专利名称：噪声检验相位测距射频标识定位的方法
技术领域：
本发明涉及无触摸识别、定位和/或跟踪系统。更特别地，本发明涉及一种利用噪声检验相位测距(noise validated phase ranging)来确定从系统天线到目标射频标识 (RFID)的距离的RFID识别、定位和/或跟踪系统
背景技术：
Bloy 等人共有的 PCT 专利申请公开 WO 2009/0；35723 (名称为 “Radio Frequency Signal Acquisition and Source Location System(射频信号获取和源定位系统)”，于 2009年3月19日公开)特此全部纳入作为参考，公开了一种实时RFID定位系统，其利用耦合到一个或多个智能扫描天线信号获取和源定位(SASL)模块的智能跟踪和控制系统 (ITCS) (ITCS安装件)使得能够对任意摆放和/或在给定目标区域(空间)内移动的RFID 标签精确地三维定位。无接触识别、定位和/或跟踪系统，例如WO 2009/035723中公开的 ITCS物体识别系统，能够对标签和/或标签项进行识别和定位，将标签或标签项的出现、消失、定位或协同定位归于重要地位，从而促进更好的商业进程决策。SASL可操控相位阵列天线可被配置成提供高精度的查询波束方向反馈 (interrogation beam direction feedback)，能够通过可以定位目标RFID所在的空间来识别矢量。然而，如果没有更多的输入，则对从天线沿着波束到目标RFID所在的位置的距离进行测距是无法获得空间内目标RFID的三维位置的。当提供有更多的数据存储/处理能力时，例如在WO 2009/035723中公开的RFID 定位系统可被进一步改进成通过RF环境指纹监控和分析来监控加标签和/或未加标签物体，如Boy于2009年2月四日提交的美国专利申请No. :12/395, 595 (名称为“Radio Frequency Environment Object Monitoring System and Methods of Use，，(身寸步页环境物体监控系统和使用方法))中所公开的，特此全部纳入作为参考。ITCS安装件典型地包括为RFID位置计算提供高精度三角测量数据的多SASL。然而，最优的多SASL配置需要一个空间，该空间被配置成使得每个SASL能够从离散的摆放位置来扫描整个空间。典型空间中在使用期间的任一时刻的屏障和/或产品可能会对一个或多个SASL生成受阻塞的扫描区域，通过至少两个SASL来阻止扫描目标RFID，因此抑制了目标RFID的查询信号波束交叉点三角定位。进一步地，多SASL硬件、安装和维护的成本可能变得重大。
WO 2009/035723还公开了利用单个SASL的RFID范围定位的替代方法，比如信号发送/接收定时、返回信号强度指示(RSSI)、反常回波信号(ghost signal)分析和/或多信号平均。但是，利用这些替代方法的定位精度可能无法满足需要高精确度的RFID定位的需求。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种克服现有技术中的缺陷的物体监控解决方案。本发明的进一步的目的是促进RFID物体定位系统的配置便利性、操作稳定性和维护。
作为并入和组成本说明书的一部分，附示了本发明的实施例，其中图中相同的参考编号表示相同的特性或元件并且可能未在它们出现的每个图像中进行具体描述，并且所述附图与上面给出的本发明的总体描述和下面给出的实施例的具体描述一起，用于解释本发明的原理。图1是示例性RFID物体定位系统的示意框图。图2是相位测距的示意处理图。图3是论证空间周界(volume perimeter)内的波束广度(beam extent)的示意图。图4是针对10英尺距离计算的、在一定频率范围上的示例性相位数据以及添加了理论相位线的图表。图5是针对50英尺距离计算的、在一定频率范围上的示例性相位数据以及添加了理论相位线的图表。图6是针对33英尺距离计算的、在一定频率范围上的示例性相位数据以及添加了理论相位线的图表。图 7 是 R_randomData 阵列(66)值的 1000 次迭代直方图(histogram)。
