专利名称：用于基于超声反射信号的对象位置估计的系统和方法
技术领域：
本发明在其一些实施例中涉及定位系统和方法，尤其但不排他地涉及小空间定位系统和方法。
背景技术：
小空间定位、数米或更小的空间内的定位的领域是已知的。利用小空间定位系统的已知应用包括具有定点设备用于计算机交互、机器人和机器控制系统、以及用于玩具和库存控制的计算机交互系统的应用。某些应用可能需要2D解决方案，其他应用可能需要3D解决方案。某些应用(诸如定点设备)可能只需要单向通信，而其他应用(例如，机器人应用)可能需要双向通"[目。
通过使用利用定向发射机/接收机的距离发现的对象定位也是公知的，在称为SONAR (声音导航和测距)的方法中使用超声反射。该方法与RADAR (无线电检测和测距)类似地工作:在特定方向上生成超声脉冲。如果在该脉冲的路径中存在对象，则该脉冲的部分或全部将被反射回发射机作为回声并且可通过接收机路径被检测。通过测量脉冲被发射与回声被接收之间的时间差，就能够确定该对象有多远。转让给Epos 技术有限公司的题为 “Acoustic Robust SynchronizationSignaling For Acoustic Positioning System(用于声学定位系统的声学稳健同步信令)”的国际专利申请公开N0.W02005111653(Airman Nathan，其内容由此通过援弓I纳入于此)描述了定位元件和定位设备，其中定位元件发射连续调制的声学波形和同步信号，该同步信号是至少两个同步分组的序列，每个分组承载用于该连续调制的声学波形的定时数据。另夕卜，该同步信号使用时间跳跃来支持多个定位元件的并发定位。转让给Epos 技术有限公司的题为 “Method And System For ObtainingPositioning Data (用于获得定位数据的方法和系统)”的国际专利申请公开N0.W003088136 (Airman Nathan和Eliashiv Oded,其内容由此通过援引纳入于此)描述了定位元件和检测器装置，该定位元件用于获得位置并包括用于发射可解码以锁定位置的基本连续超声波形的第一发射器；该检测器装置用于以准许锁定位置并输出该波形以用于计算的方式、以能保持位置锁定能力的方式检测该波形。转让给Epos技术有限公司的题为“System And Method For Positioning (用于定位的系统和方法)”的国际专利申请公开N0.W02008117292 (Airman Nathan和AgassyMeir，其内容由此通过援引纳入于此)描述了使用基带和载波信息来提供胜于已知系统的改善的准确性和/或降低的模糊性。“Ultrasonic Imaging in Air with a Broadband Inverse Synthetic ApertureSonar (用宽带逆合成孔径声纳在空中的超声成像)” (Michael P.Hayes，1997)讨论了对来自数字调制超声信号的收到超声反射的分析。其缺少基带和载波分析、信道建模、泄漏估计和正交信号的技术。US2007/0121097讨论了使用定形超声脉冲的姿势分析。然而，所描述的技术仅使
用真实信号，其并未公开正交基带信号和泄漏估计。
美国专利申请20080005703公开了使用超声的手势识别。然而，其并未公开调制技术。美国专利申请20100296368公开了用于姿势检测的回声分析。然而，其并未公开调制技术，也未公开对BB和载波信息的使用。“Continuous Sonar Sensing for Mobile Mini Robots (用于移动迷你机器人的连续声纳感测)”(Jurgen alhold等人,2002)公开了使用连续调制发射。然而,其并未公开对BB和载波信息的使用。对正交编码的讨论是用于车辆区分和用于同时从若干发射机估计相同的目标。
发明内容
根据本发明的一些实施例的一方面，提供了一种用于小空间定位的系统和方法，其相比于已知系统可改善 准确度和/或降低模糊性。可从要定位的无源对象获得具有载波信号和调制的连续经调制声波的回声。本发明的一些实施例的一方面提供了一种用于小空间定位的系统，包括:发射设备，其发射经调制连续波，其中该经调制连续波包括载波信号和基带信号，该发射设备朝其中可能出现希望跟踪的对象的区域或空间或范围发射该信号。接收单元接收起源自该发射设备的从该对象反射的信号。收到信号可包括自发射机设备的直接路径的泄漏。该系统可使用基于近似距离的分析来确定反射该发射的对象的位置，该分析使用通过向该对象发射和从该对象反射的往返延迟所接收到的载波信号和基带信号两者。该系统可使用如设在给定计算设备中的语音组件，诸如内置立体声话筒和扬声器，以发射和接收超声信号。对载波信号和基带信号两者的分析可包括对载波信号的相位分析。接收单元可包括检测器，用于执行由接收单元接收到的经调制连续波与期望经调制连续波之间的相关。可任选地，该经调制连续波具有预定形式或结构，并且该期望经调制连续波是由发射设备发射的经调制连续波的副本。可任选地，该期望连续波建模所发射波(包括例如经调制数字信号)、发射机、空气、话筒和接收电路的总体响应。可任选地，该期望连续波是从反射的记录导出的。可任选地，接收单元从收到经调制连续波与期望经调制连续波之间的相关来确定基带和载波信号相关曲线。可任选地，接收单元包括泄漏衰减机制，其中泄漏被定义为从直接路径(发射机到接收机)中的固定发射接收到的信号，而反射信号是用于TOA测量所需的信号。泄漏也可在较宽的视角中定义，其除了直接路径信号以外还包括从静态环境反射的信号:设备外壳、位于设备附近的人造物、该设备放置于其上的表面等。良好的泄漏衰减机制可估计来自环境的反射，其具有比目标相对更低的变化率。以此方式，目标的运动将更容易被检测和跟踪。泄漏信号的示例是在从移动设备的扬声器到话筒的最短路径中到达的信号。可任选地，泄漏衰减方法包括如下方法:其中收到信号经历差分运算以移除恒定泄漏、并随后执行与收到信号的期望波形的复相关。
