射脉冲。发射典型地在接收信号中产生干扰，这是由于在收发器208内部的杂散耦合。所发射的脉冲通过有线通信信道104传播并且在时间210处到达发射天线106。信号通过介质（空气和/或RF半透明材料）传播并且然后通过接收天线110和接收器而被接收。

接收器可以在间隔204上定义扫描窗口224，以用于重复测量期间的较快处理。所述窗口具有跨越测试下的设备的最大动态距离的开始时间212和结束时间214。如所示出的，在窗口204中接收脉冲信号222。信号222具有峰值220，其可以用于确定信号强度。脉冲222之前的第一噪声218可以用于确定前沿阈值。窗口的扫描分辨率也可以被调整以优化前沿准确性，而同时最小化扫描和处理时间。

距离可以如下计算：

距离，

其中，

距离是天线之间的距离108，

c是介质中的光（或声）速，

T_led是从扫描窗口212的开始到前沿（第一、最直接的能量路径）228的检测的时间差异，

T_scanstart是扫描窗口212的开始时间，

T_calib是T_scanstart和T₀之间的经校准的时间延迟，其包括在无线电电子器件中共同的系统电气延迟以及通过接收天线和线缆的传播延迟，以及

T₀是从发射天线206的发射的时间的时间。

图3示出了用于标识前沿定时的示例性扫描连同处理特征。图3示出了图2的处理窗口224中的更多细节。参考图3，噪声测量间隔用于确定脉冲222到达之前的噪声水平。平均噪声可以用于建立用于确定前沿的阈值。阈值302可以例如是基于噪声间隔306中的RMS噪声的RMS噪声的三倍。接收脉冲222被示出为具有绝对值包络304。前沿时间228被确定为接收脉冲包络304超过阈值302的时间。

可以通过将背景噪声测量乘以预定因子来找到阈值302。典型地，可以通过测量扫描窗口开始处的噪声窗口306中的噪声来发现背景噪声。噪声平均值或RMS值可以被确定并且噪声值（其被假定为恒定的无线电噪声）可以乘以例如三的因子以确定前沿阈值302。实验可以用于找到最佳因子。

包络304可以被计算为信号222的绝对值。可替换地，绝对值可以经滤波。可替换地，可以使用信号的希尔伯特变换。其它技术可以用于提供信号的包络的估计。

另一技术使用基于通过传输信道而修改的发射信号的（一个或多个）匹配滤波器来估计接收信号的到达时间。在该技术中，基于频率选择性动态RF信道性质的一个或多个预配置的信号模板可以对照接收信号而相关。全过程将确定在接收信号和（一个或多个）模板之间的所有相位处的相关性。具有最高全局相关性的模板将会把前沿指示为具有最高相关性系数的相位偏移。该技术还可以用于此外指示介入的RF信道的动态配置和/或材料性质。

该系统使用信号的信道冲击响应（CIR）分析来最大化对信道和测量准确性的评定。通常，提供伴随每次测量的可靠的准确性评定可能是递归最优加权定位滤波器的重要特征。

图4图示了示例性的系统框图，其包括收发器的扫描接收器部分的定时控制。参考图4，收发器包括RF和定时部402以及处理部404、406、408。处理部包括用于处理扫描数据的处理器404与相关联的存储器408。距离结果可以可选地通过滤波器406来滤波。滤波器可以是低通滤波器、带通滤波器、卡尔曼滤波器或典型地用于导航或追踪的其它滤波器。这些滤波器利用飞行时间或随时间的距离位置的新近历史来增加每个新评定的可靠性。

