CN112881980A - 多目标射频定位系统、定位方法及初始距离量测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多目标射频定位系统、定位方法及初始距离量测方法，该多目标射频定位系统包含有多个收发器、至少一定位标签、一信号模组及一运算主机，该至少一定位标签设置于欲定位的目标物上，由收发器产生一发射信号及一发射信号电磁波；定位标签接收该发射信号电磁波并产生一调变信号电磁波；该收发器接收该调变信号电磁波并产生一调变信号；该信号模组中的处理单元将该调变信号藉由一识别信号解调变产生一接收信号，并将该接收信号与该发射信号混频得到一中频信号；一运算主机比对该中频信号与对应该中频信号的一初始中频信号得到一相位差，并根据相位差得知该定位标签与各该收发器的初始距离及距离变化量，藉此计算该定位标签的坐标位置。

Description

多目标射频定位系统、定位方法及初始距离量测方法

技术领域

一种射频定位系统、定位方法及初始距离量测方法，藉由定位标签及收发器的双向信号传输，进行射频定位运算定位标签的坐标位置及定位标签中标签天线与收发器的初始距离。

背景技术

应用于手术定位的定位技术包含机械式定位(mechanicalpositioning)、超音波定位(ultrasoundpositioning)、电磁定位(electromagneticpositioning)、光学定位(optical positioning)、射频定位(radiofrequencypositioning)及X光与CT定位等。目前市面上应用于手术导引(surgicalnavigation)的定位技术产品，大多数采用光学定位技术中的红外线定位，由光学探头(opticalprobe)及嵌入反光球(reflectivesphere)的参考框架(dynamicreference frame，DRF)组成，通过将参考框架安装于手术器械及患部上，利用光学技术追踪手术器械及患部的相对位置，再藉由手术导引软体协助医师精准操作器械，然而临床资料显示，光学定位技术存在直视性遮蔽问题且参考框架体积大，手术空间易受局限，装置普遍而言较为笨重，且容易影响医师操作器械手感。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种射频定位系统，利用无线射频的信号传输进行定位。

本发明多目标射频定位系统包含有多个收发器、至少一定位标签、一信号模组及一运算主机，其中：

各收发器包含：

一发射电路，连接一发射天线，该发射电路产生一发射信号，通过该发射天线产生与该发射信号相对应的一发射信号电磁波对外传输；以及

一接收电路，连接一接收天线，该接收电路通过该接收天线截取该至少一定位标签发出的一调变信号电磁波并产生一调变信号；

该至少一定位标签包含：

至少一标签电路与对应连接该标签电路的一标签天线，该标签天线接收该发射天线对外传输的发射信号电磁波，经该标签电路加入对应该标签天线的一识别码，该标签天线产生该调变信号电磁波向外传输；

该信号模组包含：

至少一处理单元、一多工器、一类比数位转换器，其中，该至少一处理单元与该多工器连接，每个处理单元会负责处理所对应标签天线的调变信号，各该处理单元包含有一辨识电路及多个处理电路，该辨识电路提供对应该标签天线的一识别信号给上述多个处理电路，供各该处理电路对该调变信号解调变，得到一接收信号，各该处理电路将该发射信号与该接收信号混频，产生一中频信号，并传输至该多工器，该多工器与该类比数位转换器连接，藉由该多工器简化信号传输的通道数，减少该信号模组所需要的类比数位转换器的通道数量，该类比数位转换器将该多工器传输的中频信号转换为数字信号格式；

该运算主机连接该类比数位转换器，将该中频信号与对应该中频信号的一初始中频信号相互比对得到一相位差，由该相位差计算一距离变化量，并根据该距离变化量进行初始距离量测、各该收发器的坐标位置量测或是多目标射频定位。

本发明初始距离量测方法，测量至少一定位标签中的至少一标签天线与多个收发器的初始距离，步骤包含有：

计算至少一定位标签设置于多个相异且相对位置已知的坐标位置时，该标签天线与设置于多个相异已知坐标位置的多个收发器的距离变化量，当该至少一定位标签设置于各相对位置已知的坐标位置时，进行以下步骤：