具体实施例方式通过对RFID物体定位系统的操作参数的研究，发明人已认识到，在多个查询频率上分析从目标RFID接收的信号的相位可以得到以重要精度对目标RFID沿着查询信号波束的距离进行测距。此处使用的相位测距是指以下过程基于包含在以相同操控角度针对每个频率获得的数据集中的相位读数，计算从RFID定位系统天线沿着查询信号波束到标签的距离。图1论证了具有信号相位检测和相位测距能力的示例性RFID定位系统。利用在定位处理器14控制下的波束操控单元12论证智能可操控相位阵列天线模块10。RFID读取模块16通过多频率收发器22的RF端口 20将查询信号引导到可操控相位阵列天线18并且从该可操控相位阵列天线18接收相应信号。收发器22根据来自协议处理器沈的控制指令，对于每条发送和接收信号路径通过数模发送和模数接收转换器M来处理期望信号。RFID读取模块16包括相位检测电路28，该相位检测电路28提供相位数据和/或确定查询信号的相位与相应接收信号的相位之间的相位差。由于在零拍接收机(homodynereceivers)中测量相位信息的非单值性(ambiguity)，因此相位测量结果可能限于0到180 度的范围，也就是，在接收机处背向散射(backscatter)信号的相位模量(modulus)。可替代地，此处描述的相位测距过程也容许-180到+180(0到360)度的输入相位。RFID读取模块内进一步的信号分析通过幅度处理电路30和RFID标签单一化 (singulation)电路32来执行，由此，对于每个RFID标签扫描，可以输出电子产品码(EPC) 或者其他标签识别符、RSSI、频率、相位和时间戳用以通过ITCS和/或定位处理器进一步处理。包含相位检测能力的RFID读取模块16的供应商是加拿大多伦多的Sirit公司。波束操控角度信息(例如从波束操控单元12接收的Theta和Wii)也可以与每个RFID标签扫描以及表示存储在定位处理器14处的每个RFID标签扫描的组合数据集34相关联。也可以包括一个或多个附加智能可操控相位阵列天线模块10，每个模块将数据集34传送到定位处理器14。定位处理器14的输出36包括标签识别符、时间戳和相关RFID标签38的三维位置。收发器22优选地配备有跳频能力，使得多高速RFID标签38能够以相同波束操控角度在例如902到928Mhz之间的频率范围上进行扫描，从而对每个频率生成数据集。跳频可以例如具有100、250或者500kHz的步长，其导致频率范围上250、100或50个步长。政府射频规范可能要求20秒内最小50跳频速率的频率变化。更快的频率变化可以使得扫描 /计算速度增加。相位测距方法借助如图2中所示的总体处理流程图进行了详细的描述。在50，通过空间的扫描引导查询信号波束来收集多个数据集34。所述扫描可以例如是光栅扫描或者其他扫描模式，比如根据先前数据优先排序来识别RFID标签38的位置。所述扫描可以在单个扫描频率上执行，在从RFID标签38接收到应答信号时中断，于是沿着相同波束方向在不同频率范围上重复多个读数。可替代地，所述扫描可以利用持续的跳频来执行，使得能够在可应用的政府RF发送机规范下应用最大信号强度。当查询信号波束遇到RFID标签38时，天线接收沿着波束识别RFID标签的存在的应答信号，该应答信号触发对应于RFID标签扫描的数据集34(例如电子产品码(EPC)或者其他标签标识符、RSSI、频率、相位和时间戳)的数据捕捉。沿着相同波束的更多查询信号在附加频率上执行，记录每个查询信号频率的数据集34。比如背向散射调制的应答信号的 rf分量的相位被包括在每个数据集34中。随着查询信号频率变化，接收的应答信号的相位将发生变化。数据集34可以按照标签标识符分组，生成数据矩阵用以下一步处理，包括推导每个RFID标签38的三维位置。在进一步的实施例中，根据美国专利申请号12/395,595的RF环境指纹可以与每个数据集34相关联。本领域技术人员将会理解，应用于单个波束方向/RFID标签数据集收集的不同查询信号频率的数量直接影响得到的距离计算的分辨力，其与对于所应用的每个查询信号频率而切换、生成、和处理数据所需的额外时间权衡(trade-off)。为了对RFID标签扫描数据应用相位测距，在52，对于检测RFID标签38的波束方向，得到波束广度或者在即时方向上更短节块(segment)的感兴趣的波束广度。在典型的安装中，指定空间40的周界，并且还已知天线18相对于空间40的位置。 对于任何波束角度，可以通过三角学来计算波束与空间40的周界(比如底面和/或侧面)
