CN108426518A - 一种基于干涉原理的无芯片rfid测距方法 - Google Patents

一种基于干涉原理的无芯片rfid测距方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于干涉原理的无芯片RFID测距方法，包括，设置参考平面、待测目标、阅读器及阅读器天线，阅读天线接收参考平面和无芯片RFID标签的后向散射信号，获得时域信号，判断两者信号达到的先后，将超出阅读范围的信号置零，然后对信号进行快速傅里叶变换获得信号的频谱图，依据干涉的理论可以求得参考平面与无芯片RFID标签到天线的距离的差值，从而获得标签到天线的距离。

Description

一种基于干涉原理的无芯片RFID测距方法
技术领域
本发明涉及物联网领域，具体涉及一种基于干涉原理的无芯片RFID测距方法。
背景技术
射频识别(RFID)是一种无线通信技术，通过电磁波信号对附着在物体上的RFID标签进行检测和识别。RFID的优点在于能实现非视距(Non Line of Sight)阅读，自动识别，物体定位等功能。传统的标签由天线和集成电路IC(Integrated Circuit)两部分组成，由于集成电路成本相对较高，因而传统的RFID标签仍然无法取代光学条形码。为了降低RFID标签的成本，使用无芯片RFID标签(Chipless RFID Tag)替代传统的RFID是可行的办法。无芯片RFID标签可以分为基于频域编码以及时域编码的标签。本文所提到的无芯片RFID标签均是指基于频域编码的无芯片RFID标签。无芯片RFID标签同样可以应用于定位，但是无芯片RFID标签没有电池供电，因此，大多数传统的RFID测距、定位方法都不适用于无芯片RFID测距、定位，所以需要专门设计测距、定位方法。由于没有电池供电，一般通过测量电磁回波信号的时间间隔测距。利用多个节点阅读器对无芯片RFID标签测距，可确定标签的二维、三维信息。一个好的测距方法对无芯片RFID标签定位起到了至关重要的作用。
目前，用于无芯片RFID标签定位的方法主要有以下几种。1、RTOF(Round TripTime of Flight)，通过测量天线辐射的脉冲到达无芯片RFID标签再返回天线的时间来计算标签到天线的距离。缺点是需要稳定的脉冲形状，需要知道脉冲精确的起始时间，需要各频率在阅读区域内增益都比较均匀的天线。2、NFMPM(Narrow-Frequency Matrix PencilMethod)，是对RTOF方法的进一步提高的方法，能更精确的确认脉冲的到达时间，不需要各频率在阅读区域内增益都比较均匀的天线，但是该方法对脉冲的相位要求较高。3、RSS(Received Signal Strength)，通过测量接收信号的强度，确定标签的距离。缺点是随着距离增加，精度会越来越低，而且当标签旋转一定角度会对后向散射信号的强度造成较大影响。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于干涉原理的无芯片RFID测距方法，本发明精度高，稳定性好。
本发明采用如下技术方案：
一种基于干涉原理的无芯片RFID测距方法，包括如下步骤：
S1在空间中设置参考平面、待测目标、阅读器及阅读器天线，所述待测目标为无芯片RFID标签；
S2阅读器产生激励信号，由阅读器天线向空间辐射，与待测目标和参考平面相遇后分别产生反射信号，阅读器接收两个反射信号，并且转换为时域信号，待测目标的时域信号包括结构模式信号和天线模式信号；
S3根据时域信号判断待测目标与参考平面的反射信号到达阅读器的先后顺序，确定参考平面及待测目标分别与阅读器天线距离的大小关系；
S4对获得的时域信号进行处理，具体：找到待测目标天线模式信号的发生时间，以该时间为起点，如果待测目标信号在参考目标信号之前，那么在参考平面信号之前的信号都置零，同时对超出阅读范围的信号置零；如果待测目标信号在参考平面之后，那么在待测目标天线模式信号之后的信号都置零，然后对处理后的时域信号进行快速傅里叶变换得到时域信号的频谱；
S5找出可辨认的陷波对应的频率,通过距离差公式
计算出待测目标与参考目标到天线的距离差，根据S3的结果，如果d2>d1，则距离为如果d2<d1，则其中i,j表示陷波的顺序。其中d1是参考平面到阅读天线的距离，d2是待测目标标签到阅读天线的距离，c是真空中的光速，fi、fj表示第i、第j个陷波对应的频率。