各该收发器中的该发射电路产生一发射信号，并通过该发射天线产生一发射信号电磁波向外传输；

该至少一定位标签中的该标签天线接收该发射信号电射波，经过该标签电路加入与该标签天线相对应的一识别码，该标签天线产生一调变信号电磁波向外传输；

各该收发器中的该接收天线接收该调变信号电磁波，与该接收天线相连接的该接收电路根据该调变信号电磁波产生一调变信号，并将该调变信号传送至该信号模组；

该信号模组中的该辨识电路产生对应该标签天线的一识别信号，该处理单元中的各该处理电路藉由该识别信号对该调变信号解调变，产生一接收信号；

各该处理电路将该发射信号与该接收信号混频获得一中频信号，再将该中频信号传输至该多工器；

该多工器接收该处理单元所传输的该中频信号并传送至该类比数位转换器，该类比数位转换器将该中频信号转换为数字信号格式传输至该运算主机；

该运算主机比对该中频信号与对应该中频信号的一初始中频信号，得到一相位差，藉由该相位差，根据距离变化量的计算公式

计算各该收发器与该至少一定位标签中该标签天线的距离变化量，其中，上式中的△D代表距离变化量、λ代表波长、△Φ代表相位差、π代表圆周率。

该运算主机根据该至少一定位标签中该标签天线与各该收发器的距离变化量，计算该标签天线与各该收发器的初始距离。

本发明多目标射频定位方法，测量至少一定位标签中的至少一标签天线的坐标位置，步骤包含有：

计算至少一定位标签设置于待定位的坐标位置时，与设置于多个相异已知坐标位置的多个收发器的距离，进行以下步骤：

各该收发器中的该发射电路产生一发射信号，该发射天线产生一发射信号电磁波向外传输；

该至少一定位标签中的该标签天线接收该发射信号电射波，经过该标签电路加入与该标签天线相对应的一识别码，该标签天线产生一调变信号电磁波向外传输；

各该收发器中的该接收天线接收该调变信号电磁波，与该接收天线相连接的该接收电路根据该调变信号电磁波产生一调变信号，并将该调变信号传送至该信号模组；

该信号模组中的该辨识电路产生对应该标签天线的一识别信号，该处理单元中的各该处理电路藉由该识别信号对该调变信号解调变，产生一接收信号；

各该处理电路将该发射信号及该接收信号混频产生一中频信号，并将该中频信号传送至该多工器；

该多工器接收该处理单元所传输的该中频信号并传送至该类比数位转换器，该类比数位转换器将该中频信号转换为数字信号格式传输至该运算主机；以及

该运算主机比对该中频信号与对应该中频信号的一初始中频信号，得到一相位差，藉由该相位差，根据距离计算公式D＝ΔD+D₁及距离变化量的计算公式

计算各该收发器与该标签天线的距离，其中，D代表距离、ΔD代表距离变化量、D1代表初始距离、λ代表波长、△Φ代表相位差、π代表圆周率；

该运算主机根据该至少一定位标签中该标签天线与各该收发器的距离及各该收发器的已知坐标位置，计算该标签天线的坐标位置。

本发明通过该至少一定位标签与多个收发器双向电磁波信号传输，计算该至少一定位标签中该标签天线与多个收发器的初始距离，可应用于射频定位装置的初始化；执行射频定位时，本发明通过该标签天线与多个收发器的初始距离，以及各收发器对应该标签天线的中频信号与初始中频信号的相位差，量测该至少一定位标签中该标签天线的坐标位置及该至少一定位标签的方位。

附图说明

图1：本发明多目标射频定位系统的示意图。

图2：本发明多目标射频定位系统中收发器的示意图。

图3：本发明多目标射频定位系统中定位标签的示意图。

图4A：本发明多目标射频定位系统中信号模组的示意图。

图4B：本发明多目标射频定位系统中处理单元的示意图。

图5A：不同频率的发射信号的波形示意图。

图5B：不同时段的发射信号的波形示意图。

图5C：不同频率、不同时段的发射信号的波形示意图。

图6：测量标签天线与收发器初始距离的流程图。

图7A：第一实施例中多目标射频定位系统的示意图。

图7B：第一实施例中多目标射频定位系统的处理单元的示意图。

图8：第一实施例中定位标签安装治具的示意图。

图9：测量标签天线坐标位置的流程图。

图10A：第二实施例中多目标射频定位系统的示意图。

图10B：第二实施例中多目标射频定位系统的处理单元的示意图。

图11：本发明多目标射频定位系统实际应用的示意图。

具体实施方式

请参看图1所示，本发明多目标射频定位系统包含有多个收发器10、至少一定位标签20、一信号模组30及一运算主机40。

请参看图2所示，各该收发器10包含有一发射电路11、一发射天线12、一接收电路13及一接收天线14，该发射电路11与该发射天线12连接，该接收电路13与该接收天线14连接；该发射电路11产生一发射信号，由该发射天线12发射与该发射信号相对应的发射信号电磁波向外传输，该接收电路13通过该接收天线14撷取该至少一定位标签20传输的一调变信号电磁波，并产生一调变信号。

请参看图3所示，该至少一定位标签20包含有至少一标签电路21及与该至少一标签电路21对应连接的一标签天线22，该标签天线22接收该发射天线12对外传输的该发射信号电磁波，经该标签电路21加入对应该标签天线22的一识别码，该标签天线22产生该调变信号电磁波向外传输，其中，不同的标签天线22具有不同的识别码，根据该识别码即可辨识该调变信号电磁波由哪一个标签天线22发出。

请参看图4A所示，该信号模组30包含有至少一处理单元31、一多工器32及一类比数位转换器33，该至少一处理单元31与该多工器32连接，每个处理单元31会负责处理所对应标签天线22的调变信号，因此处理单元31的总数量等同于标签天线22的总数量，进一步参看图4B所示，该处理单元31包含有一辨识电路311及多个处理电路312，该辨识电路311提供对应该标签天线22的识别信号给上述多个处理电路312，供上述多个处理电路312对该调变信号解调变，得到一接收信号，并将该发射信号与该接收信号混频，产生一中频信号，并传输至该多工器32；该多工器32与该类比数位转换器33连接，藉由该多工器32简化信号传输的通道数，减少该信号模组30所需要的类比数位转换器33的通道数量；该类比数位转换器33将该多工器传输的中频信号转换为数字信号格式传输至该运算主机40；其中，该处理单元31中上述多个处理电路312的总数量等同于上述多个收发器10的总数量。

该运算主机40连接该类比数位转换器33，将该中频信号与对应该中频信号的一初始中频信号比对得到一相位差，根据相位差进行距离及位置坐标的运算。由于该距离的计算方法是通过信号相位比对获得，该距离的距离计算误差会小于一个波长，因此可提升计算该位置坐标的精准度。

其中，本发明多目标射频定位系统中该发射信号通过频率调变，为了能够区别各该收发器10所产生的发射信号，每个发射电路11会设计成不同的频率调变区间，如图5A所示，以使用三个该收发器10为例，则三组发射信号TX1～TX3可以采用不同的频率调变区间，达到分频多工；亦可如图5B所示，以使用四个该收发器10为例，将每个发射电路11设计成在不同时段依序产生发射信号TX1～TX4，达到分时多工；又或者如图5C所示，以使用四个该收发器10为例，四组发射信号TX1～TX4以分时分频的方式加以区分，使得同时间或同频率的发射信号不会重叠，达到区隔识别的目的。

本发明射频定位系统进行射频定位前，需要进行系统初始化，首先对各该收发器10进行位置坐标的量测，藉由定位标签20与收发器10之间双向电磁波信号传输，定位找出各该收发器10的位置坐标；定位找出各该收发器10的位置坐标后，进行定位标签20中该标签天线22与各该收发器10的初始距离测量，以进行定位标签20的射频定位计算。