泄漏是在没有反射体时收到的从发射机(扬声器)发送的声学信号。例如，当使用表面时，比如手持机放置在桌子上时，泄漏可包括来自该表面的反射。措辞“扬声器”在本文中涉及任何发声设备。可任选地，泄漏衰减方法使用其中不存在对象(S卩，不存在反射)的状况的知识，以及随后计算相关并且关于数个帧对相关值取平均。帧可被定义为序列的历时，连续调制是从该序列构建的。结果被存储在存储器中。一旦指示可能存在要定位的对象，就计算相关并从该相关值中扣除来自不存在对象的状况的相关的所保存值的矢量。这得到无泄漏的相
关信号。作为进一步替换，泄漏衰减方法使用无要定位的对象的知识(S卩，不存在反射)，并且随后从直接路径接收到的时域信号被取平均和存储。基于对象可能存在的知识，从先前存储的模式中扣除这些时域采样，从而产生无泄漏的时域信号，其随后可进一步与该连续波相关以找出到达时间TOA。由于泄漏通常是恒定的，因此可使用泄漏补偿作为距离校准的手段。因此，有可能测量泄漏的T0A，从而使用从话筒到扬声器的已知距离来计算音速。该音速可被用于计算环境温度。可任选地，接收元件确定绝对相关曲线中的一个或多个峰值以及实相关曲线中的一个或多个峰值。实相关和绝对相关曲线的数学定义在下文提供。可任选地，接收单元 包括一个或多个接收机，并且该接收单元配置成用于确定发射设备与该接收机之间的视线距离或主反射距离。 可任选地，与实相关曲线中的峰值基本对准的绝对相关曲线中的峰值对应于接收机与发射设备之间最可能的视线距离或主反射距离。可任选地，该系统包括模糊解决器，用于从实相关曲线中的多个峰值选择一个或多个峰值。可任选地，这多个峰值是从包括若干经延迟信号的收到信号获得的，这些经延迟信号的相关曲线彼此重叠。可任选地，该系统包括模糊解决器，其标识数个峰值中与绝对相关曲线的峰值最靠近的一个峰值或者决定没有合适的峰值。可任选地，使用基于由模糊解决器计算出的一个或多个预定义参数的值的评分。可任选地，接收单元解译发射机、(反射、)以及一个或多个接收机之间最可能的视线距离(或最可能的反射距离)，其中由接收机接收到的信号包括近范围中的由于由发射设备发射的信号的多径而引起的彼此重叠的若干经延迟信号。
可任选地，接收单元以载波信号波长的十分之一的数量级上的准确度确定该位置。可任选地，对不同系统使用不同的基带信号。可任选地，接收单元存储关于将由发射设备发射并由要定位的对象反射的基带信号的信息。可任选地，接收单元基于基带信号来区分从要定位的对象反射的具有载波频率的经调制信号(其中该反射针对该系统的发射设备)和其他发射设备。可任选地，接收单元存储一个或多个校准参数以用于基于该系统的传递函数来调整期望经调制连续波。可任选地,该校准参数是相位响应、振幅响应、以及群延迟中的一者。可任选地，该经调制连续波是声波。可任选地，该经调制连续波是超声波。可任选地，该经调制连续波是配置成用于穿透除空气以外的媒介的1-1SMHz范围内的超声波。可任选地，该经调制连续波是RF波。可任选地，载波信号的频率与经调制连续波的基带信号的频率在相同的量级上。可任选地，接收单元包括间隔开的至少两个接收机，并且每个接收机定位在预定义位置中。可任选地，该系统包括处理单元，其配置成基于发射设备(反射)与两个接收机中的每个接收机之间的视线距离(或反射距离)的三角测量来确定发射设备的位置。可任选地，发射设备发射同步信号，其定义飞行时间延迟的开始。 可任选地，该同步f目号是IR f目号。可任选地，该同步彳目号是RF彳目号。本发明的一些实施例的一方面提供了一种用于小空间定位的方法，包括:从发射设备发射经调制连续波，其 中该经调制连续波包括载波信号和基带信号，并在定位于彼此的预定义距离处的诸接收机处接收由该发射设备发射的信号；以及使用对从发射设备接收的载波信号和基带信号两者的基于近似距离的分析来确定发射设备的位置，其中该发射设备和接收机中的一者是在大致范围内可移动的，并且另一者定位在预定义位置处。本发明的一些实施例的一方面提供了一种用于小空间定位的方法，包括:从发射设备发射经调制连续波，其中该经调制连续波包括载波信号和基带信号，并用接收机接收由该发射设备发射的信号，其中接收机和发射机定位在彼此的预定义距离处；以及使用对从该发射和/或接收设备接收的载波信号和基带信号两者的基于近似距离的分析来确定反射对象的位置，其中该反射对象在大致范围内可移动。可任选地，发射设备在大致范围内可移动，并且接收机定位在预定义位置处。可任选地，对载波信号和基带信号两者的分析包括对载波信号的相位分析。可任选地，该方法包括执行由接收单元接收到的经调制连续波与期望经调制连续波之间的相关。可任选地，该经调制连续波是预定形式的，并且该期望经调制连续波是所发射的经调制连续波的副本。可任选地，该方法包括从收到经调制连续波与期望经调制连续波之间的相关来确定绝对相关曲线和实相关曲线。可任选地，该方法包括确定绝对相关曲线中的峰值以及实相关曲线中的峰值。可任选地，该方法包括确定发射设备与至少一个接收机之间的视线距离。可任选地，与实相关曲线中的峰值基本对准的绝对相关曲线中的峰值对应于该至少一个接收机与发射设备之间最可能的视线距离。可任选地，该方法包括从实相关曲线中的多个峰值中选择峰值。可任选地，这多个峰值是从包括若干经延迟信号的收到信号获得的，这些经延迟信号的相关曲线彼此重叠。可任选地，该方法包括从多个峰值中标识与绝对互相关曲线的峰值最靠近的峰值。可任选地，该方法包括从多个峰值中标识与绝对相关曲线中的上升能量最靠近的峰值。可任选地，该方法包括基于对所确定视线距离的历史跟踪来从多个峰值中标识峰值。可任选地，该方法包括基于对所确定视线距离随时间推移的速度跟踪来从多个峰值中标识峰值。可任选地，该方法包括比较从不同接收机计算出的可能视线距离。