利用电磁波干涉相消原理，对于同极化方向、同频率、在同一点的电磁波而言，相位差为(2n+1)π时，发生干涉相消，在频域表现为陷波。
所述S4中，使用STMPM获得天线模式的开始时间。
所述阅读器天线是宽带天线。
所述参考平面是与无芯片RFID标签所用导体材料相同或者性质相似的导体材料构成的平面，参考平面的尺寸大小应与标签的大小相同。
本发明的有益效果：
(1)本发明预先设立的参考平面作为参考位置，利用干涉原理测得待测目标与参考目标到天线的距离差，进而获得待测目标到天线的距离，提供了一种新的距离测量方法。
(2)由于距离差决定相位差，因此对激励信号的稳定性降低了要求。
(3)只需测定待测目标与参考目标到天线的距离差即可得出待测目标的距离，因此不需要确定脉冲精度的起始时间。
附图说明
图1是本发明所应用的测距结构示意图
图2(a)是本发明基于图1参考平面位于(0,500)，标签位于(100,200)，天线等效近似位于(0,57.5)时，天线接收到的并处理过的时域信号的仿真结果；
图2(b)是本发明基于图1参考平面位于(0,500)，标签位于(200,600)，天线等效近似位于(0,57.5)时，天线接收到的并处理过的时域信号的仿真结果；
图3(a)是图2(a)时域信号的快速傅里叶变换并且归一化处理后的结果；
图3(b)是图2(b)时域信号的快速傅里叶变换并且归一化处理后的结果。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
一种基于干涉原理的无芯片RFID测距方法，如图1所示，该方法的实施平台，包括参考平面1、待测目标2、阅读器及阅读器天线3。
所述待测目标是无芯片RFID标签。
所述参考平面是由所述的无芯片RFID标签所用导体材料或者性质相似的导电材料构成的平面。
所述阅读器天线是宽带天线，具体可以是喇叭天线、Vivaldi天线，对数周期天线等。
所述阅读器是一种可以产生超宽带脉冲信号，接收超宽带信号，有一定信号处理能力的阅读器。
具体包括如下步骤：
S1在空间中设置参考平面、待测目标、阅读器及阅读器天线，所述待测目标为无芯片RFID标签；
S2阅读器产生激励信号，由阅读器天线向空间辐射，与待测目标和参考平面相遇后分别产生反射信号，阅读器接收两个反射信号，并且转换为时域信号，待测目标的时域信号包括结构模式信号和天线模式信号；
S3根据时域信号判断待测目标与参考平面的反射信号到达阅读器的先后顺序，确定参考平面及待测目标分别与阅读器天线距离的大小关系；
S4对获得的时域信号进行处理，具体：找到待测目标天线模式信号的发生时间，以该时间为起点，如果待测目标信号在参考目标信号之前，那么在参考平面信号之前的信号都置零，同时对超出阅读范围的信号置零；如果待测目标信号在参考平面之后，那么在待测目标天线模式信号之后的信号都置零，然后对处理后的时域信号进行快速傅里叶变换得到时域信号的频谱；
使用STMPM(Short Time Matrix Pencil Method)获得天线模式的开始时间。
S5找出可辨认的陷波对应的频率,通过距离差公式
计算出待测目标与参考目标到天线的距离差，根据S3的结果，如果d2>d1，则距离为如果d2<d1，则其中i,j表示陷波的顺序。其中d1是参考平面到阅读天线的距离，d2是待测目标标签到阅读天线的距离，c是真空中的光速，fi、fj表示第i、第j个陷波对应的频率。
本方法的原理为：
阅读器产生超宽带脉冲，通过超宽带天线辐射到空间中，电磁波在空间中与参考平面以及标签相遇产生反射波，标签反射频域信号包括结构模式信号和天线模式信号，其中标签天线模式信号与参考平面反射的信号相似，因此使用标签的天线模式信号与参考平面反射的信号进行测距。由于参考平面与标签到阅读天线的距离存在距离差，因此存在相位差，标签的结构模式信号与参考平面反射的信号之间的相位差依据距离决定，不同频率电磁波在相同距离差的情况下对应不同的相位差。当两束同一频率，同一极化方向的电磁波在同一位置相遇，相位差为(2n+1)π时，发生干涉相消。该位置的电场幅度等于两束电磁波电场幅度的差的绝对值。发生干涉相消的电磁波的频率可以用如下式表达：
其中d2表示标签到阅读器天线的距离，d1表示参考目标到阅读器天线的距离，n是整数，f是发生干涉相消现象的电磁波对应的频率，这里假设d2>d1。
因此发生干涉相消现象的电磁波的频率可以用以下两式表达：