在操作中，定时控制410提供精确的定时信号结构以用于触发发射器414和扫描接收器412、416。定时控制410使用公共的时基（典型地为基于晶体的参考振荡器）来提供所有定时信号，从而保持所有定时信号同步。发射器414发射脉冲的序列。典型地，脉冲的序列可以以时间和/或极性来编码，从而扩展频谱。不同码还可以提供在紧密接近地操作的若干单元之间的信道分离。定时控制410还提供用于扫描接收器的定时信号。扫描接收器构建其中样本在一系列延迟的上延迟的接收信号样本的数据集。典型地，一个脉冲可以导致一个或仅仅几个样本，因此需要许多脉冲来构建完整的扫描。例如，100ns的时间间隔的扫描可以每50ps进行采样。因而，可能需要20,000个样本来构建完整的扫描。因此，对于发射的每个脉冲，由接收器获取对应的递增偏移样本。所得到的信号值被记录在顺序的存储器阵列中以产生扫描数据集，或“扫描”。图2和图3示出了示例性的扫描。

定时分析处理器404在扫描数据上执行波形分析以确定背景噪声、前沿阈值、前沿时间、信号强度和其它有关的计算。所得到的距离测量然后可以被滤波以用于更好的稳定性和鲁棒性，特别是在存在噪声的情况下。定时分析块404还可以基于信号强度来产生测量置信度值以帮助滤波器406。

在一些实施例中，可以添加过程反馈控制块以利用贯穿扫描历史的距离测量或距离中的改变。该块还可以直接在扫描前沿到达时间上进行操作。具有相关联的信号处理元件的众多收发器可以与一个控制块相关联以用于多维定位。可替换的存储、装置和异常值过滤器以及用户显示器可以被集成以用于精确勘测应用。

校准

当系统首次置于操作中时，各种特性、特别地时间延迟可能是未知的。因而，可以有益的是执行校准来建立固定的系统延迟，诸如线缆延迟、触发和阈值延迟。一个示例性的校准过程可以如下：

1) 利用发射器天线和接收天线之间的已知距离来建立操作中的系统。

2) 记录平均距离测量、系统（偏移）误差和随机（标准偏差）误差。

3) 发起收发器中的校准模式。

4) 将偏移误差存储为校准设置中的固定偏移因子。

5) 将随机误差存储为测试下的设备的该配置（诸如弯曲配置）期间的质量因子。

6) 返回到操作模式并且验证正确的所报告的距离测量。

7) 在必要时重复。

应用

该技术适用于在有限距离处需要精确（～1mm）测量的任何领域，其中线缆可以延伸在两个感兴趣的点之间。在灰尘、降水和污染的环境中，该系统相对于光学系统具有优势。RF信号可以穿透大多数墙壁材料、塑料、碳纤维或环氧树脂。

示例性的应用包括但不限于：

用于风力发电机的风力叶片偏转，

制造过程中的线性致动器运动测量，

穿墙式（室内）勘测测量，

铲、拾取及安放机器人上的效应器定位，

医学装置上的效应器的精确定位，以及

锤振动速度的多普勒测量。

通过摆动的高尔夫球杆的屈曲的动态估计。

用于风电发电机的风力叶片偏转

图5A和图5B图示了根据本公开内容的示例性风力叶片偏转测量系统。示出了单个风力叶片。典型的风力发电机可以使用两个、三个或更多的叶片以用于每个安装。每个风力叶片可以是例如但是不限于在长度方面为30到60米。风力叶片装配在毂（未示出）上并且能够绕叶片旋转轴而旋转以使相对于风的叶片的迎角变化。根据控制算法来调整叶片旋转角以提供最大效率、最大功率，调节速度，或为了强风中的安全性和可生存性。控制方面的一个因素涉及响应于风速、方向、叶片速度和定位的风力叶片偏转。准确的风力叶片偏转允许使用具有较轻材料的较长风力叶片构造。