可任选地，该方法包括确定拟合收到经调制连续波的重叠波形的最小方差或最大似然。可任选地，该方法包括基于指派给多个峰值的至少一部分的评分来从这多个峰值中标识峰值。可任选地，该评分基于一个或多个预定义参数的计算出的值。可任选地，该方法包括解译发射机、(反射体)以及接收机之间最可能的视线距离(或最可能的反射距离)，其中由接收机接收到的信号包括近范围中的由于由发射设备发射的信号的多径而引起的彼此重叠的若干经延迟信号。可任选地，该方法包括在载波信号波长的十分之一的数量级上的准确度内确定该位置。可任选地，该方法包括区分从不同发射设备发射的信号。可任选地，该区分基于将预期基带信号与收到基带信号作比较。可任选地，该方法包括在工作中调整预期经调制连续波的模板。可任选地，该调整基于对接收到的经调制连续波的质量的量化度量。可任选地，该量化度量是该经调制连续波与期望经调制连续波之间的相关的相关评分。可任选地，使用时域滤波技术，诸如FIR、IIR、或非线性滤波器(诸如中值滤波器)、或此类技术的组合，对每个接收单元的TOA轨迹进行滤波。可任选地，来自所有接收单元的TOA轨迹的形状被用于标识对象的上/下或下/上移动。这可以通过验证所有接收机的TOA轨迹是类似的、或者贯穿整个轨迹存在恒定的时移来进行。随后，TOA轨迹的形状若类似于“L”形则被用于发现上/下运动。也就是说，在该轨迹的开头处，TOA的导数为负并且随后具有恒定值。类似地，若TOA轨迹的形状在开头处具有正导数并以0导数结束，则可标识下/上移动。可任选地，可通过从两条轨迹中标识“U”形来从收到信号的TOA轨迹中提取从左往右或从右往左移动。此类“U”形可包括开头处的负导数、继之以0导数(平均而言)、并以一段正导数结束。可任选地，在第一接收机更靠近该系统右手侧的示例中，若第一接收机的轨迹的“U”形在源自于第二接收机的轨迹的“U”形之前，则可标识从左往右移动。可任选地，该经调制连续波是声波。
可任选地，该经调制连续波是超声波。可任选地，该经调制连续波是用于穿透除空气以外的媒介的1-18MHZ范围内的超声波。可任选地，该经调制连续波是RF波。可任选地，载波信号的频率与经调制连续波的基带信号的频率在相同的量级上。可任选地，该方法包括执行发射设备与用于接收从该发射设备发射的信号的两个接收机中的每个接收机之间的视线距离的三角测量。可任选地，该方法包括发射同步信号，其中该同步信号定义飞行时间延迟的开始。
可任选地，该同步彳目号是IR彳目号。可任选地，该同步彳目号是RF彳目号。可任选地，反射该信号的对象的确切位置可通过话筒或扬声器的冗余性来估计，例如通过使用三个话筒和一个扬声器、或两个话筒和两个扬声器。当同时使用若干扬声器时，使用信号编码是尤其有用的，因为每个扬声器可发射不同编码，由此在短时段中提供关于反射环境的更多信息。可任选地,可从若干扬声器发射相同信号，在驱动这些扬声器的信号之间存在受控延迟。该方法允许发射信号的波束转向。该波束可被控制以便从期望方向接收到反射。使波束转向允许创建围 绕该设备的3D图像。可任选地，可与音频有关活动(诸如音乐播放、语音呼叫等)同时地获得反射对象的位置。可任选地，相同的音频组件被用于超声和语音应用两者。本发明人发现，一些话筒(通常使用MEMS技术)具有可被利用的超声响应，由此提供功能性而不必提供新组件。扬声器和其他音频发射机在超声范围中具有残留响应。替换地，这些发射机可以是专用的超声设备，而话筒将用于音频和超声两者。替换地，可使用相反的办法。对现有音频元件的使用具有一些限制，这主要是由于超声范围中不利的频率响应。由于这些组件主要是为语音应用而制作的，因此其超声频率响应将不是准许的。平坦对于TOA估计具有相当大的益处:其允许较窄的互相关结果并且更能抵抗多径和噪声。存在众多技术用于平坦化频率响应，诸如对发射信号整形。在接收机侧，收到信号可通过均衡器以对有效频率响应进行整形。整体而言，对音频和超声两者使用相同的组件被认为是对设备有利的，由此节省了成本和降低了向设备增加额外组件的复杂性。可任选地，反射对象位置可被用于影响语音有关活动。在用于波束成形的话筒阵列的情形中，反射位置可帮助使话筒接收波束朝扬声器转向。在另一个实施例中，反射分析可用于消去房间回声。可任选地，反射分析可分析反射群并搜索相对快速的移动。此类情景可描述在来自其他手指和手本身的反射群内部的正移动的手指的反射。此类清形可获益于较早描述的基带和载波分析的实施例，其允许准确地分离近旁反射。可任选地，来自若干手指的反射可被分析，从而允许定位一个以上手指，并且允许执行完整手指分析，以此方式可模拟音乐键盘。以下讨论可从上述方法获益的众多示例。这些示例不是综合性的，并且是作为示例来讨论的。任何平坦的平面可通过发射超声能量并分析反射来允许用户交互。可任选地，用户可在该平坦的平面上在该设备附近移动其手。这些移动可被解读成控制鼠标移动。轻敲手指可被解读为鼠标点击。可任选地，可通过反射分析来实现多触摸姿势，从而允许两根或多根手指执行姿势，比如与诸如放大、缩小等功能相关联。可任选地，可实现3D控制。可任选地，可使用反射来帮助自动对焦相机。可任选地，可使用反射来‘收获’视频图像。可任选地，可使用反射来使设备静音。除非另行定义，否则在本文中所使用的所有技术和/或科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员所通常理解的相同的含义。下文描述了示例性的方法和/或材料，但类似于或等效于本文所述的那些方法和材料可用在本发明实施例的实践或测试中。在冲突的情况下，将以包括定义的本专利说明书为准。此外，材料、方法和示例仅为解说性的而不旨在必然作为限制。本发明的实施例的方法和/或系统的实现可涉及手动地、自动地、或其组合地执行或完成所选任务。此外，根据本发明的方法和/或系统的实施例的实际仪器和装备，若干所选任务可通过硬件、软件或固件或其组合使用操作系统来实现。