请参看图6所示，本发明初始距离量测方法，测量该标签天线22与各该收发器10初始距离的步骤包含有：

S101：计算至少一定位标签20设置于多个相异且相对位置已知的坐标位置时，与设置于多个相异已知坐标位置的多个收发器10的距离变化量，当该至少一定位标签20设置于各相对位置已知的坐标位置时，本步骤进行以下步骤S102～S108：

S102：各该收发器10中的该发射电路11产生一发射信号，并通过该发射天线12产生一发射信号电磁波，将该发射信号以电磁波形式向外传输；

S103：该至少一定位标签20中的该标签天线22接收该发射信号电射波，经过该标签电路21加入与该标签天线22相对应的一识别码，该标签天线22产生一调变信号电磁波向外传输；

S104：各该收发器10中的该接收天线14接收该调变信号电磁波，与该接收天线14相连接的该接收电路13根据该调变信号电磁波产生一调变信号，并将该调变信号传送至该信号模组30；

S105：该信号模组30中该处理单元31中该辨识电路311产生对应该标签天线22的识别信号，该处理单元31中的各该处理电路312藉由该识别信号对该调变信号解调变，产生一接收信号；

S106：各该处理电路312将该发射信号与该接收信号混频获得一中频信号IF，再将该中频信号IF传输至该多工器32；

S107：该多工器32接收该处理单元31所传输的该中频信号IF并传送至该类比数位转换器33，该类比数位转换器33将该中频信号IF转换为数字信号格式传输至该运算主机40；

S108：该运算主机40比对该中频信号IF与对应该中频信号IF的一初始中频信号IF₁，得到一相位差△Φ，藉由该相位差△Φ，根据距离变化量ΔD的计算公式

计算各该收发器10与该至少一定位标签20中该标签天线22的距离变化量ΔD；

S109：该运算主机40根据该定位标签20中该标签天线22与各该收发器10的距离变化量ΔD计算该标签天线22与各该收发器10的初始距离。

在步骤S106中，该处理单元31中的各该处理电路312可将第一个发射信号与第一个接收信号混频所得到的一中频信号定义为一初始中频信号。

请参看图7A及图7B所示，以包含有四个收发器10a～10d、一定位标签20、一信号模组30及一运算主机40的一射频定位系统于三维环境中分时多工运作的第一实施例，说明上述步骤S101～S109，而三维环境中至少需要四个相异且相对位置已知的该定位标签20的位置求解该定位标签20中各标签天线22与四个收发器10a～10d的初始距离，本实施例中以六个相异且相对位置已知的该定位标签20的位置为例，且该定位标签20包含有三个标签电路21及三个标签天线22，为了方便说明以下的电路动作，在此特别将该定位标签20中的三个标签天线标示为A1～A3。在环境中摆放该定位标签20于一第一未知坐标位置，并固定设置第一～第四收发器10a～10d于已知坐标位置(x_a，y_a，z_a)、(x_b，y_b，z_b)、(x_c，y_c，z_c)、(x_d，y_d，z_d)，而上述第一～第四收发器10a～10d与一信号模组30连接，该信号模组30包含有三个处理单元31a～31c、一多工器32及一类比数位转换器33，且该信号模组30与一运算主机40连接。

请参看图8所示，该定位标签20可安装于一治具上，该治具具有多个安装插槽，各安装插槽间x轴、y轴、z轴间的距离变化量为已知，以安装在插槽A及插槽B的定位标签20坐标为例，该定位标签20安装于插槽A的坐标(x_A，y_A，z_A)及安装于插槽B的坐标(x_B，y_B，z_B)间的x轴距离变化量Δx、y轴的距离变化量Δy及z轴的距离变化量△z可通过该治具得知，以供该运算主机40进行步骤S109。

首先，该第一收发器10a中的该发射电路11a产生一发射信号S_a，并通过与其连接的该发射天线12a发射与该发射信号S_a相对应的发射信号电磁波E_a，且该发射信号S_a亦会传送至三个处理单元31a～31c的该处理电路312a中；该定位标签20通过三个标签天线A1～A3接收该发射信号电磁波E_a后，由该标签电路21a加入该标签天线A1的一识别码而产生的调变信号电磁波标示为E_at1A1，由该标签电路21b、21c加入第二、第三标签天线A2、A3的一识别码而产生的调变信号电磁波标示为E_at1A2、E_at1A3，三个标签天线A1～A3将调变信号电磁波E_at1A1、E_at1A2、E_at1A3向外传输；该接收天线14a接收调变信号电磁波E_at1A1、E_at1A2、E_at1A3，接着该接收电路13a产生与调变信号电磁波E_at1A1、E_at1A2、E_at1A3相对应的一调变信号S_at1A1、S_at1A2、S_at1A3。

同理，该第二～第四收发器10b、10c、10d中的多个发射电路11b～11d依序产生发射信号，并通过与其连接的该发射天线12b～12d输出发射信号电磁波；该定位标签20通过三个标签天线A1～A3依序接收上述多个发射信号电磁波，由该标签电路21a加入该标签天线A1的一识别码而产生的调变信号电磁波标示为E_bt1A1、E_ct1A1、E_dt1A1，由该标签电路21b、21c加入第二、第三标签天线A2、A3的一识别码而产生的调变信号电磁波标示为E_bt1A2、E_ct1A2、E_dt1A2、E_bt1A3、E_ct1A3、E_dt1A3，三个标签天线A1～A3将上述多个调变信号电磁波向外传输；多个接收天线14b～14d接收上述多个调变信号电磁波，接着多个接收电路13b～13d产生分别与上述多个调变信号电磁波相对应的调变信号。

该信号模组30中的第一处理单元31a接收第一收发器10a所传输对应于该标签天线A1的调变信号S_at1A1，该第一处理单元31a中该辨识电路311a产生对应于该标签天线A1的一识别信号，供处理电路312a对调变信号S_at1A1解调变，产生相对应的接收信号S_at1A1′；第一处理单元31a接收第二～第四收发器10b～10d所传输对应于该标签天线A1的调变信号，该第一处理单元31a中该辨识电路311a产生对应于该标签天线A1的一识别信号，供处理电路312b～312d对调变信号解调变，产生相对应的接收信号。