图5A示出了风力叶片的边视图，其示出了偏转测量系统。图5B示出了风力叶片的前视图，其示出了天线位置。参考图5A，风力叶片502被示出为具有叶片旋转轴504和毂旋转轴506。示例性的叶片偏转测量系统被示出为包括具有接收天线的第一收发器508、具有接收天线的第二接收器514、发射线缆524以及两个发射天线510和516。线缆524可以典型地终止于分配器（splitter）处，所述分配器将功率分配给两个天线512和516。可替换地，切换器可以用于在天线512和天线516之间替换。可替换地，在尖部516处可以存在一个天线，其向根部处的两侧514和508都进行发射。前侧（向风侧）感测链路512包括前侧发射天线510和前侧接收器508和接收天线。示出了视线感测路径512。同样，后侧（背风侧）感测链路被示出为包括后侧发射天线516和后侧接收器514以及接收天线。在操作中，风520将压力施加到前侧（向风侧）并且使得叶片弯曲。当叶片弯曲时，叶片尖部沿着弧522移动，这引起传播路径512的轻微延长以及传播路径518的减小。路径距离方面的改变的灵敏度量可以用于基于叶片502的结构弯曲模型来确定沿着路径522的偏转。前侧天线508和后侧天线514可以从弧522的中心位移，以增加对于尖部516的运动的灵敏性。在一个变型中，三角测量可以用于确定尖部定位或运动。在另外的变型中，沿着路径512的延迟方面的改变可以与沿着路径518的延迟方面的改变相组合以根据弯曲模型或根据实验来确定叶片的弯曲。

图5B示出了叶片的前侧。叶片被示出为具有前侧接收器508和前部天线。线缆524可以被构建到叶片502中。在一个变型中，线缆可以集成到叶片的闪电保护系统中。例如，同轴线缆的屏蔽也可以用作闪电保护导体。线缆的屏蔽可以连接到叶片的尖部526处的闪电电极并且还通过毂506连接到叶片的根部528处的接地路径。毂轴506垂直于图的平面并且由圆圈506指示。

宽带系统的另外的优点在于多径的抑制中，例如来自塔的多径反射。脉冲重复率可以被保持得足够低以允许来自塔结构的多径的衰退，例如在接收后续脉冲之前大体上衰退10dB。编码和脉冲积分也可以用于减少多径。

图6A示出了图5A的示例性系统的框图。参考图6，系统包括单个发射器602和两个接收器508、514。发射器602和两个接收器从单个时基而同步地操作。发射器602通过线缆514向两个发射天线510和516发射脉冲的序列。发射信号被相应的天线604和606以及接收器508和514所接收。每个接收器处理延迟的返回以确定相应的距离。在一个变型中，发射信号在时间上彼此位移，这通过如图5A中所示的那样沿着叶片使天线位移或者通过提供不同长度的线缆。结果，相应的脉冲在时间上位移并且可以被相应的接收器所分离。例如，每个接收器可以通过使用覆盖针对相应发射天线的范围的扫描窗口（图2，224）而进行操作。扫描窗口可以覆盖非重叠的时间跨度。

在另一变型中，两个分离的发射器和相关联的分离的接收器可以用于形成用于前侧和后侧的链路。两个系统可以是同步的，或者可以是非同步的。两个链路可以通过使用不同的码、脉冲重复率、时分或超宽带所使用的其它信道化技术来被分离。

再次参考图6A，从前部（高压侧接收器508）到后部（低压侧接收器514）的两个距离测量被馈送到控制计算机608，所述控制计算机608确定叶片偏转并且然后确定必要的控制。必要的控制然后被馈送到反馈处理器610，所述反馈处理器610驱动叶片伺服612以将叶片旋转到期望的迎角。叶片偏转典型地是由于气动力所引起的叶片的升程的函数。

在一个变型中，叶片偏转测量可以在一个叶片上进行并且相同涡轮机的所有叶片可以基于一个叶片测量而被控制。可替换地，每个叶片可以具有独立的叶片偏转测量以及相关联的独立控制。