7的交叉点。所述底面和/或侧面可以是物理或者逻辑部分和/或障碍，包括例如从中已知 RFID标签38将被排除的期望排除区域周界和/或其中RFID标签38不希望被追踪的识别位置。一旦计算出波束的端点坐标，也可以计算出波束长度。比如图3所示，当波束在方位 A-到A+上扫描(即从左到右)并且在朝向B的立面(elevation)上连续移动时，执行跨越由A-、A+到B-、B+定义的空间的底面的光栅扫描。在扫描期间的任何时候，可以绘制出一个直角三角形图，包括从天线中心处的点D垂直下落到底面的点E的垂直线、从D行进到表示天线查询波束中心的与底面的交叉点F的线、和沿着底面连接E和F的水平线。随着波束在底面上扫描，线DF的长度、波束广度将会变化，DF和EF的夹角也会发生变化。在52识别的波束广度的端部可被引用为MIN和MAX，分别表示期望从天线沿着当前波束方向到当前RFID标签38的最小距离和最大距离。可以应用进一步细化处理(refinement)来降低整个处理时间并且还提高抗噪性。例如，通过使用信号定时和/或数据集的RSSI数据来降低波束广度的理论长度，可以将MIN和MAX的距离降低到一个高概率的范围。如果信号定时表示在发出查询信号到从目标RFID标签接收背向散射调制之间的或长或短的期间，则波束广度离天线18或近或远的分段可能被优先检查。类似地，如果RSSI读数更高和/或更低，则这可能意味着目标RFID 沿着信号波束的可能位置的范围更靠近和/或更远离。在M进行沿着波束广度的相位测距。因为一开始并不知道从天线18沿着信号波束到标签的距离，因此假设一个任意距离，比如MIN、MAX、一个中点或当前波束广度的其它函数。在这个例子中，选用MIN= 10英尺的示例性距离。作为RFID读取模块的输出，记录的相位信息是180度的模量。随着针对相位和频率绘制数据集，如图4中所示，将会发现有三条离开它们原来位置180度的数据线。这是因为，相位是参考初始频率相位结果而记录的，并且如果随后的相位测量偏离理论相位(见下面)大于90度，则将通过加减180度的倍数来调整它们。因此，调整相位使得结果与理论相位读数最合适。理论相位=Phase at min Freq-(freq(Hz)-min Freq)氺distance(ft)氺360(deg)/c (ft/s)氺2在56，信号处理器生成一个理论数据集，其包括针对每个频率以及在MIN到MAX范围内的理论标签距离集的背向散射信号的相位。针对假设的10英尺的标签距离，图4中示出了这条理论线，例如通过计算一距离范围内的理论相位而计算出的数据点。将会注意到， 该理论线与实际的标签相位测量具有不同的斜率。理论线的起点可能被选作所采用的第一相位与频率数据集坐标，因此实际的初始数据的起点和理论线重合，这简化了计算。在58，信号处理器对每个检测到的RFID标签的数据集34进行迭代循环，以便确定对理论相位的最佳匹配，其识别从天线18沿着信号波束到RFID标签的距离。取代顺次计算与每个可用频率数据集34相关的理论距离/叠加(overlay)斜率微分，可以进行与频率数据集34的可用范围对应的代表性理论距离之间的比较，以便识别感兴趣的收敛理论距离范围，例如通过斜率比较和/或加/减运算，代表相关距离的斜率和理论结果的不同，其中收敛的理论距离范围内的可用频率数据集34随后被重新考虑用以最佳配合。迭代循环针对MIN到MAX之间的大量距离中的每个距离生成理论曲线。如图4、 图5和图6所论证的，如果实际距离大于理论距离，则记录数据的斜率将大于理论的，并且如果实际距离小于理论距离，则该斜率将小于(更缓)理论的。接下来，对于每个距离步长将记录数据叠加到理论数据上。在某一距离中，记录数据的斜率和理论数据的斜率将至少平行，并且假如两者起点相同则将典型地重合。在当前的数据集示例中，这论证于图6中。因此，在当前示例中，从天线18沿着信号波束到RFID 标签的距离是33英尺，理论距离应用后生成图6，在该示例中提供了数据集34的最佳斜率匹配。在70，具有最佳斜率匹配的理论距离被选作输出距离。在加快定位处理的迭代方法的细化过程中，可以使用收敛的迭代处理，由此，先为比标签的假定距离更近的距离计算理论距离，接着为比标签的假定距离更远的距离计算理论距离。