例如，用于执行根据本发明的实施例的所选任务的硬件可实现为芯片或电路。作为软件，根据本发明的实施例的所选任务可实现为由使用任意合适操作系统的计算机执行的多条软件指令来实现。在本发明的`示例性实施例中，根据本文描述的方法和/或系统的示例性实施例的一个或多个任务由数据处理器来执行，诸如用于执行多条指令的计算平台。可任选地，数据处理器包括用于存储指令和/或数据的易失性存储器、和/或用于存储指令和/或数据的非易失性存储器，例如磁性硬盘和/或可移动介质。可任选地，还提供了网络连接。还可任选地提供了显示器和/或用户输入设备，诸如键盘或鼠标。附图简沭本文参照附图以仅示例的方式描述本发明的一些实施例。现在详细参照附图，需要强调的是，所示的细节是作为示例和用于对本发明实施例的解说性讨论的目的。在此意义上，对附图所作的描述使得对于本领域技术人员而言如何实践本发明的实施例是明显的。在附图中:
图1是根据本发明一些实施例的小空间定位系统的简化框图；图2是根据本发明一些实施例的用于确定反射所发射信号的对象的位置的简化数据流图；图3是根据本发明一些实施例的收到和期望信号的相关(correlation)曲线的绝对部分、虚部和实部的示意解说；图4A-4C是根据本发明的一些实施例的三个示例性相关曲线集，其解说了由于存在多径信号而可能出现的潜在模糊性；图5是可从重叠在LOS (视线)信号上的多个多径信号获得的自相关曲线的示例性绝对部分和实部的示意解说；图6是可从对来自发射机和接收机之间的直接路径的泄漏的接收、以及对反射信号连同重叠在LOS信号上的多个多径信号的接收所获得的互相关曲线的示例性绝对部分的不意解说；图7解说了泄漏衰减方法，其中从收到信号中扣除在没有检测到信号时的复相关的绝对值；图8A-8D解说了时域中的泄漏衰减方法，其中在无反射状况期间对时域信号取平均并且随后在检测到或指示反射时从收到信号中扣除该平均值；图9解说了在上/下移动期间从相同对象收到的信号的TOA轨迹的示例；图1OA和IOB解说了由两个接收机对从相同对象反射的信号接收到的信号的从左往右移动的TOA轨迹的示例；图1lA和IlB解说了图1Oa和IOb的经滤波版本；图12A和12B解说了指示上/下运动的到达时间轨迹；图13A、13B和13C解说了本实施例用于检测手指位置(包括姿势)、用于软屏幕使用(作为鼠标)以及用于检测接近度的应用；图14解说了本实施例用于多手指检测的应用；以及图15解说了本实施例用于根据来自用户面部的反射来检测用户存在性的应用。一 @示例件实施例的描沭
本发明在其一些实施例中涉及定位系统和方法，尤其但不排他地涉及小空间定位系统和方法。根据本发明的一些实施例，提供了一种小空间定位系统。根据本发明的一些实施例，小空间定位系统朝无源对象发射经调制连续信号，该无源对象反射所发射信号并且该反射被间隔开的至少两个接收机接收。该经调制连续信号包括嵌入在载波信号上的预定义基带信号。可基于对该信号的基带部分和载波部分的分析、或使用在期望经调制信号与收到经调制信号之间计算出的互相关(cross-correlation)来确定TOF和/或LOS距离。如本文所使用的，术语互相关意指能比较信号的任何比较函数，例如最小方差、最小绝对误差等。可任选地，同步信号随该经调制连续信号一起被发射以定义TOF延迟的开始。根据本发明的实施例，用载波和基带信号两者执行互相关，例如不必移除和/或执行下变频，并且对载波信号进行或不进行低通滤波。期望载波波形与收到载波波形的互相关可促进执行对载波信号的相位分析。基带(BB)信号可提供具有对应于载波信号的波长的量级内的准确度的定位，而载波信号的相位分析可通过提供关于该波长内的位置的信息来改善该准确度。本发明的实施例可促进改善对于声学定位系统可获得的准确度。可达成载波信号的波长的大约千分之一的数量级上的准确度。通常情况下，该准确度受信噪比(SNR)限制；在无限SNR下，准确度也可以是无限的。在实践中，SNR可高达20dB，并且在准确度方面仍可允许良好的结果。发明人已发现，本文描述的系统的准确度的限制因素不是SNR(若其足够高，比如通常高于15dB)。限制因素是音速的重复性，其甚至在办公/家里环境也略微地变化。音速的较小波动(比如说由于温度变化)可限制系统准确度。然而，可基于测量扬声器与话筒之间的直接信号路径(这是已知距离)的TOF来作出对温度的直接测量。由此，本发明的实施例可校正此类温度变化。载波信号和基带信号可被选择成使得载波信号落在基带信号的频率范围内和/或在与基带信号相同的量级上。载波和基带信号可以是声学的并且在超声(US)频率范围中。在其他示例性实施例中，载波和基带信号是电磁的并且在RF范围中。各实施例可解决在存在多径信号的情况下确定LOS距离或反射距离时的模糊性。模糊性可能是由于相关曲线(例如原始信号或最近反射与多径信号的相关曲线)的交迭，使得能以标识原始LSO峰值或反射对象的最近反射点。可计算一个或多个参数以确定在暴露于多径期间的最可能定位。可使用评分系统基于各种所定义参数来确定最可能的定位。对相关的包络和实部中的峰值分析可解决模糊性，或者历史跟踪或速度跟踪或在每个接收机中接收到的信号之间的比较、或上述任何组合可用于解决模糊性。现在参照图1，其是示出根据本发明的实施例的小空间反射定位系统的简化示意框图。由扬声器123提供在固定的已知位置处的发射元件，其发射经调制连续波130。波130包括连续载波信号部分和调制到该载波上的基带信号。发射元件123被定位成在其中可能预期出现要定位的对象的范围上发射该经调制连续波，诸如在屏幕上方、在计算设备前方的表面上，如下文将更详细地讨论的。接收元件RXl接收由该发射元件发射并由对象140反射的信号。位置检测元件包括处理器160及其组成部分和附件(诸如存储器151)，并使用该反射信号(通常通过分析反射信号中的载波信号部分和基带信号两者)来确定该对象的位