如所图示的，进行前部和后部测量来确定叶片偏转。可替换地，可以进行单个测量（前部或后部）并且控制可以基于单个测量。

图6B描绘了如图6A中所测量的升程相对于比较延迟的示例性函数。参考图6A，点616表示静止的原点，即没有风的情况下的静止叶片。来自高压侧（向风侧）的延迟和来自低压侧（背风侧）的延迟被比较。任何差异是将被减去以产生原点616处的零比较延迟的参考延迟。当存在风时，高压侧弯曲以延长天线604和天线510之间的距离，这增加延迟。低压侧弯曲以缩短天线606和天线516之间的距离，这减小延迟。因而，差异增加，生成图6B的函数614。注意到，可能没有必要显式地计算距离或距离方面的改变。函数可以被生成，其将定时直接与叶片升程相关联。叶片升程然后可以被输入到控制计算机以如所期望的那样调整叶片迎角或调整叶片俯仰。

制造过程中的线性致动器运动测量

在制造过程中频繁地使用线性致动器。相关联的位置传感器通常是齿轮或马达上的间接读取编码器或其它传感器。存在其中弯曲效应、大长度或几何结构需要直接测量的场合。

图7图示了耦合到线性致动器702的示例性的位置传感器。位置传感器包括发射器414、接收器416和信号处理器418。发射信号通过柔性线缆104耦合到被布置在待测量的可移动物品704上的发射天线106。位置然后可以被馈送到控制器706。发射信号可以被处理以确定对于多径杂波（参见图2）耐抗的前沿并且可以提供在复杂和污染环境中的准确测量。

穿墙式（室内）勘测测量

图8图示了示例性的室内勘测应用。图8示出了具有墙、走廊806、房间804和门808的示例性建筑物810。部署了示例性的系统。发射器414、接收器416和处理器418驻留在拐角房间中。发射天线106由线缆104连接并且被承载到远处的房间中。信号从发射天线106发射回到接收器110、106。在多径干扰存在的情况下，直接穿过墙来测量距离108。可以根据与表示直线信号路径108的直接路径信号分量有关的接收信号来确定前沿。结果然后可以被显示802给用户。在光学上不透明的墙存在的情况下，系统可以勘测空间。

铲、拾取及安放机器人上的效应器定位

图9图示了被配置用于效应器定位的示例性位置传感器。效应器可以例如是但不限于制造机器人、建设起重机、拾取和安放机器人或其它效应器。图8图示了位于效应器904的根部处或附近的收发器414 416，其在根部附近具有接收天线110。发射线缆104沿着效应器的臂的结构延伸到效应器的端部906处的发射天线106。因而，距离108测量到效应器的端部。实际上，可能期望的是将接收器安置在工件上或附近。还可以合期望的是使用多个接收器或多个系统来提供多轴定位（未示出）。精确定位可以允许使用较轻的材料和较长的效应器臂。较轻的结构可以导致较快的操作。

医学装置上的效应器的精确定位

图10图示了示例性的医学应用。图10示出了具有导管探测器的示例性患者。探测器包括小型同轴线缆104和发射天线106。多个接收器416被示出为处理发射的信号以用于三维位置信息。结果可以被显示1002给用户。技术可以用于导管和植入物的定位。

锤振动速度的多普勒测量

图11图示了示例性的动力锤操作。图11示出了液压臂架上的示例性的碎石机锤1104。单个发射器天线106位于锤1104上并且三个接收器416被示出用于确定锤的三维位置。结果可以用于锤1104的精细控制1102。快速并行扫描以及扫描与扫描相关性可以用于开发多普勒速度信息。

其中两端都移动的差分距离测量，高尔夫球杆示例

图12描绘了示例性的高尔夫球杆屈曲测量应用。感兴趣的是测量摆动期间的高尔夫球杆的弯曲。图12示出了为了清楚而具有夸大的弯曲的高尔夫球杆1202连同打高尔夫球的人（以虚线示出，指示打高尔夫球的人不是本发明的部分）。高尔夫球杆可以或可以不是本发明的部分，这取决于权利要求或其它上下文。