通过比较所述测量之间的数据集的斜率，能够排除大量的数据集34计算并且通过使用已知数学技术对实际距离进行快速收敛。由于对数据进行了本文中描述的调整用以最佳匹配/最容易的处理，因此随机和 /或噪声数据指示不合适的距离使系统输出一个似乎可接受的结果是可能的。为最小化随机和/或噪声数据引起的距离输出的可能，可以通过额外的检验步骤来测试从相位测距获得的结果输出距离的有效性。所述结果的检验可在64执行，对在60和 62执行的数据完整性计算的结果进行操作。考虑到执行速度，这些计算可与58中的最佳匹配处理并行地进行。在60中，平方差和(Sum of Square Error, SSE)值计算如下采用理论相位，从MIN到MAX之间相应测量数据中减去理论相位，并且对所有测量结果求平方和求和。在62中，通过如下过程针对水平线(斜率=0，表示距离为0)计算平方总和(SST) 采用“理论相位”，从调整后的原数据减去理论相位，对所有测量结果求平方和求和。利用从 60和62的SSE和SST输入，R_rawData(64)可以计算如下R_rawData(64) = 1-SSE/SST其中逼近1的ILrawData (64)表示良好匹配，逼近0的R值表示不良匹配。计算中的差错源可能是存在RF噪音源，生成了在数据获取和/或宽广相位平均期间正移动且被应用为数据集；34的RFID标签38。在66，为确定是否已经利用不可接受的噪声和/或平均的超出范围的数据，可代替实际数据集；34的数据，使用均勻分布的从0到360度的相位测距，重复相位测距步骤 56-64，结果存储在 R_randomData Array (66)阵列中。可替换地，关于已经获得的测量的剩余部分，匹配ILrawData (64)阵列指示可加入(populate with)任何被认为反映每个测量的相对匹配的指示。在 68，可执行对 R_randomData Array (66)的分析,从而为 R_rawData (64)的可接受的门限值提供指导。当关于出现密度处理类似检查[仪11(101110站^灯对(66)的数据点时，例如在图7示出的直方图形式中所呈现的，R_randomData Array(66)值可应用于极值分布，从极值分布获得累积分布函数。因此，用于生成ILrandomData Array (66)的迭代次数可能会减少。注意，示例中的最高值在图7中看起来略大于0.6。应用置信度(confidence level)，例如99. 9% (沿着直方图数据点99. 9 %在左边的位置)提供了 Hiresho ld_R_ rawData值，在当前例子接近0. 6，相对的来自64的R_raWData可能以高置信度测量。在70 中，如果 R_rawData (64) > Threshold_R_rawData,则接受相位测距结果，并且从位置处理器14输出物体RFID标签38的相应三维位置连同相关联的标签标识符和时间戳。如果R_rawData(64)不大于Threshold_R_rawData，则可以输出一个可替代的最佳猜想(例如根据W02009/035723中披露的过程)和/或一个警报。并且，在多智能可操控相位阵列天线模块10将数据集34提供给定位处理器14的情况下，这些独立的相位测距计算的结果可被比较用以进一步检查。在处理速度不是很重要的地方，多扫描和计算循环可能沿着同一波束方向进行，以便进一步检验结果和/或提供数据用以平均得到的70距离输出，以生成一个更可信水平的最终结果。当扫描多个RFID标签38时，对于当单个波束方向已识别多个RFID标签38时发现的每个RFID标签38，可以发生所描述的处理，RFID读取模块16的标签单一化电路32将会把所发现的每个RFID标签38分离成独一无二的数据集34。此处已经针对在单个查询信号波束方向收集的数据描述了相位测距过程。因为查询信号波束具有一个一般圆锥面，还有一个随着距离变化的横断区域，在波束的横断区域重叠的多波束方向，可以检测到单个RFID标签38。为了改善系统响应时间，也可以利用与多波束方向相关联的数据集；34。为了校正因为微小波束方向差别引起的相位差别，可以将校正因子(例如在系统配置期间确定的参数)加入到测量的相位中，该参数取决于RSSI比较和/或临近波束方向数据集34的映射，这也指示了哪个波束方向象是目标RFID标签38 位置的中心点。本领域技术人员将会理解，所公开的设备和系统相对于现有的多天线18三角测量法相比提供了巨大的装备、安装和维护优势，和/或与没有相位测距能力的单天线18标签定位系统相比在定位精度上提供了重要改进。部件表格