其中i，j是整数，表示陷波对应的序号，主要用于衡量陷波对应的关系。
上述两式相减可得，
当d2<d1时，同理可得，
即计算距离差公式为：
当某一频率的电磁在空间一点发生干涉相消，则该点该频率的能量是很小的，在频域上表现为陷波。因此，可以通过查找频谱上的陷波确定发生干涉相消的波的频率。寻找陷波对应的频率代入上述公式就能求得无芯片RFID标签与参考平面到天线的距离差。
本实施例中，所述参考平面为尺寸40mm×40mm的良导体。不失一般性，为简单起见，所述无芯片RFID标签使用40mm×40mm的良导体代替。无芯片RFID标签的结构模式信号与尺寸相当的良导体平面的反射信号相似，因此不会影响验证该方法的正确性。而且良导体反射信号中，结构模式反射信号占主导地位，因此不用进行天线模式信号消除(置零)操作。
如图2(a)及图2(b)所示，具体参数如下。天线位置采用点代替，近似等效位置为(0,57.5)；参考平面中心位置为(0,500)；理想导体代替的无芯片RFID与天线的距离为d2。通过改变d2的值可以检验该方法的正确性。
假设已经获得处理过并且归一化的时域信号。如图2(a)所示，该图表示标签的位置为(100,250)，即d2＝216.9mm时，获得的归一化后的时域信号，标签反射的信号在时间轴上的位置比参考平面反射的信号后，因此d2<d1。将图2(a)信号进行快速傅里叶变换并且归一化，得到图3(a)的结果。选取f1＝8.266GHz，f2＝7.608GHz，根据得d2＝442.5-228＝214.5mm，绝对误差为2.4mm。
假设已经获得处理过并且归一化的时域信号。如图2(b)所示，该图表示标签的位置为(200,600)，即d2＝578.2mm时，获得的归一化后的时域信号，标签反射的信号在时间轴上的位置比参考平面反射的信息前，因此d2>d1。将图2(b)信号进行快速傅里叶变换并且归一化，获得图3(b)的结果，选取f1＝7.362GHz，f2＝8.49GHz，根据可得d2＝442.5+133＝575.5mm，绝对误差为2.7mm。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于干涉原理的无芯片RFID测距方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1 在空间中设置参考平面、待测目标、阅读器及阅读器天线，所述待测目标为无芯片RFID标签；
S2 阅读器产生激励信号，由阅读器天线向空间辐射，与待测目标和参考平面相遇后分别产生反射信号，阅读器接收两个反射信号，并且转换为时域信号，待测目标的时域信号包括结构模式信号和天线模式信号；
S3 根据时域信号判断待测目标与参考平面的反射信号到达阅读器的先后顺序，确定参考平面及待测目标分别与阅读器天线距离的大小关系；
S4 对获得的时域信号进行处理，具体：找到待测目标天线模式信号的发生时间，以该时间为起点，如果待测目标信号在参考目标信号之前，那么在参考平面信号之前的信号都置零，同时对超出阅读范围的信号置零；如果待测目标信号在参考平面之后，那么在待测目标天线模式信号之后的信号都置零，然后对处理后的时域信号进行快速傅里叶变换得到时域信号的频谱；
S5 找出可辨认的陷波对应的频率,通过距离差公式计算出待测目标与参考目标到天线的距离差，根据S3的结果，如果d2>d1，则距离为如果d2<d1，则其中i,j表示陷波的顺序，其中d1是参考平面到阅读天线的距离，d2是待测目标标签到阅读天线的距离，c是真空中的光速，fi、fj表示第i、第j个陷波对应的频率。
2.根据权利要求1所述的一种基于干涉原理的无芯片RFID测距方法，其特征在于，利用电磁波干涉相消原理，对于同极化方向、同频率、在同一点的电磁波而言，相位差为(2n+1)π时，发生干涉相消，在频域表现为陷波。
3.根据权利要求1所述的一种基于干涉原理的无芯片RFID测距方法，其特征在于，所述S4中，使用STMPM获得天线模式的开始时间。
4.根据权利要求1所述的一种基于干涉原理的无芯片RFID测距方法，其特征在于，所述阅读器天线是宽带天线。
5.根据权利要求1所述的一种基于干涉原理的无芯片RFID测距方法，其特征在于，所述参考平面是与无芯片RFID标签所用导体材料相同或者性质相似的导体材料构成的平面，参考平面的尺寸大小应与标签的大小相同。
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