图13更详细地示出了图12的高尔夫球杆测量系统。图13示出了以弯曲配置和以直线配置1203的高尔夫球杆1202。以虚线示出了替换的直线配置1203。高尔夫球杆安装了发射天线106和接收天线110，所述发射天线106通过固定长度的柔性线缆104而连接到发射器414，所述接收天线110通过固定长度的柔性线缆112而连接到接收器416。线缆104可以延伸通过高尔夫球杆以到达球杆的端部，在该处线缆连接到发射天线106。接收天线110安装在把手处并且通过线缆112连接到接收器。发射器414发射脉冲串并且接收器416接收脉冲串并且锁定到脉冲串上。从发射天线106到接收天线110的距离1302方面的小差异可以在追踪环路中被观察到。

图14描绘了针对图12的应用的从把手到球杆的距离相对于时间的图表。图表1402描绘了在高尔夫球杆的一次摆动的时间间隔上的路程测量。随着摆动开始并且球杆加速，球杆轴弯曲。弯曲导致从球杆到把手的距离的缩短。作为时间的函数的距离可以相对于高尔夫球杆的计算机模型而被分析以确定摆动期间在任何点处的弯曲的量。在摆动的开始期间，球杆加速并且弯曲增加。在摆动中间处，球杆击球，这引起轻微的球击干扰1404。在摆动的后面部分中，球杆减速并且返回到原始形状。

高尔夫球杆示例示出了用于当对象上的两个点都相对于用户参照系（高尔夫球杆的参照系）处于运动中时测量这两个点之间的可变距离的系统。该示例说明了对相对距离以及因而对其中两个端点都处于运动中的设备的屈曲的测量能力。其它这样的设备可以包括被集成在较大机械装置中的单独联接。

图15描绘了随时间的加速度的图表（假定加速度计被用作球杆头部中的辅助源）。比较图表1402和1502在该示例中示出了在距离和加速度之间的逆相关，因而改善了时间1404和1504处的击打力和效果的估计和表征。相关性信号或追踪信号然后可以通过与用于系统的校准测试有关而与距离方面的改变有关。相关性图表1502示出了初始加速度、球击1504和减速度特征。

另外的变型

图16图示了使用两个发射天线和单个接收天线的示例性变型。参考图16，收发器102通过通信构件104向分配器1602发射信号，所述分配器1602将信号分开给第一天线1604和第二天线1606。每个天线1604和1606将相应的信号发射到天线110，所述天线110将接收信号耦合到收发器102的接收器部。如所示的，天线1604比天线1606更近。距离差异可以用于分离接收器处的信号。收发器102可以使用预期的定时来分离相同频带中的两个接收信号。例如，扫描窗口可以形成以用于来自天线1604的信号的预期定时，并且信号然后可以处理以用于天线1604。然后，扫描窗口可以被设置用于预期针对天线1606的附近的信号，然后信号可以被处理以用于天线1606。可替换地，两个接收器部可以被构造成并行处理两个时间窗口。

图17图示了使用被组合到单个线缆并且馈送到两个发射天线的两个收发器的示例性的系统。参考图17，收发器102和收发器1702具有分离的发射和接收端口。发射端口被组合1704并且通过通信构件104发送到发射位置。两个发射信号被分配1602并且馈送到两个发射天线1604和1606，每个天线被馈送这两个信号。信号然后由接收天线110和1710接收。接收天线110和1710可以彼此间隔开，并且发射天线1604和1606可以彼此间隔开。几何结构给出了发射-接收天线对的四个组合，其给出了能够被测量的四个时间延迟和对应的距离，即天线1604到天线110、天线1604到天线1710、天线1606到天线110、以及天线1606到天线1710。因而，可以通过三角测量或通过包括几何约束来组合四个长度以确定对象的运动。