置。 定位系统120通常包括发射机123、和接收机121，用于拾取由该发射机发射、从对象140反射并由这些接收机接收的信号。系统120基于对接收到的反射信号的TOF分析来估计反射对象在所定义空间内的位置。通常情况下，系统120是静止的。根据本发明的实施例，发射设备123发射预定义的经调制连续信号170。一个或更多个接收机(例如，来自系统120的接收机121和接收机122)可拾取由发射机123发射的信号。使用载波和基带相关器152将收到信号与期望信号(例如预存在接收机端的该预定义的经调制连续信号的副本、或在接收机端计算出的信号或由接收机捕获的信号)作比较。通常情况下，载波和基带相关器被整合到处理单元160中。该预定义的经调制连续信号的模板、模型和/或特征通常被预存在存储器151 (例如，非易失性存储器)中。如本文所使用的模板是期望信号从数学级数到数字化输入数据的完整模型。模板表示包括例如话筒响应、发射机响应、电路系统、反射器、空气间隙等在内的总模型。模板可用作计算出的参考的起始点。不同示例在发射机与接收机之间的传递函数方面可能有一定程度的差异。接收机可例如通过在工作中或在特殊校准模式中调整模板来容适这些差异。可出于此类目的而实现对收到信号的质量的量化度量。此类量化度量可以是相关评分，并且可实现对该相关评分的预定义阈值以限定信号的质量。例如，当相关评分高于该预定义阈值时，收到信号可被系统用来调整模板。接收机121和122可接收来自发射机123的一个或更多个信号。通常情况下，接收机121、122和发射机123是静止的、间隔开的、并且定位在预定义位置处。在一个示例性实施例中，接收机121和122沿与计算设备(例如，个人计算机、移动电话设备、个人数字助理(PDA))相关联的显示单元的边缘定位。接收机121和122可以是话筒。与接收机121和接收机122处于电通信或逻辑通信中的载波和基带相关器152可包括用于将收到经调制信号与期望经调制信号进行互相关而不从其载波提取基带信号和/或用于将基带信号连同载波信号一起执行互相关的电路系统。通常情况下，可实现期望经调制信号的模板以用于与收到信号进行互相关。在本实施例中可通过对发射机和接收机使用相同的时钟源来达成发射机和接收机的同步。TOF测量包括测量经调制信号130的发射与对收到信号的最可能延迟的估计之间的时间，如上文所解释的。处理器160基于载波和基带信号的互相关结果来确定定位。每个系统可与专用的载波和基带相关器152相关联,并且发射机123可发射一系列可能信号之一。以此方式,若干发射机可同时从相同的系统进行发射而不产生干扰。若干系统可在相同的邻域中使用，每个系统使用不同的信号集以避免干扰其他近旁系统。可任选地，在发射之前，系统侦听周围环境，从而动态地选取信号以避免干扰。在本发明的替换实施例中，载波和基带相关器和/或其功能被整合到(例如，与该定位系统相关联的个人计算机或计算设备中的)处理单元160。处理器160可包括快速傅里叶变换(FFT)能力并且可用于对收到信号执行相位和振幅分析。存储器单元151可包括存储器能力，例如用于存储来自收到信号的信息、期望经调制连续信号的参数和/或其他信息的存储器能力。存储器单元151可包括易失性和非易失性存储器。存储器单元151可存储一个或更多个校准参数，这些参数被实现成用于基于诸特征来调整模板，这些特征例如是具体硬件集合(例如发射机和接收机)的传递函数。示例性校准参数可包括模板的相位、振幅、和群延迟以及其他参数中的差异。经调制连续信号源170可以是声学信号源(例如，在超声范围中)。例如，经调制连续信号源170的信号 范围可在约20与80KHz和/或高达200KHz之间变动。尽管高于200KHZ的频率也可用于声学信号，但发明人已发现随着声学信号的频率增加，对LOS损失的敏感性也增大。频率增加可能由于尺寸比波长更大或在波长附近的较小人造物而对总体声学响应产生影响或对发射信号的衰落速率产生影响，从而导致该系统有较小的有效范围。 根据本发明的其他实施例，信号源112可以是RF信号源。在一些示例性实施例中，RF信号源可在超高频率(UHF)范围中(例如433MHz、868MHz、900MHz、915MHz、和2.4GHz)和/或在超宽带(UWB范围中(例如，3.1-10.6GHz)发射信号。发射/接收系统与反射对象之间的距离可基于来自发射机的、从对象反射并由接收机拾取的经调制连续信号的TOF来确定。收到信号可包括通常情况下的最短路径、一般而言的L0S、或发射机与接收机之间的最短距离、来自反射对象的反射群、以及来自该设备自身和环境的反射。一个接收机可以能够确定到反射对象的距离。两个接收机可允许确定可能的反射体位置的子空间。反射对象在三维中的位置可基于从三个接收机中的每个接收机确定的距离的三角测量来确定。基于收到信号，处理器160基于载波和基带信号来计算T0F，并且通常执行三角测量以确定作为时间函数的发射设备位置。
发明人已发现，对于声学定位，使用US频率范围中的发射信号存在诸优点。US波处于声学频谱的较高端。通常情况下，对于较高频率的载波信号，可获得较高的准确性。另一优点在于US波通常较不容易受到来自环境噪声的干扰,因为US发射机与其他声学发射机相比和/或与RF发射机相比在我们的典型环境中较不突出。对于附加的US发射机和/或US信号可能出现在周围环境中的情形，它们通常比其他声波衰落得更快，因为衰落速率对于较高频率会增大。US定位系统的另一优点在于，对于所需量的发射能量，US发射机和/或接收机通常小于其他信号发射机和/或接收机。另外，由于US频率范围是人类不可听到的，对于用户交互而言，它比声学定位系统中使用的其他声学范围更切合实际。由于对于较高范围信号，对短暂LOS损失的敏感性较大，所实现的声学频率的范围可被限制。