权利要求
1.一种在RFID定位系统中用于相位测距的方法，包括步骤当处于一频率的查询信号波束指向一方向时，从RFID标签接收应答信号； 生成与应答信号对应的包括应答信号的测量相位和频率的数据集； 交替多个频率之间的频率，并且对于相应于多个频率的多个应答信号中的每一个进一步生成数据集；针对每个频率在沿着波束的多个距离中的每个距离上生成理论相位； 将穿过在每个频率在多个距离中的每个距离上的理论相位的线的斜率与穿过在每个频率在每个距离上的相位的线的斜率进行比较；指定穿过在每个频率的理论相位的线的斜率最接近于穿过在每个频率的相位的线的斜率的距离作为输出距离；生成匹配的R_rawData指示；用一相位范围替换数据集中测量的相位数据并且以所生成的进行多次迭代处理，以获得R_rawData,从而生成R_randomData的相应阵列；以极值分布处理ILrandomData阵列以获得累积分布函数； 将置信度应用于累积分布函数以生成ThresholcLILrawData ；以及如果R_rawData大于Threshold_R_rawData,则接受输出距离。
2.如权利要求1的方法，其中R_rawData= 1-SSE/SST ；其中SSE计算生成一个作为平方差和的SSE，所述SSE是通过从对应于数据集的每个频率的测量相位中减去每个理论相位以获得测量数据、对测量数据求平方、并对每个测量数据求和而获得的；以及SST计算生成一个作为平方总和的SST，所述SST是关于0斜率的理论线计算的，其通过从对应于数据集的每个频率的测量相位中减去在距离为0时获得的每个理论相位以获得0斜率的测量数据、对0斜率的测量数据求平方和求和而获得的。
3.如权利要求1的方法，其中替换测量相位数据的相位范围在0到360间延续。
4.如权利要求1的方法，其中置信度是至少99%。
5.如权利要求1的方法，其中累积分布函数是ILrandomData阵列的直方图，以及置信度是沿着数据轴、其中ILrandomData阵列的期望百分比在其右边的位置。
6.如权利要求1的方法，其中SSE计算和SST计算与穿过在每个频率在多个距离中的每个距离上的理论相位的线的斜率和穿过在每个频率在每个距离上的相位的线的斜率的比较是并行进行的。
7.如权利要求1的方法，其中所述理论相位通过如下方程式生成 里论才百位=((phase at min Freq—Freq)氺distance氺360) / (c氺2),其中phase at min Freq是与数据集的最小频率对应的相位；Freq是与正对其计算理论相位的频率对应的频率；distance是正对其计算理论相位的距离，以及c是光速。
8.如权利要求1的方法，进一步包括步骤将关于方向的输出距离转换为RFID标签的三维坐标位置。
9.如权利要求8的方法，进一步包括步骤将RFID标签的三维坐标位置和与来自可选查询信号波束的可选数据集生成的RFID标签相对应的可选的三维坐标位置相比较。
10.一种在RFID定位系统中用于相位测距的方法，包括步骤对于与多个频率对应的多个应答信号中的每个应答信号生成多个测量相位和频率数据集；针对每个频率在沿着波束的多个距离中的每个距离上生成理论相位； 将穿过在每个频率在多个距离中的每个距离上的理论相位的线的斜率与穿过在每个频率在每个距离上的相位的线的斜率进行比较；指定穿过在每个频率的理论相位的线的斜率最接近于穿过在每个频率的相位的线的斜率的距离作为输出距离；生成 R_rawData = 1-SSE/SST ；其中SSE计算生成一个作为平方差和的SSE，所述SSE是通过从对应于数据集的每个频率的测量相位中减去每个理论相位以获得测量数据、对测量数据求平方、并对每个测量数据求和而获得的；以及SST计算生成一个作为平方总和的SST，所述SST是关于0斜率的理论线计算的，其是通过从对应于数据集的每个频率的测量相位中减去在距离为0时获得的每个理论相位以获得0斜率的测量数据、对0斜率的测量数据求平方和求和而获得的； R_randomData = 1-SSE/SST ；其中SSE计算生成一个作为平方差和的SSE，所述SSE是通过从对应于数据集的每个频率的相位范围中减去每个理论相位以获得理论数据、对理论数据求平方、并对每个理论数据求和而获得的；以及SST计算生成一个作为平方总和的SST，所述SST是关于0斜率的理论线计算的，其是通过从对应于数据集的每个频率的相位范围中减去在距离为0时获得的每个理论相位以获得0斜率的理论数据、对0斜率的理论数据求平方和求和而获得的；对R_randomData进行多次迭代处理，以生成R_randomData的相应阵列； 以极值分布处理ILrandomData阵列以获得累积分布函数； 将置信度应用于累积分布函数以生成ThresholcLILrawData ；以及如果R_rawData大于Threshold_R_rawData,贝丨J接受输出距离。
11.如权利要求10的方法，其中替换测量相位数据的相位范围在0到360间延续。
12.如权利要求10的方法，其中置信度是至少99%。
13.如权利要求10的方法，其中累积分布函数是ILrandomData阵列的直方图，而置信度是沿着直方图的数据轴、其中ILrandomData的期望百分比在其右边的位置。
14.如权利要求10的方法，其中SSE计算和SST计算与穿过在每个频率在多个距离中的每个距离上的理论相位的线的斜率和穿过在每个频率在每个距离上的相位的线的斜率的比较是并行进行的。
15.如权利要求10的方法，其中所述理论相位通过如下方程式生成 里论才百位=((phase at min Freq—Freq)氺distance氺360) / (c氺2),其中phase at min Freq是与数据集的最小频率对应的相位；Freq是与正对其计算理论相位的频率对应的频率；distance是正对其计算理论相位的距离，以及c是光速。
16.如权利要求10的方法，进一步包括步骤将关于方向的输出距离转换为RFID标签的三维坐标位置。
17.如权利要求16的方法，进一步包括步骤将RFID标签的三维坐标位置和与来自可选查询信号波束的可选数据集生成的RFID标签相对应的可选的三维坐标位置。
18.一种检验相位测距RFID定位系统的输出的方法，包括步骤 生成匹配的R_rawData指示；用一理论相位范围替换测量应答信号的数据集中的测量相位数据，并且根据生成相位测距RFID定位系统输出的相位测距RFID定位系统的过程在多次迭代中进行处理获得R_ rawData,从而生成R_randomData的相应阵列；以极值分布处理ILrandomData阵列以获得累积分布函数； 对累积分布函数应用置信度以生成ThresholcLILrawData ；以及如果R_rawData大于Threshold_R_rawData,贝丨J接受输出距离。
19.如权利要求18的方法，其中R_rawData= 1-SSE/SST ；其中SSE计算生成一个作为平方差和的SSE，所述SSE是通过从对应于数据集的每个频率的测量相位中减去每个理论相位以获得测量数据、对测量数据求平方、并对每个测量数据求和而获得的；以及SST计算生成一个作为平方总和的SST，所述SST是关于0斜率的理论线计算的，其是通过从对应于数据集的每个频率的测量相位中减去在距离为0时获得的每个理论相位以获得0斜率的测量数据、对0斜率的测量数据求平方和求加而获得的。
20.如权利要求18的方法，其中累积分布函数是1 _1^11(101110站3的直方图，以及置信度是沿着数据轴、其中ILrandomData的期望百分比在其右边的位置。
全文摘要
一种用于检验相位测距RFID定位系统的距离输出的方法和装置，其基于与在多个频率和公共查询信号波束方向上的查询信号对应的、从监控应答信号获得的数据集中包含的相位读数；比较测量相位和频率数据集与在与查询信号的波束广度相对应的位置范围上关于同一频率而计算的理论相位。通过比较处理的理论门限数据检验输出距离，从而生成从中提取累积分布函数和应用置信度的极值分布。
文档编号G01S13/74GK102169171SQ20101062449
公开日2011年8月31日 申请日期2010年10月18日 优先权日2009年10月16日
发明者拉塞尔·霍弗, 格雷厄姆·P·布洛伊 申请人:Rf控制有限责任公司