监视多个天线和多个接收天线之间的时间延迟可以提供冗余并且还可以用于提供波束的2维或3维的定位，这允许不仅监视弯曲而且还监视设备、例如风力叶片的扭曲。

图18图示了使用两个接收天线和两个发射天线的另外的示例性系统。参考图18，接收器1802从收发器102接收同步信号，以使得接收器1802能够计算从发射天线1604和1606的发射-接收延迟时间。因而，图18的系统可以测量四个长度并且提供如关于图17所描述的益处。

图19图示了使用两个接收天线和两个发射天线的另外的示例性系统。参考图19，双输入收发器1902可以包括在两个天线110和1910之间进行切换的切换器。因而，图19的系统可以测量四个长度并且提供如关于图17所描述的益处。

在图16直到图19中，分配器1602可以是RF无源功率分配器，其将功率插入到两个天线中。可替换地，分配器可以是切换器，其按预定的调度来选择一个天线（例如1604）以及替换地选择另一个天线（例如1606），因而允许对于距每个发射天线的距离的独立测量，尽管距离可能彼此非常接近。切换器1602可以通过通信构件104而被控制，例如但不限于通信构件104上的DC或脉冲信号。在没有切换器的情况下，通过使用功率分配器，天线1604和1606应当分离得对于从第一天线的多径而言足够远以在来自第二天线1606的第二脉冲到达之前衰退，从而避免干扰。

图20图示了使用天线馈送反射来对系统延迟进行校准的示例性系统。参考图20，系统包括三输入收发器2002。如在19中那样，两个输入耦合到天线110和1910。第三输入2008耦合到环形器2006。收发器的发射输出2004馈送到环形器2006并且然后耦合到链路104，所述链路104馈送到两个天线1604和1606。例如，来自天线1604的阻抗的轻微失配的反射将会反射回到环形器并且出现在收发器2002的第三输入2008处、反射接收器输入2008。第三输入处的反射的定时可以用于针对系统内部延迟方面的改变而进行校正。例如，长度方面的改变以及所得到的链路104的延迟将会导致第三输入2008处的所接收反射的延迟方面的双改变。所述改变可以用于细化从天线1604和1606到天线110和1910的延迟的测量，这通过例如从每个天线链路的所测量的延迟中减去所观察到的反射延迟方面的改变的一半。

结论

以上已经借助于功能构建块而描述了本发明，所述功能构建块图示所指定的功能及其关系的执行。这些功能构建块的边界在本文中被任意地限定以用于描述的便利。可以限定替换边界，只要所指定的功能及其关系被适当地实现。任何这样的替换边界因而在所要求保护的本发明的范围和精神内。本领域技术人员将认识到，这些功能构建块可以由分立的组件、专用集成电路、执行适当软件的处理器等等或其任何组合来实现。

虽然以上已经描述了本发明的各种实施例，但是应当理解的是，它们仅仅作为示例而非限制地被呈现。因而，本发明的宽度和范围不应当由任何以上描述的示例性实施例限制，而是应当仅仅根据以下权利要求及其等同物来限定。

Claims (32)

1.一种路程监视系统，所述系统包括：

第一天线，其被配置成位于第一位置处；

第二天线，其被配置成位于第二位置处，第一天线将与第二天线间隔开；

以及收发器，所述收发器通过第一通信链路耦合到所述第一天线并且所述收发器通过第二通信链路耦合到所述第二天线；所述第一通信链路被适配用于在存在相对于所述第二位置的所述第一位置的相对运动的情况下维持已知或固定的时间延迟；

所述收发器被配置用于通过使用所述第一天线来对发射宽带信号进行发射并且响应于所述发射宽带信号、通过使用所述第二天线来对接收宽带信号进行接收，所述收发器被配置成测量在所述发射宽带信号和所述接收宽带信号之间的第一时间差异，所述第一时间差异指示所述路程。

2.根据权利要求1所述的路程监视系统，其中所述收发器包括基于相关性的扫描接收器，所述基于相关性的扫描接收器被配置成确定接收宽带信号的前沿，以确定所述第一时间差异。