尽管已主要针对范围在20-100KHZ之间的声学信号描述了诸系统和方法，但是本文描述的系统和方法也可应用于通常应用更高频率的医疗超声系统，例如对诸如肝脏和肾脏之类的深处组织应用1-6MHZ或者对肌肉、肌腱、睾丸、胸部和新生儿脑之类的组织应用7-18MHzο另外，本文描述的系统和方法也可应用于RF系统。本文描述的系统和方法可容易地适用于多个用户，例如在彼此附近工作的用户群。每个发射设备110可发射 唯一的经调制连续信号，其可被专用的检测器151和152(图1)识别。不同发射设备中的载波信号可由用于不同用户的不同基带信号来调制。每个接收机和/或检测器可识别对应于其相关发射机的基带模式。例如，识别可通过对基带信号的信号分析来实现。具体地，使用正交基带级数、或几乎正交的基带级数可能具有显著益处。术语“几乎正交”意味着两个不同基带级数的互相关参照于每个级数自相关可具有低值。不拥有期望基带信号的所定义性质的收到信号可从TOF分析中忽略和/或排除。由于TOF是由基带和载波信息两者确定的，可实现不同信号而不会牺牲对TOF的检测和/或估计的准确性。现在参照图2，其示出根据本发明的实施例的用于确定反射位置的简化概念性数据流图。由两个或更多个接收机(例如，接收机121和接收机122)拾取的信号可经历FFT210，从而可在预定义频带内执行对收到信号的延迟分析。由接收机拾取的信号可在执行FFT之前被滤波和放大。基于收到经调制信号和所发射经调制信号之间的检出时移在频域中执行从接收机121和122接收到的信号的定时校正。通常情况下，经校正信号被保存在存储器220中以用于进一步处理，从而确定定位。可通过分析收到信号的位置来在工作中补偿接收电路与发射电路之间的延迟。发射机与接收机之间的直接路径主要取决于几何分布，即发射机和接收机的位置，这是恒定的。该已知距离可被用于为缺少接收机与发射机之间的初始同步的系统确定T0F。替换地，该系统可包括同步阶段，其中至少一个接收机输入和一个发射机输出被电连接。存储器220被整合到如图1中所示的存储器151。相关器执行存储在223中的模板与在定时校正之后的输入数据之间的互相关。相关器152可被实现成用于对期望经调制连续信号(例如，保存在存储器223中的预定经调制连续信号)进行互相关。相关器152可计算相关曲线的包络(绝对)和实部。随后，基于包络峰值和实部峰值的位置，可确定T0F。相关器152可将泄漏信号纳入考虑，并且可从收到信号中衰减(例如，通过减去)泄漏估计，这将在下文更详细地讨论。随后可在滤波和移动方向块221中对衰减操作的输出进行滤波并估计移动方向，这将在下文更详细地讨论。在确定TOF和/或LOS距离时可以考虑从先前采样存储的信息、和/或来自其他接收机的输出信号。所存储的数据可包括在确定TOF中有用的一个或更多个所定义参数值、阈值和/或其他信息。所存储的数据可包括例如期望信号、预存信号和/或参考信号的表。可由坐标和速度估计器222基于根据从接收机121和122接收到的信号确定的TOF来确定所发射或反射的声学信号的起源位置。起源位置可在预定义的坐标系内相对于接收机的位置来定义。位置和速度估计器(222)输出可将随时间的某些反射行为映射为姿势，从而允许例如上/下姿势或左/右姿势。更精确的反射分析允许锁定某些反射(诸如来自定向手指的反射)以跟踪该手指的移动。该手指跟踪可例如被用作鼠标以控制光标移动。处理器160可使用模板来构造参考信号和/或期望信号的查找表，可将收到信号与该查找表作比较从而可发现最匹配的距离。期望波形可以奈奎斯特速率来采样，并且采样点之间的任何定时失配可通过外推函数来克服以披露距离。技术人员将领会，声学信号具有不同的角传递函数，并且可将均衡器添加到接收机以补偿该现象。由模糊性检测器获得的最可能的信号被用于标识与模板信号的最可能的非零距离。坐标估计器222可包括最大似然检测器，其类似于所纳入的国际专利申请公开N0.W003088136中所描述的最大似然检测器。连续信号170可由具有傅里叶变换&(ω)的复低通时域信号sjt)来表示，从而:SL(co)=0，I ω | > Β/2，否则 SL(co)幸 O。该信号在频域中的自相关函数为:
权利要求
1.一种用于小空间定位的系统，包括: 在固定已知位置处的发射元件，其配置成用于发射经调制连续波，其中所述经调制连续波包括连续载波信号部分和调制到所述载波信号部分上的基带信号，所述发射元件配置成在其中可能出现要定位的对象的范围上发射所述经调制连续波；以及 接收元件，其配置成用于接收由发射设备发射并由所述对象反射的信号；以及 位置检测元件，其配置成根据对从所述反射信号接收到的所述载波信号部分和所述基带信号两者的分析来确定所述对象的位置。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，对所述载波信号和所述基带信号两者的所述分析包括对所述载波信号的相位分析。
3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件配置成用于执行由接收单元接收到的经调制连续波与期望经调制连续波之间的相关。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述经调制连续波是预定的并且所述期望经调制连续波包括由所述发射设备发射的所述经调制连续波的副本。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述经调制连续波的所述副本包括信道模型，其用于建模所述波形从所述定位元件到所述波形解码单元的通道，由此提供参考信号以对照该参考信号来标识所述最可能距离。
6.如权利要求3或4所述的系统，其特征在于，所述接收单元配置成用于从所述收到经调制连续波与所述期望经调制连续波之间的所述相关来确定基带和载波信号相关曲线。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述相关曲线包括相应的绝对曲线、实曲线和虚曲线，并且所述接收单元配置成用于确定相应的绝对相关曲线中的至少一个峰值和相应的实相关曲线中的至少一个峰值。