同理，该信号模组30中的第二、第三处理单元31b～31c接收第一收发器10a所传输对应于上述多个标签天线A2、A3的调变信号S_at1A2、S_at1A3，该第二处理单元31b、该第三处理单元31c中该辨识电路311b、311c产生对应于上述多个标签天线A2、A3的一识别信号，供该第二处理单元31b、该第三处理单元31c中各处理电路312a分别对调变信号S_at1A2、S_at1A3解调变，产生相对应的接收信号S_at1A2′、S_at1A3′；第二、第三处理单元31b、31c接收第二～第四收发器10b～10d所传输对应于上述多个标签天线A2、A3的调变信号，该第二处理单元31b、该第三处理单元31c中该辨识电路311b、311c产生对应于该标签天线A2、A3的一识别信号，供处理电路312b～312d对调变信号解调变，产生相对应的接收信号。

该第一处理单元31a将发射信号S_a分别与接收信号S_at1A1′进行混频，产生第一收发器10a对应于标签天线A1设置于第一未知位置时的一初始中频信号S_at1A1″；该第二、第三处理单元31b、31c将发射信号Sa分别与接收信号S_at1A2′、S_at1A3′进行混频，产生第一收发器10a对应于标签天线A2、A3设置于第一未知位置时的一初始中频信号S_at1A2″、S_at1A3″。

同理，该第一～第三处理单元31a～31c将第二～第四收发器10b～10d的发射信号分别与接收信号进行混频，产生第二～第四收发器10b～10d对应于标签天线A1～A3设置于第一未知位置时的初始中频信号。

该多工器32接收该第一～第三处理单元31a～31c所传输的上述多个初始中频信号，并传输至该类比数位转换器33，该类比数位转换器33将上述多个初始中频信号转换为数字信号格式，并传输至该运算主机40。

将该定位标签20放置于一第二位置，该第二位置与该第一未知坐标位置的相对位置已知，以第一收发器10a为例，该第一收发器10a中的该发射电路11a产生一发射信号S_a，并通过与其连接的该发射天线12a发射与该发射信号S_a相对应的发射信号电磁波E_a，且该发射信号S_a亦会传送至三个处理单元31a～31c的该处理电路312a中；该定位标签20通过三个标签天线A1～A3接收该发射信号电磁波E_a后，由该标签电路21a加入该标签天线A1的一识别码而产生的调变信号电磁波标示为E_at2A1，由该标签电路21b、21c加入第二、第三标签天线A2、A3的一识别码而产生的调变信号电磁波标示为E_at2A2、E_at2A3，三个标签天线A1～A3将调变信号电磁波E_at2A1、E_at2A2、E_at2A3向外传输；该接收天线14a接收调变信号电磁波E_at2A1、E_at2A2、E_at2A3，接着该接收电路13a产生与调变信号电磁波E_at2A1、E_at2A2、E_at2A3相对应的一调变信号S_at2A1、S_at2A2、S_at2A3。

该信号模组30中的第一～第三处理单元31a～31c接收第一收发器10a所传输对应于上述多个标签天线A1～A3的调变信号S_at2A1、S_at2A2、S_at2A3，该第一～第三处理单元31a～31c中上述多个辨识电路311a～311c产生对应于上述多个标签天线A1～A3的一识别信号，供第一～第三处理单元31a～31c中各处理电路312a分别对调变信号S_at2A1、S_at2A2、S_at2A3解调变，产生相对应的接收信号S_at2A1′、S_at2A2′、S_at2A3′。

该第一～第三处理单元31a～31c将发射信号S_a分别与接收信号S_at2A1′、S_at2A2′、S_at2A3′进行混频，产生第一收发器10a对应于标签天线A1～A3设置于该第二位置时的一中频信号S_at2A1″、S_at2A2″、S_at2A3″。

该多工器32接收第一～第三处理单元31a～31c所传输该第一收发器10a的中频信号S_at2A1″、S_at2A2″、S_at2A3″，并传输至该类比数位转换器33，该类比数位转换器33将中频信号S_at2A1″、S_at2A2″、S_at2A3″转换为数字信号格式传输至该运算主机40。

该运算主机将中频信号S_at2A1″、S_at2A2″、S_at2A3″的相位分别与初始中频信号S_at1A1″、S_at1A2″、S_at1A3″的相位进行比对，得到该第一收发器10a对应标签天线A1～A3的相位差ΔΦ_at2A1、ΔΦ_at2A2、ΔΦ_at2A3。

同理，该第二～第四收发器10b～10d中的上述多个发射电路11b～11d产生发射信号，并通过与其连接的上述多个发射天线12b～12d发射与上述多个发射信号相对应的发射信号电磁波，且上述多个发射信号亦会传送至三个处理单元31a～31c的该处理电路312a中；该定位标签20通过三个标签天线A1～A3接收上述多个发射信号电磁波后，由标签电路21a～21c于上述多个发射信号电磁波中加入对应于标签天线A1～A3的一识别码产生调变信号电磁波，再由三个标签天线A1～A3将上述多个调变信号电磁波向外传输；上述多个接收天线14b～14d接收调变信号电磁波，接着该接收电路13b～13d产生与上述多个调变信号电磁波相对应的调变信号。

该信号模组30中的第一～第三处理单元31a～31c接收该第二～第四收发器10b～10d所传输对应于上述多个标签天线A1～A3的调变信号，该第一～第三处理单元31a～31c中上述多个辨识电路311a～311c产生对应于上述多个标签天线A1～A3的一识别信号，供第一～第三处理单元31a～31c中各处理电路312b～312d分别对调变信号解调变，产生相对应的接收信号。

该第一～第三处理单元31a～31c将该第二～第四收发器10b～10d的发射信号分别与接收信号进行混频，产生该第二～第四收发器10b～10d对应于标签天线A1～A3设置于该第二位置时的多个中频信号。

该多工器32接收第一～第三处理单元31a～31c所传输该第二～第四收发器10b～10d的上述多个中频信号，并传输至该类比数位转换器33，该类比数位转换器33将该第二～第四收发器10b～10d的上述多个中频信号转换为数字信号格式传输至该运算主机40。

