CN107329142B - 基于多频相位差的saw rfid标签测距方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于多频相位差的SAW RFID标签测距方法，通过构造同余方程解距离模糊，同时利用在SAW RFID标签内设置的测温反射栅对SAW RFID标签内受温度变化影响的参数进行温度补偿，计算出SAW RFID标签内延时所产生的虚假距离。用该虚假距离对解距离模糊后的无模糊距离进行修正，从而得到阅读器与SAW RFID标签之间真实距离的测量值。

Description

基于多频相位差的SAW RFID标签测距方法
技术领域
本发明涉及测量技术领域，具体地，涉及一种基于多频相位差的SAW RFID标签测距方法。
背景技术
射频识别技术(Radio Frequency Identification,RFID)利用射频信号实现目标识别以及对相关数据的获取，是一种非接触式标签的技术。正是由于它的非接触特性，可以在识别过程中无需人工干预，有利于系统自动化的实现。近年来，RFID技术在物流管理、防伪、畜牧业监控管理、高速公路自动收费、跟踪和定位等领域取得广泛应用。
采用声表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)技术的射频标签是一种纯无源且不带有任何半导体集成电路芯片的射频识别技术。基于SAW技术的RFID系统由阅读器和SAWRFID标签组成。SAW RFID标签由天线、叉指换能器(Inter Digital Transducer,IDT)和反射栅构成。其系统工作原理与雷达系统类似：阅读器发送查询信号至标签天线，标签天线接收到的查询信号经叉指换能器，由压电材料的逆压电效应，查询信号在压电基片上转换为沿压电晶向传播的声表面波。经过一段延时后到达反射栅，一部分能量被放射回IDT，另一部分能量透射继续沿压电晶向传播。被放射回IDT的声表面波由压电材料的正压电效应转换成电磁波，通过标签天线发送至阅读器。利用反射回波的相位信息可实现SAW RFID的测距。
目前，普通RFID标签大多采用以下几种测距方法：
(1)基于传播信号的到达时间(TOA)
阅读器接收标签发射的电磁波信号，若阅读器测得电磁波信号从标签到达阅读器的传播时间为t，则标签到阅读器的距离为R＝ct，其中c为电磁波传播速度。在RFID标签的可读写范围内，传播时间t往往极短，一般在纳秒级别，导致对传播时间测量的很小误差也将带来较大的测距误差。而且该方法受限于只能在主动式RFID标签中应用，即使测量普通被动式RFID标签的双程延时来进行距离测量，由于普通被动式RFID标签收到查询信号后，再返回回波信号这一阶段延时往往不可精确估算，将带来较大的测距误差。因次，TOA方法测量标签距离精度很低。
(2)基于接收信号的强度(RSSI)
该方法的工作原理是已知发射查询信号强度，测量阅读器接收到的标签反射回波信号强度，通过比较发射和接收信号的强度来估计标签与阅读器的距离。由于电磁波在自由空间中传播时存在路径损耗，所以发射相同功率的查询信号时，阅读器接收到的回波信号越强，说明标签距离阅读器越近，反之，距离越远。但是电磁波在自由空间中传播时，能量损耗是由很多因素共同造成的，而不仅仅与传播距离有关，所以RSSI方法测量标签距离往往精度不高。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于多频相位差的SAW RFID标签测距方法。
根据本发明提供的基于多频相位差的SAW RFID标签测距方法，包括步骤：
步骤1、在阅读器发射的查询信号的最大频率间隔内分配频率差，选择出满足构造同余方程进行距离抗模糊的多个查询信号的频率差；
步骤2、提取各频率查询信号由反射栅反射产生的回波信号的模糊相位，进而得到每组频率差所对应的模糊相位差；
步骤3、利用各组频率差所对应的模糊相位差产生的模糊距离，与每组频率差的最大无模糊距离构造同余方程，通过中国余数定理求得包含SAW RFID标签内延时产生的虚假距离的无模糊距离，实现距离抗模糊；
步骤4、在SAW RFID标签内设置测温反射栅，测量SAW RFID标签所处环境温度，对SAW RFID标签内产生延时的参数进行温度补偿，进而计算出SAW RFID标签内延时所产生的虚假距离；
步骤5、将步骤3中解距离模糊后的无模糊距离用步骤4中因SAW RFID标签内延时所产生的虚假距离进行修正，得到SAW RFID标签与阅读器间的真实距离的测量值。
优选的，阅读器发射多个不同频点的查询信号，在可实现的信号最大频率间隔内分配多个频率差时，为了满足构造同余方程实现距离抗模糊的要求，每组频率差应满足:
Figure GDA0002844546180000021
其中c为电磁波传播速度3×108m/s；每组频率差的ξk互为质数；Δd为任意非负整数。
优选的，步骤2通过正交解调技术提取各频率查询信号由反射栅反射产生的回波信号的模糊相位。
优选的，步骤4包括对SAW RFID标签内叉指换能器到第一根反射栅之间的距离进行精确标定，再结合温度补偿后的SAW RFID标签内产生延时的参数，得到标签内延时的估算值，从而计算出SAW RFID标签内的延时产生的虚假距离。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明针对现有技术中的不足之处与查询信号在SAW RFID标签内的延时会随温度变化，但对SAW RFID标签内的参数进行温度补偿后可对SAW RFID标签内的延时进行较为准确估算的特点，提出了一种基于多频相位差的SAW RFID标签测距方法，相较于现有技术具有更精确的测距精度，在有较高信噪比条件下，其测距精度能够达到±2cm(厘米级别)，相对误差在1％之内。而且该方法相较于单频信号测距(单频信号测距的最大无模糊距离不超过半波长，在UHF频段的最大无模糊距离一般在15.625～17.442cm)，大大提高了测距的最大无模糊距离，能测得的理论最大距离相较单频信号测距提高了至少2个数量级。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明SAW RFID标签测距的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供的基于多频相位差的SAW RFID标签测距方法，包括步骤：
步骤1、假设阅读器1发射的查询信号的最大频率间隔为Δfmax＝10MHz，选择三个频点构造频率差实现多频相位差SAW RFID标签测距。根据式(1)：
Figure GDA0002844546180000041
选取Δd＝5，可计算出ξ1＝8、ξ2＝25，则有Δf12＝7.5MHz、Δf23＝2.4MHz。因此，在超高频(UHF)频段中选取发射的查询信号频点为f1＝917.5MHz、f2＝925MHz、f3＝927.4MHz。
步骤2、通过正交解调技术提取各频率查询信号由两根反射栅3反射产生的回波信号的模糊相位，进而得到Δf12与Δf23所对应的模糊相位差为
Figure GDA0002844546180000042
及
Figure GDA0002844546180000043
由于相位存在2π模糊性，则Δf12与Δf23所对应的无模糊相位差为
Figure GDA0002844546180000044
及
Figure GDA0002844546180000045
步骤3、假设发射信号均为视距传播，则不存在障碍物遮挡，发射信号经过SAWRFID标签2内的反射栅3反射后被阅读器1接收。反射回波信号y(t)可表示为：
Figure GDA0002844546180000046
其中fi是发射信号的频率；
Figure GDA0002844546180000047
为发射信号的初相位；τ1＝2R/c为发射信号在自由空间中由阅读器1到SAW RFID标签2传播的双程延时，其中R为阅读器1与SAW RFID标签2间的真实距离；τ2,k＝2dk/v为发射信号在SAW RFID标签2内由换能器4到第k根反射栅传播的双程延时，其中dk为换能器4到第k根反射栅3间的距离，v为声表面波在基片上的传播速度。
在该反射回波信号模型下，由式(3)则可进行无模糊距离的估计：
Figure GDA0002844546180000048
其中
Figure GDA0002844546180000049
为第k组频率差对应的模糊相位差估计出的模糊距离；Rmax,k为第k组频率差对应的最大无模糊距离。由(3)式可构造如下同余方程：
Figure GDA00028445461800000410
根据中国余数定理解出如(4)所述的同余方程，求得包含SAW RFID标签2内延时产生的虚假距离的无模糊距离
Figure GDA00028445461800000411
步骤4、在SAW RFID标签2内设置测温反射栅3，测量SAW RFID标签2所处环境温度，对SAW RFID标签2内产生延时的参数进行温度补偿，进而计算出SAW RFID标签2内延时所产生的虚假距离
Figure GDA0002844546180000051
步骤5、将步骤3中解距离模糊后的无模糊距离用步骤4中因SAW RFID标签2内延时所产生的虚假距离进行修正，得到SAW RFID标签2与阅读器1间的真实距离的测量值
Figure GDA0002844546180000052
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (4)