8.如前述任一项权利要求所述的系统，进一步配置成使用包括以下各项的组中的一个成员: 所述发射元件与所述接收元件之间的已知距离，以及 固定链路。
9.如前述任一项权利要求所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件配置成使用差分检测来移除直接信号路径的泄漏和静态人造物的泄漏。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述差分检测包括含以下各项的组中的一个成员:从前一采样中扣除每个输入采样并随后应用包括相继帧之间的复相关和互相关的组的至少一个成员，所述差分检测被执行以确定行进时间。
11.如权利要求1-7中任一项所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件配置成使用复相关扣除来移除直接信号路径的泄漏。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件配置成: 确定检测区域中没有放置对象的第一时间以计算和取平均在所述第一时间的复相关，所述相关的绝对值被保存； 在所述检测区域中放置有要定位的对象时的第二时间，确定在所述第二时间获得的相关结果的第二绝对值并从所保存的绝对值中扣除所述第二绝对值，由此提取所述反射信号的绝对相关而没有所述直接路径泄漏； 使用所述绝对相关来提取所述反射信号的行进时间。
13.如权利要求1-7中任一项所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件配置成使用时域扣除来移除直接信号路径的泄漏。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件配置成: 确定检测区域中没有放置对象的第一时间以针对N个帧的周期取平均并保存信号，其中每一帧是发射序列的历时； 在所述检测区域中放置有要定位的对象时的第二时间，从在所述第一时间计算出的所述时域信号的所保存平均值中扣除收到信号的时域值，由此提取所述反射信号的时域值而没有所述直接路径的泄漏；以及 执行复相关以提取所述反射信号的行进时间。
15.如权利要求9至14中任一项所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件配置成使用所述泄漏的到达时间连同所述发射元件与所述接收元件之间的已知距离来由此计算空气温度。
16.如权利要求11至14中任一项所述的系统，其特征在于，通过检测包括能量和信噪比的组中的至少一个成员的改变来获得关于对象存在性的指示。
17.如权利要求16所述的系统，其特征在于，能量检测包括将输入信号与已知模板相关并随后在所有可能的时间距离上对相关输出的能量进行积分。
18.如权利要求16或17所述的系统，其特征在于，所述信噪比计算包括在可能距离范围中的相关的所有可能值的能量的积分，并除以远端时移处的相关输出处的噪声估计的平均。
19.如前述任一项权利要求所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件配置成从每帧计算出的复相关值来计算每接收机的到达时间轨迹，其中所述帧等于发射序列或模板的历时。
20.如权利要求19所述的系统，其特征在于，由所述复相关提取的所述到达时间是使用已通过设定阈值的复相关的绝对值的最大值来计算的。
21.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述设定阈值被设置成有噪相关的平均值的M倍或比所述有噪相关的平均值大M，其中M是预定常数。
22.如前述任一项权利要求所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件配置成使用二维搜索以实现对第一路径到达时间的微调提取。
23.如权利要求22所述的系统，其特征在于，所述二维搜索包括搜索相同起源信号的多个反射，所述多个反射以相应的复相关的相应时间、振幅和相位中的至少一者的方式来表征。
24.如权利要求19所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件配置成通过取高于预设阈值的相关的绝对值并使用质心等式进行积分来从所述复相关提取所述到达时间。
25.如权利要求19至24中任一项所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件进一步配置成使用包括以下各项的组中的一个成员对所提取的到达时间轨迹进行滤波:线性滤波器、IIR滤波器、FIR滤波器、非线性滤波器、中值滤波器、以及线性和非线性滤波器的组合。
26.如前述任一项权利要求所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件进一步配置成使用第二接收机并比较来自每个接收机的到达时间踪迹。
27.如权利要求26所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件配置成分别从每个接收机提取踪迹方向，由此区分从上往下移动与从下往上移动。
28.如权利要求27所述的系统，其特征在于，所述区分包括: 估计相应的踪迹的第一导数； 取平均并与O作比较； 若平均值大约O，则确定所述方向是从下往上；以及若该值低于O，则确定所述方向是从上往下。
29.如权利要求28所述的系统，其特征在于，所述确定是排除其中导数等于O的踪迹部分来作出的。