该运算主机40将上述多个中频信号分别与所对应的上述多个初始中频信号进行相位比对，得到第二～第四收发器10b～10d对应标签天线A1～A3的多个相位差。

接着，将该定位标签20依序放置于一第三位置、一第四位置、一第五位置、一第六位置上，该第三～第六位置与该第一未知坐标位置的相对位置已知，重复上述流程S102～S107，该运算主机40得到该定位标签20于该第三～第六位置时，第一～第四收发器10a～10d对应标签天线A1～A3的多个相位差。

在步骤S108中，以量测该第一收发器10a与标签天线A1～A3的距离变化量为例，该运算主机40可由上述多个相位差ΔΦ_at2A1～ΔΦ_at2A3、ΔΦ_at3A1～ΔΦ_at3A3、ΔΦD_at4A1～ΔΦ_at4A3、ΔΦ_at5A1～ΔΦ_at5A3、ΔΦ_at6A1～ΔΦ_at6A3根据公式ΔD＝λ△Φ/2π得知该定位标签20中标签天线A1～A3设置于该第二～第六位置时分别与该第一未知坐标位置的距离变化量ΔD_at2A1～ΔD_at6A1、ΔD_at2A2～ΔD_at6A2、ΔD_at2A3～ΔD_at6A3，得到下列关系式：

(D_atlA1)²＝(x_a-x_tlA1)²+(y_a-y_tlA1)²+(z_a-z_tlA1)²

(D_atlA1+ΔD_at2A1)²＝(x_a-(x_tlAl+Δx_t2A1))²+(y_a-(y_tlA1+Δy_t2A1))²+(z_a-(z_tlA1+Δz_t2A1))²

(D_atlA1+ΔD_at3A1)²＝(x_a-(x_tlAl+Δx_t3A1))²+(y_a-(y_tlAl+Δy_t3A1))²+(z_a-(z_tlAl+Δz_t3A1))²

(D_atlA1+ΔD_at4A1)²＝(x_a-(x_t1A1+Δx_t4A1))²+(y_a-(y_t1A1+Δy_t4A1))²+(z_a-(z_t1A1+Δz_t4A1))²

(D_at1A1+ΔD_at5A1)²＝(x_a-(x_t1A1+Δx_t5A1))²+(y_a-(y_t1A1+Δy_t5A1))²+(z_a-(z_t1A1+Δz_t5A1))²

(D_at1A1+ΔD_at6A1)²＝(x_a-(x_t1A1+Δx_t6A1))²+(y_a-(y_t1A1+Δy_t6A1))²+(z_a-(z_t1A1+Δz_t6A1))²

其中，(x_t1A1，y_t1A1，z_t1A1)代表该标签天线A1设置于该第一未知坐标位置时的未知坐标，已知量Δx_t2A1～Δx_t6A1代表该定位标签20中该标签天线A1设置于该第二～第六位置时与该第一未知坐标位置的x轴方向距离变化量，已知量Δy_t2A1～Δy_t6A1代表该定位标签20中该标签天线A1设置于该第二～第六位置时与该第一未知坐标位置的y轴方向距离变化量，已知量Δz_t2A1～Δz_t6A1代表该定位标签20中该标签天线A1设置于该第二～第六位置时与该第一未知坐标位置的z轴方向距离变化量。

在步骤S109中，以标签天线A1与第一收发器10a为例，该运算主机40通过该标签天线A1设置于该第二～第六位置时分别与该第一未知坐标位置的距离变化量ΔD_at2A1～ΔD_at6A1，得到下列关系矩阵：

再通过下列关系矩阵得知该定位标签20中该标签天线A1设置于该第一未知坐标位置时与第一收发器10a的初始距离D_at1A1：

以此类推，该运算主机40可通过上述方法得知该定位标签20中该标签天线A2、A3设置于该第一未知坐标位置时与第一收发器10a的初始距离D_at1A2、D_at1A3。

同理，该运算主机40亦可通过上述方法得知该定位标签20中该标签天线A1、A2、A3设置于该第一未知坐标位置时与第二～第四收发器10b～10d的初始距离。

一定位标签20中的该标签天线22经过初始距离量测后，在多个收发器10不移动的情况下，即可通过将该定位标签20设置于欲定位的目标位置，对欲定位目标进行射频定位，请参看图9所示，本发明多目标的射频定位方法的步骤包含有：

S201：计算至少一定位标签20设置于待定位的坐标位置时，该标签天线22与设置于多个相异已知坐标位置的多个收发器10的距离，进行以下步骤S202～S208；

S202：各该收发器10中的该发射电路11产生一发射信号，该发射天线12产生一发射信号电磁波向外传输；

S203：该至少一定位标签20中的该标签天线22接收该发射信号电射波，经过该标签电路21加入与该标签天线22相对应的一识别码，该标签天线22产生一调变信号电磁波向外传输；

S204：各该收发器10中的该接收天线14接收该调变信号电磁波，与该接收天线14相连接的该接收电路13根据该调变信号电磁波产生一调变信号，并将该调变信号传送至该信号模组30；

S205：该信号模组30中该辨识电路311产生对应该标签天线22的一识别信号，该处理单元31中的各该处理电路312藉由该识别信号对该调变信号解调变，产生一接收信号；