3.根据权利要求2所述的路程监视系统，其中所述收发器可操作成基于在所述发射宽带信号和所述接收宽带信号之间的所述第一时间差异来计算在第一天线的所述第一位置和第二天线的所述第二位置之间的第一路程。

4.根据权利要求3所述的路程监视系统，其中所述收发器可操作成计算在第一天线的所述第一位置和第二天线的所述第二位置之间的参考路程，并且所述收发器可操作成计算在所述参考路程和所述第一路程之间的路程差异。

5.根据权利要求1所述的路程监视系统，其中所述收发器包括电子装置并且所述收发器被配置成基于所述第一时间差异以及由于所述电子装置所引起的已知延迟来计算经校正的时间差异。

6.根据权利要求1所述的路程监视系统，其中所述收发器被配置成基于所述第一时间差异以及由于所述第一通信链路所引起的已知延迟来计算经校正的时间差异。

7.根据权利要求1所述的路程监视系统，其中所述第一位置和所述第二位置通过柔性构件来连接，所述第一路程响应于所述柔性构件的屈曲；并且其中所述系统被配置成在第一天线和第二天线二者都能够相对于所述收发器而运动时计算所述第一路程。

8.根据权利要求1所述的路程监视系统，其中所述发射宽带信号包括啁啾或扫描的正弦波。

9.根据权利要求1所述的路程监视系统，其中所述收发器进一步包括至少一个附加接收器以及连接到所述至少一个附加接收器的至少一个附加天线；所述至少一个附加接收器接收所述发射信号并且计算第二时间差异和第二路程；

所述系统通过使用三边测量来组合所述第一路程和所述第二路程以确定所述第一位置的定位。

10.根据权利要求1所述的路程监视系统，进一步包括风电叶片；其中所述第一天线定位在所述风电叶片的尖半部上并且所述第二天线定位在所述风电叶片的根半部上。

11.根据权利要求10所述的路程监视系统，进一步包括风电叶片控制器；其中所述风电叶片控制器被配置成基于所述第一时间差异来控制所述风电叶片的俯仰或迎角。

12.根据权利要求1所述的路程监视系统，其中所述收发器被配置成确定从所述第一天线到所述第二天线的信道冲击响应，并且所述收发器被配置成基于所述信道冲击响应来确定所述第一时间差异。

13.根据权利要求12所述的路程监视系统，其中所述收发器被配置成基于所述信道冲击响应来确定前沿，并且所述收发器基于所述前沿来确定所述第一时间差异。

14.根据权利要求13所述的路程监视系统，其中所述收发器被配置成应用扫描接收器扫描窗口来针对所述前沿的确定进行监视。

15.根据权利要求1所述的路程监视系统，进一步包括风力叶片结构，并且其中第一接收器是冲击宽带接收器；其中脉冲重复率足够低以允许从塔结构的多径的衰退在接收到后续脉冲之前衰退至少10dB。

16.一种用于路程监视的方法，所述方法包括以下步骤：

在第一位置处提供第一天线；

在第二位置处提供第二天线，第一天线与第二天线间隔开；

提供通过第一通信链路耦合到所述第一天线的发射器；

提供通过第二通信链路耦合到所述第二天线的第一接收器；所述第一接收器与所述第一发射器同步；

从第一天线发射信号并且通过第二天线接收信号以生成接收信号；

针对所述第一天线和所述第二天线的已知配置来确定所述信号的参考飞行时间；

针对所述第一天线和所述第二天线的未知配置来确定所述信号的第一飞行时间；

通过比较所述第一飞行时间和所述参考飞行时间来确定针对所述未知配置的所述信号的飞行时间方面的第一改变；以及

基于从第一天线发射的所述信号的飞行时间的所述第一改变来计算在第一天线和第二天线之间的第一路程改变。

17.根据权利要求16所述的方法，其中第一接收器包括基于相关性的扫描接收器，进一步包括步骤：确定接收信号的前沿以确定所述第一飞行时间。

18.根据权利要求17所述的用于路程监视的方法，其中第一接收器被配置成应用扫描接收器扫描窗口以用于所述前沿的所述确定。

19.根据权利要求16所述的用于路程监视的方法，进一步包括连接在所述第一位置和所述第二位置之间的柔性构件，所述第一飞行时间响应于所述柔性构件的屈曲；进一步包括以下步骤：相对于所述第一接收器而移动第一天线和第二天线。