1.一种基于多频相位差的SAW RFID标签测距方法，其特征在于，包括步骤：
步骤1、在阅读器发射的查询信号的最大频率间隔内分配频率差，选择出满足构造同余方程进行距离抗模糊的多个查询信号的频率差；
步骤2、提取各频率查询信号由反射栅反射产生的回波信号的模糊相位，进而得到每组频率差所对应的模糊相位差；
步骤3、利用各组频率差所对应的模糊相位差产生的模糊距离，与每组频率差的最大无模糊距离构造同余方程，通过中国余数定理求得包含SAW RFID标签内延时产生的虚假距离的无模糊距离，实现距离抗模糊；
步骤4、在SAW RFID标签内设置测温反射栅，测量SAW RFID标签所处环境温度，对SAWRFID标签内产生延时的参数进行温度补偿，进而计算出SAW RFID标签内延时所产生的虚假距离；
步骤5、将步骤3中解距离模糊后的无模糊距离用步骤4中因SAW RFID标签内延时所产生的虚假距离进行修正，得到SAW RFID标签与阅读器间的真实距离的测量值。
2.根据权利要求1所述的基于多频相位差的SAW RFID标签测距方法，其特征在于，阅读器发射多个不同频点的查询信号，在可实现的信号最大频率间隔内分配多个频率差时，为了满足构造同余方程实现距离抗模糊的要求，每组频率差应满足:
Figure FDA0002770228680000011
其中c为电磁波传播速度3×108m/s；每组频率差的ξk互为质数；Δd为任意非负整数。
3.根据权利要求1所述的基于多频相位差的SAW RFID标签测距方法，其特征在于，步骤2通过正交解调技术提取各频率查询信号由反射栅反射产生的回波信号的模糊相位。
4.根据权利要求1所述的基于多频相位差的SAW RFID标签测距方法，其特征在于，步骤4包括对SAW RFID标签内叉指换能器到第一根反射栅之间的距离进行精确标定，再结合温度补偿后的SAW RFID标签内产生延时的参数，得到标签内延时的估算值，从而计算出SAWRFID标签内的延时产生的虚假距离。
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