S206：各该处理电路312将该发射信号及该接收信号混频产生一中频信号，并将该中频信号传送至该多工器32；

S207：该多工器32接收该处理单元31所传输的该中频信号并传送至该类比数位转换器33，该类比数位转换器33将该中频信号转换为数字信号格式传输至该运算主机40；

S208：该运算主机40比对该中频信号与对应该中频信号的一初始中频信号，得到一相位差△Φ，藉由该相位差△Φ，根据距离计算公式D＝ΔD+D₁及距离变化量的计算公式

计算各该收发器10与该定位标签20中该标签天线22的距离；

S209：该运算主机40根据该定位标签20中该标签天线22与各该收发器10的距离及各该收发器10的已知坐标位置，计算该标签天线22的坐标位置。

在步骤S208中，该初始中频信号为该标签天线22于该初始距离量测步骤S106中，各该处理电路312将第一个发射信号与第一个接收信号混频所得到的中频信号。

请参看图10A及图10B所示，以包含有四个收发器10a～10d、一定位标签20、一信号模组30及一运算主机40的一射频定位系统于三维环境中分时多工运作的第二实施例，说明上述步骤S201～S209。本实施例中固定设置第一～第四收发器10a～10d于已知坐标位置(x_a，y_a，z_a)、(x_b，y_b，z_b)、(x_c，y_c，z_c)、(xd，yd，zd)，而上述第一～第四收发器10a～10d与一信号模组30连接，该信号模组30包含有三个处理单元31a～31c、一多工器32及一类比数位转换器33，且该信号模组30与一运算主机40连接，而该定位标签20包含有三个标签电路21及三个标签天线22，为了方便说明以下的电路动作，在此特别将该定位标签20中的三个天线标示为A1～A3。

首先，该定位标签20设置于未知的一欲定位位置，以该标签天线A1为例，该第一收发器10a中的该发射电路11a产生一发射信号S_a，并通过与其连接的该发射天线12a发射与该发射信号S_a相对应的发射信号电磁波E_a，且该发射信号S_a亦会传送至该处理单元31a的该处理电路312a中；该定位标签20通过该标签天线A1接收该发射信号电磁波E_a后，由该标签电路21a加入该标签天线A1的一识别码，该标签天线A1产生一调变信号电磁波E_atA1向外传输；该接收天线14a接收调变信号电磁波E_atA1，接着该接收电路13a产生与调变信号电磁波E_atA1相对应的一调变信号S_atA1。

同理，上述第二～第四收发器10b、10c、10d中的多个发射电路11b～11d依序产生发射信号S_b、S_c、S_d，并通过与其连接的该发射天线12b～12d输出相对应的发射信号电磁波E_b、E_c、E_d；该定位标签20通过该标签天线A1依序接收上述多个发射信号电磁波E_b、E_c、E_d，由该标签电路21a于加入该标签天线A1的一识别码，该标签天线A1产生多个调变信号电磁波E_btA1、E_ctA1、E_dtA1向外传输；多个接收天线14b～14d接收上述多个调变信号电磁波E_btA1、E_ctA1、E_dtA1，接着多个接收电路13b～13d产生分别与上述多个调变信号电磁波相对应的调变信号S_btA1、S_ctA1、S_dtA1。

该信号模组30中的第一处理单元31a接收第一收发器10a所传输对应于该标签天线A1的调变信号S_atA1，该第一处理单元31a中该辨识电路311a产生对应于该标签天线A1的一识别信号，供处理电路312a对调变信号S_atA1解调变，产生相对应的接收信号S_atA1′；同理，该信号模组30中的第一处理单元31a接收第二～第四收发器10b～10d所传输对应于该标签天线A1的调变信号S_btA1、S_ctA1、S_dtA1，该第一处理单元31a中该辨识电路311产生对应于该标签天线A1的一识别信号，供处理电路312b～312d对调变信号S_btA1、S_ctA1、S_dtA1解调变，产生相对应的接收信号S_btA1′、S_ctA1′、S_dtA1′。

该第一处理单元31a将发射信号S_a、S_b、S_c、S_d分别与接收信号S_atA1′、S_btA1′、S_ctA1′、S_dtA1′进行混频，产生第一～第四收发器10a～10d对应于标签天线A1设置于该欲定位位置时的中频信号S_atA1″、S_btA1″、S_ctA1″、S_dtA1″。

依此类推，以标签天线A2、A3为例，该第一～第四收发器10a～10d中的上述多个发射电路11a～11d产生一发射信号，并通过与其连接的该发射天线12a～12d发射与该发射信号相对应的发射信号电磁波，且该发射信号亦会传送至多个处理单元31b、31c的多个处理电路312a～312d中；该定位标签20通过上述多个标签天线A2、A3接收上述多个发射信号电磁波后，由多个标签电路21b、21c加入上述多个标签天线A2、A3的一识别码，上述多个标签天线A2、A3产生多个调变信号电磁波向外传输；多个接收天线14a～14d接收调变信号电磁波，接着多个接收电路13a～13d产生与调变信号电磁波相对应的调变信号。

该信号模组30中的第二、第三处理单元31b、31c接收第一～第四收发器10a～10d所传输对应于上述多个标签天线A2、A3的调变信号，该第二、第三处理单元31b、31c中该辨识电路311b、311c产生对应于上述多个标签天线A2、A3的一识别信号，供上述多个处理电路312a～312d对调变信号解调变，产生相对应的接收信号；该第二、第三处理单元31b、31c将第一～第四收发器10a～10d的发射信号分别与接收信号进行混频，产生第一～第四收发器10a～10d对应于标签天线A2～A3设置于该欲定位位置时的各中频信号。

第一～第三处理单元31a～31c将第一收发器10a对应于标签天线A1～A3设置于该欲定位位置时的各中频信号传输至该多工器32，而该多工器32将第一收发器10a对应于标签天线A1～A3设置于该欲定位位置时的各中频信号传送至该类比数位转换器33，再由该类比数位转换器33将第一收发器10a对应于标签天线A1～A3设置于该欲定位位置时的各中频信号转换为数字信号格式传输至该运算主机40。

同理，该第一～第三处理单元31a～31c依序将第二～第四收发器10b～10d对应于标签天线A1～A3设置于该欲定位位置时的各中频信号传输至该多工器32，而该多工器32依序将第二～第四收发器10b～10d对应于标签天线A1～A3设置于该欲定位位置时的各中频信号传送至该类比数位转换器33，再由该类比数位转换器33依序将第二～第四收发器10b～10d对应于标签天线A1～A3设置于该欲定位位置时的各中频信号转换为数字信号格式传输至该运算主机40。