30.如权利要求27至29中任一项所述的系统，其特征在于，从区分出的TOA踪迹的平均值提取速度。
31.如权利要求26至30中任一项所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件进一步配置成分别使用每个接收机处的相应到达时间轨迹来区分从左往右和从右往左移动。
32.如权利要求31所述的系统，其特征在于，所述区分包括寻找到达时间的减小、继之以常数、继之以增大的三部分构成。
33.如权利要求32所述的系统，其特征在于，所述区分包括比较各个接收机处的所述三部分构成。
34.如前述任一项权利要求所述的系统，其特征在于，所述发射元件配置成使用正交编码来提供信号，所述信号能与由至少一个其他发射元件产生的信号区分开。
35.如前述任一项权利要求所述的系统，其特征在于，所述发射元件是使用所述系统的现有扬声器元件来提供的，并且其中所述接收机元件是使用所述系统的现有话筒元件来提供的。
36.一种用于空气音速测量的系统,包括: 在第一固定已知位置处的发射元件，其配置成用于发射经调制连续波，其中所述经调制连续波包括连续载波信号部分和调制到所述载波信号部分上的基带信号；以及 在第二固定已知位置处的接收元件，其配置成用于接收由发射设备发射的信号以及来自周围环境的泄漏，所述接收元件包括检测元件，所述检测元件配置成根据所述泄漏的到达时间结合所述发射元件与所述接收元件之间的距离来确定所述音速。
37.如权利要求36所述的系统，其特征在于，所述检测元件配置成根据所述音速测量来确定空气温度。
38.一种用于小空间定位的系统,包括: 在第一固定已知位置处的发射元件，其配置成用于发射经调制连续波，其中所述经调制连续波包括连续载波信号部分和调制到所述载波信号部分上的基带信号，所述发射元件配置成在其中可能出现要定位的对象的范围上发射所述经调制连续波；以及 在第二固定已知位置处的接收元件，其配置成用于接收由发射设备发射并由所述对象反射的信号，所述接收元件包括位置检测元件，其配置成根据对从所述反射信号接收到的所述经调制连续波的反射的分析来确定所述对象的位置。
39.如权利要求38所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件配置成使用差分检测来移除直接信号路径的泄漏。
40.如权利要求39所述的系统，其特征在于，所述差分检测包括从前一采样中扣除每个输入采样并随后执行应用复相关以确定到达时间。
41.如权利要求38所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件配置成使用复相关扣除来移除直接信号路径的泄漏。
42.如权利要求41所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件配置成: 确定接收区域中没有放置对象的第一时间以计算和取平均在所述第一时间的复相关，所述相关的绝对值被保存； 在所述接收区域中放置有要定位的对象时的第二时间，确定在所述第二时间获得的相关结果的第二绝对值并从所保存的绝对值中扣除所述第二绝对值，由此提取所述反射信号的绝对相关而没有所述直接路径泄漏； 使用所述绝对相关来提取所述反射信号的行进时间。
43.如权利要求38所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件配置成使用时域扣除来移除直接信号路径的泄漏。
44.如权利要求43所述的系统，其特征在于，所述位置检测元件配置成: 确定接收区域中没有放置对象的第一时间以针对N个帧的周期取平均并保存信号，其中每一帧是发射序列的历时； 在所述接收区域中放置 有要定位的对象时的第二时间，从在所述第一时间计算出的所述时域信号的所保存平均值中扣除收到信号的时域值，由此提取所述反射信号的时域值而没有所述直接路径的泄漏；以及 执行复相关以提取所述反射信号的行进时间。
45.如前述任一项权利要求所述的系统，其用于包括以下各项的应用组中的一个成员:对象存在性检测、光标操纵、多对象跟踪、音乐键盘、以及与软屏幕的跟踪交互。
46.一种用于小空间定位的系统,包括: 至少三个发射元件，每个发射元件配置成发射经调制连续波形； 中央控制器，用于提供每个发射元件处的信号之间的受控延迟以提供波束转向，以便接收来自期望方向的反射，由此提供围绕所述发射元件的三维定位。
47.—种用于小空间定位的方法,包括: 从固定位置发射经调制连续波，其中所述经调制连续波包括连续载波信号部分和调制到所述载波信号部分上的基带信号，所述发射是发射到在其中可能出现要定位的对象的范围中； 接收由发射设备发射并由对象反射的信号；以及 根据对从所述对象反射的所述载波信号部分和所述基带信号两者的分析来确定所述对象的位置。
48.—种用于小空间定位的方法,包括: 从第一固定位置发射经调制连续波，其中所述经调制连续波包括连续载波信号部分和调制到所述载波信号部分上的基带信号，所述发射是发射到在其中可能出现要定位的对象的范围中； 在第二固定位置处接收由发射设备发射并由对象反射的信号；以及 根据对来自所述对象的所述反射的分析来确定所述对象的位置。
全文摘要
一种用于小空间定位的系统，包括在固定已知位置处的发射元件，其发射具有连续载波信号部分和调制到其上的基带信号的经调制连续波，例如超声波。该发射元件在其中可能出现要定位的对象的范围上发射经调制连续波。接收元件接收由发射设备发射并由对象反射的信号；以及位置检测元件根据对从反射信号接收到的载波信号部分和基带信号两者的分析来确定该对象的位置。
文档编号G01S13/00GK103229071SQ201180054916
公开日2013年7月31日 申请日期2011年11月16日 优先权日2010年11月16日
发明者N·阿尔特曼, Y·兹法蒂, A·阿格西 申请人:高通股份有限公司