20.根据权利要求19所述的用于路程监视的方法，进一步包括第二接收器和连接到所述第二接收器的第三天线；所述第三天线响应于所述发射信号而生成第二接收信号；所述第二接收器基于所述第二接收信号来计算第二飞行时间；并且所述第二接收器通过比较所述第二飞行时间与第二参考飞行时间来计算第二路程改变；所述方法进一步包括以下步骤：

通过使用三边测量来组合所述第一路程改变和所述第二路程改变，以确定所述第一天线的定位的改变。

21.根据权利要求20所述的用于路程监视的方法，进一步包括风电叶片，所述风电叶片具有在所述风电叶片的尖半部上的所述第一天线并且具有在所述风电叶片的根半部上的所述第二天线；并且定位的改变是与所述第二天线的定位相比的所述第一天线的相对定位。

22.根据权利要求21所述的用于路程监视的方法，进一步包括以下步骤：基于所述第一天线的所述相对定位来控制风电叶片的俯仰或迎角。

23.一种用于控制风电叶片的升程传感器，包括：

第一天线，其被布置在所述风电叶片上的第一位置处；

第二天线，其被布置在所述风电叶片上的第二位置处，所述第二位置沿着所述风电叶片纵向间隔开；

收发器，其通过第一通信链路耦合到所述第一天线以用于对发射信号进行发射；

所述收发器被配置成响应于所述发射宽带信号而对接收宽带信号进行接收；

所述收发器被配置成相对于所述发射宽带信号而确定所述接收宽带信号的到达时间；

所述收发器被配置成基于所述到达时间来计算升程值。

24.根据权利要求23所述的升程传感器，其中所述收发器被配置用于

测量沿着所述第一通信链路回到所述收发器的反射的反射到达时间；

所述收发器进一步被配置用于比较所述反射到达时间与针对所述反射的参考反射到达时间以得出校正时间；以及

所述收发器进一步被配置用于基于所述校正时间来校正所述到达时间。

25.根据权利要求24所述的升程传感器，其中所述收发器包括反射接收器并且所述反射从所述第一通信链路通过环形器而耦合到所述反射接收器以用于确定所述反射到达时间。

26.根据权利要求25所述的升程传感器，其中第一接收器包括基于相关性的扫描接收器，所述第一接收器被配置用于确定接收宽带信号的前沿以确定所述到达时间。

27.一种用于感测针对风力涡轮机叶片的升程值的方法，包括：

测量针对在一对天线之间传输的信号的飞行时间，所述天线对中的至少一个天线被布置在所述风力涡轮机叶片的尖半部上，所述飞行时间响应于由于气动负载而引起的所述风力涡轮机叶片的弯曲；以及

基于所述飞行时间来确定所述升程值。

28.根据权利要求27所述的方法，其中所述确定步骤包括：

比较所述飞行时间与预定的参考飞行时间以生成比较值并且基于所述比较值而确定所述升程值。

29.根据权利要求27所述的方法，其中所述天线对中的至少一个天线被布置成朝向所述风力涡轮机叶片的低压侧。

30.根据权利要求27所述的方法，其中第一接收器包括基于相关性的扫描接收器，进一步包括以下步骤：确定接收信号的前沿以确定所述飞行时间。

31.根据权利要求30所述的用于路程监视的方法，其中第一接收器被配置成应用扫描接收器扫描窗口以用于所述前沿的所述确定。

32.根据权利要求31所述的用于路程监视的方法，其中所述发射信号包括超宽带信号。