该运算主机40藉由该标签天线A1于该初始距离量测中所得到的初始中频信号S_at1A1″、S_bt1A1″、S_ct1A1″、S_dt1A1″，分别与中频信号S_atA1″、S_btA1″、S_ctA1″、S_dtA1″进行相位比对，得到相位差ΔΦ_atA1、ΔΦ_btA1、ΔΦ_ctA1、ΔΦ_dtA1。

在步骤S208中，以量测第一～第四收发器10a与标签天线A1的距离为例，该运算主机40可由上述多个相位差ΔΦ_atA1、ΔΦ_btA1、ΔΦ_ctA1、ΔΦ_dtA1根据公式ΔD＝λΔΦ/2π得知该标签天线A1设置于该欲定位位置时与第一坐标位置的距离变化量ΔD_atA1、ΔD_btA1、ΔD_ctA1、ΔD_dtA1，并根据距离D＝距离变化量ΔD+初始距离D₁得到下列关系式：

D_atAl＝ΔD_atA1+D_at1Al

D_btAl＝ΔD_btAl+D_bt1A1

D_ctAl＝ΔD_ctA1+D_ct1Al

D_dtAl＝ΔD_dtAl+D_dt1A1

在步骤S209中，以该定位标签20中的该标签天线A1为例，该运算主机40可通过该第一～第四收发器10a～10d的已知坐标位置(x_a，y_a，z_a)、(x_b，y_b，z_b)、(x_c，y_c，z_c)、(x_d，y_d，z_d)，根据以下关系式计算该标签天线A1的坐标位置：

同理，该运算主机40可根据上述流程，计算上述多个标签天线A2、A3的坐标位置(x_tA2，y_tA2，z_tA2)、(x_tA3，y_tA3，z_tA3)。

当该运算主机40得知上述多个标签天线A1～A3坐标位置后，可进一步依下式计算该定位标签20的方位(u，v，w)。

u＝(x_tA2-x_tA1，y_tA2-y_tA1，z_tA2-z_tA1)

v′＝(x_tA3-x_tA1，y_tA3-y_tA1，z_tA3-z_tA1)

w＝u×v′

v＝w×u

于另一实施例中包含四个收发器10a～10d、三个定位标签20，一信号模组30及一运算主机40，其中，各该定位标签20具有一个标签电路21及一个标签天线22，而该信号模组30具有三个处理单元31a～31c、一多工器32及一类比数位转换器33，各处理单元31具有一辨识电路311及四个处理电路312a～312d，以下为方便说明，将三个定位标签20中的该标签天线22分别标示为A1、A2、A3。该三个定位标签设置于一欲被定位的目标上。

该运算主机40经由该信号模组30，接收该三个处理单元30a～30c输出的多个中频信号，并藉由该三个标签天线A1、A2、A3于初始距离量测中所得到的初始中频信号及初始距离，分别计算出该三个标签天线A1、A2、A3的坐标位置(x_t1A1，y_t1A1，z_t1A1)、(x_t2A2，y_t2A2，z_t2A2)、(x_t3A3，y_t3A3，z_t3A3)，且该运算主机40可再依下式进一步计算该目标物的方位(u，v，w)。

u＝(x_t2A2-x_t1A1，y_t2A2-y_t1A1，z_t2A2-z_t1A1)

v′＝(x_t3A3-x_t1A1，y_t3A3-y_t1A1，z_t3A3-z_t1A1)

w＝u×v′

v＝w×u

综上所述，本发明可基于收发器10与定位标签20之间双向电磁波信号传输，定位找出定位标签20的坐标位置。进一步参看图11所示，本发明方法可应用于手术定位装置的术前架设流程及定位流程中，通过上述多个收发器10的发射信号及接收信号进行射频定位演算，量测定位标签20中各标签天线22与各收发器10的初始距离，在上述多个收发器10位置已知且固定的情形下，根据各标签天线22与各收发器10的距离，计算各标签天线22的坐标位置，供手术定位装置于手术中精准运算安装于手术器械及病患患部的定位标签20的位置及方位，以减少因电路延迟使得收发器10天线的相位中心不在收发器10几何中心上导致的运算误差，并通过中频信号相位比对提升标签天线22的坐标位置及定位标签20的方位的精准度，使医生能更精准的操作器械，提升手术品质。

Claims (14)

1.一种多目标射频定位系统，其特征在于，包含有多个收发器、至少一定位标签、一信号模组及一运算主机，其中：

各收发器包含：

一发射电路，连接一发射天线，所述发射电路产生一发射信号，通过所述发射天线产生与所述发射信号相对应的一发射信号电磁波对外传输；以及

一接收电路，连接一接收天线，所述接收电路通过所述接收天线截取所述至少一定位标签发出的一调变信号电磁波并产生一调变信号；

所述至少一定位标签包含：

至少一标签电路与对应连接所述标签电路的一标签天线，所述标签天线接收所述发射天线对外传输的所述发射信号电磁波，经所述标签电路加入对应所述标签天线的一识别码，所述标签天线产生所述调变信号电磁波向外传输；

所述信号模组连接各收发器，且包含有：

至少一处理单元，包含有一辨识电路及多个处理电路，所述处理电路的数目与所述收发器的总数一致，所述辨识电路提供对应所述标签天线的一识别信号给所述多个处理电路，供各所述处理电路对所述调变信号解调变得到一接收信号，各所述处理电路将所述发射信号与所述接收信号混频，产生一中频信号；

一多工器，与所述至少一处理单元连接，接收所述至少一处理单元传输的所述中频信号并向外传输；以及

一类比数位转换器，与所述多工器连接，藉由所述多工器简化信号传输的通道数，减少所述信号模组所需要的类比数位转换器的通道数量，所述类比数位转换器将所述多工器传输的所述中频信号转换为数字信号格式；

所述运算主机连接所述类比数位转换器，将所述中频信号与对应所述中频信号的一初始中频信号相互比对得到一相位差，由所述相位差计算一距离变化量，并根据所述距离变化量进行初始距离量测、各所述收发器的坐标位置量测或是多目标射频定位。

2.如权利要求1所述的多目标射频定位系统，其特征在于，所述多个收发器的多个发射电路，以分频多工、分时多工、分频分时多工三种方式中其中一种产生所述多个发射信号，在同时间发出的发射信号频率不会重叠。

3.如权利要求1所述的多目标射频定位系统，其特征在于，所述至少一定位标签包含多个标签电路，各所述标签电路连接至对应的标签天线，所述标签天线的总数目与所述标签电路的数目相同；所述信号模组中的所述至少一处理单元的数目与所述标签天线的总数相同，每个处理单元负责处理所对应标签天线的调变信号。

4.如权利要求1所述的多目标射频定位系统，其特征在于，所述至少一定位标签为多个定位标签；所述信号模组中的所述至少一处理单元的数目与所述标签天线的总数相同，每个处理单元负责处理所对应标签天线的调变信号。

5.一种初始距离量测方法，其特征在于，包含有：

A.计算至少一定位标签设置于多个相异且相对位置已知的坐标位置时，所述至少一定位标签中的一标签天线与设置于多个相异已知坐标位置的多个收发器的距离变化量，当所述至少一定位标签设置于各相对位置已知的坐标位置时，进行以下步骤：

a1.各所述收发器中的一发射电路产生一发射信号，并通过与所述发射电路连接的一发射天线产生一发射信号电磁波向外传输；

a2.所述至少一定位标签中的所述标签天线接收所述发射信号电射波，经过与所述标签天线连接的一标签电路加入与所述标签天线相对应的一识别码，所述标签天线产生一调变信号电磁波向外传输；

a3.各所述收发器中的一接收天线接收所述调变信号电磁波，与所述接收天线连接的一接收电路根据所述调变信号电磁波产生一调变信号，并将所述调变信号传送至一信号模组；

a4.所述信号模组中的至少一处理单元中的一辨识电路产生对应所述标签天线的一识别信号，所述至少一处理单元中的多个处理电路藉由所述识别信号对所述调变信号解调变，产生一接收信号；

a5.各所述处理电路将所述发射信号与所述接收信号混频产生一中频信号，并将所述中频信号传送至一多工器；

a6.所述多工器接收所述至少一处理单元所传输的所述中频信号并传送至一类比数位转换器，所述类比数位转换器将所述中频信号转换为数字信号格式传输至一运算主机；

a7.所述运算主机比对所述中频信号与对应所述中频信号的一初始中频信号，得到一相位差，藉由所述相位差，根据距离变化量的计算公式计算各所述收发器与所述至少一定位标签中所述标签天线的距离变化量；

B.所述运算主机根据所述至少一定位标签中所述标签天线与各所述收发器的距离变化量，计算所述标签天线与各所述收发器的初始距离。

6.如权利要求5所述的初始距离量测方法，其特征在于，步骤a5中，各所述处理电路中由第一个发射信号与第一个接收信号混频获得的中频信号为所述初始中频信号。

7.如权利要求5所述的初始距离量测方法，其特征在于，步骤a7中，距离变化量的计算公式

ΔD代表距离变化量、λ代表波长、ΔФ代表相位差、π代表圆周率。

8.一种多目标射频定位方法，其特征在于，包含有：

A.计算至少一定位标签设置于待定位的坐标位置时，所述至少一定位标签中的至少一标签天线与设置于多个相异已知坐标位置的多个收发器的距离，进行以下步骤：

a1.各所述收发器中的一发射电路产生一发射信号，与所述发射电路连接的一发射天线产生一发射信号电磁波向外传输；

a2.所述至少一定位标签中的所述至少一标签天线接收所述发射信号电射波，与所述至少一标签天线连接的一标签电路加入与所述至少一标签天线相对应的一识别码，所述至少一标签天线产生一调变信号电磁波向外传输；

a3.各所述收发器中的一接收天线接收所述调变信号电磁波，与所述接收天线连接的一接收电路根据所述调变信号电磁波产生一调变信号，并将所述调变信号传送至一信号模组；

a4.所述信号模组中的至少一处理单元中的一辨识电路产生对应所述至少一标签天线的一识别信号，所述至少一处理单元中的多个处理电路藉由所述识别信号对所述调变信号解调变，产生一接收信号；

a5.各所述处理电路将所述发射信号与所述接收信号混频产生一中频信号，并将所述中频信号传送至一多工器；

a6.所述多工器接收所述至少一处理单元所传输的所述中频信号并传送至一类比数位转换器，所述类比数位转换器将所述中频信号转换为数字信号格式传输至一运算主机；

a7.所述运算主机比对所述中频信号与对应所述中频信号的一初始中频信号，得到一相位差，藉由所述相位差，根据距离计算公式及距离变化量的计算公式计算各所述收发器与所述至少一定位标签中所述至少一标签天线的距离；

B.所述运算主机根据所述至少一定位标签中所述至少一标签天线与各所述收发器的距离及各所述收发器的已知坐标位置，计算所述至少一标签天线的坐标位置。

9.如权利要求8所述的多目标射频定位方法，其特征在于，步骤A中，所述至少一定位标签是一个定位标签，包含多个标签天线。

10.如权利要求8所述的多目标射频定位方法，其特征在于，步骤A中，所述至少一定位标签是多个定位标签。

11.如权利要求9所述的多目标射频定位方法，其特征在于，所述运算主机根据所述定位标签其多个标签天线的位置坐标，计算出所述定位标签的方位。

12.如权利要求10所述的多目标射频定位方法，其特征在于，所述运算主机根据所述多个定位标签的多个标签天线的位置坐标，计算出至少一方位。

13.如权利要求8所述的多目标射频定位方法，其特征在于，步骤a7中，所述初始中频信号为所述至少一标签天线于一初始距离量测中，各所述处理电路将第一个发射信号与第一个接收信号混频所获得的中频信号。

14.如权利要求8所述的多目标射频定位方法，其特征在于，步骤a7中，距离计算公式为D＝ΔD+D₁及距离变化量的计算公式为

D代表距离、ΔD代表距离变化量、D₁代表初始距离、λ代表波长、ΔФ代表相位差、π代表圆周率。

Images