专利名称：用于目标定位的方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及目标定位及跟踪。本发明尤其涉及小目标(例如昆虫)的定位及跟踪。
背景技术：
谐波雷达被用于昆虫定位及跟踪。由于有限的精确度、机械扫描以及需要高的发射功率，传统的谐波雷达被发现不适于室内昆虫跟踪。
射频识别(RFID)技术也被用于昆虫定位及跟踪。该技术需要有源标签而且这些有源标签比较重，因此该技术不适用于小昆虫。关于无源RFID标签，问题在于较短的读取距离。昆虫运动的实时精确跟踪对于研究不同物种行为的科学家是一种重要的工具。之前已经开发了一种基于超高频射频识别(UHF RFID)技术的跟踪系统。针对生物学和农业的研究的需求已经开发了若干种遥感和遥测昆虫跟踪技术。遥感技术不需要与对象进行任何物理相互作用，而在遥测技术中昆虫被配备有应答器。在[I]中可以找到对所述技术的评论。所使用的遥感技术包括例如雷达、视频图形以及其他光学技术、X射线成像以及无源声学技术和有源声学技术。由于雷达信号的来自于地面和植被的严重地物回波，雷达仅可用于跟踪飞行的昆虫或昆虫群。光学遥感技术通常基于摄像机和能够自动识别对象并计算其位置的图案识别软件。三维跟踪需要3D测距摄像机或立体视觉相机。除可见波长外，视频图形技术也可以在提供夜视的红外波长和热波长处实现。视频图形技术的缺点是相对小的观察体积、不可靠的图案检测(因而造成不可靠的昆虫检测)以及关于测距和立体视觉相机的技术挑战。还使用光电检测器来监测昆虫的运动。最简单的系统照射一定的空间并测量发射光或散射光，该发射光或散射光在存在昆虫时发生改变。更加复杂的技术能够根据散射光来检测昆虫翅膀的拍动。声学技术可以被分为有源声学技术和无源声学技术。有源技术使用声雷达(声音检测和测距)，声雷达享有雷达的操作原理但利用声波代替电磁波。声雷达只可检测飞行或运动的昆虫。无源声学跟踪技术使用空间分布的传声器(miCTophones)来记录被跟踪的昆虫所产生的声音并通过使在不同位置记录的声音相互关联来求出昆虫的位置。遥感技术不需要与昆虫进行物理接触，因此其不会影响昆虫的行为。然而，与遥测技术相比较，遥感技术的缺点通常在于较小检测范围和不可靠的对象识别。遥测技术包括射频识别(RFID)以及谐波雷达。在RFID中，被跟踪的昆虫被配备有无源RFID标签或有源应答器。无源标签小于有源标签但只提供较短的范围和较低的跟踪精确度。RFID跟踪技术原理超越几乎全部其他跟踪技术的优点在于它可以用于同时跟踪和识别多个对象。
谐波雷达概念基于谐波雷达和当被雷达信号照射时产生谐波频率的雷达反射的应答器。谐波雷达超越传统雷达的优点在于它能够跟踪靠近地物回波物体(例如地面或植被)的较小的雷达对象。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于目标定位及跟踪的新方法以及装置。本发明基于使用位于目标上的、基于超声波或光检测以及微波反向散射的通常重量轻的应答器。附接在目标上的应答器被微波和超声波或光照射，以及反向散射的微波信号被检测。根据本发明的技术利用用作微波应答器的无线超声波传声器。超声波脉冲被用于测量从对象到在空间上不同的若干个超声波扬声器的距离。也可以将具有合适天线的光电检测器用作应答器。 更具体地，根据本发明的方法的特征在于权利要求I的特征部分所描述的内容。就其而言，根据本发明的系统的特征在于权利要求10中所描述的内容。就其而言，根据本发明的用途的特征在于在权利要求18中所描述的内容。借助于本发明可以获得相当多的优点。与现有的谐波雷达和基于RFID的昆虫跟踪方法相比，两种技术均可以提供用于室内或室外笼子的昆虫跟踪的优越性能。本发明提供了在室内场地和笼子中的精确(毫米精确度)昆虫定位，并且这可以通过相对简单的系统来实现。本发明还提供了重量轻的应答器。本发明还具有提供相关联的优点的其他若干个实施方式。
为了更完整地理解本发明及其优点，现在借助于示例以及参照下面的附图来描述本发明，在附图中图I示出了昆虫被配备有根据本发明的用于跟踪的无线超声波传声器的情况；图2不出了典型的电容性微机电系统(MEMS)传声器的不意图。传声器的等效电路可以表示为可变电容器(灰色);图3示出了机械匹配的超声波传声器的原理；图4示出了无线超声波传声器(左侧)及其等效电路(右侧)的示意图；图5a示出了超声波应答器的作为声学距离的函数的估计微波转换效率的曲线图；图5b示出了超声波应答器的作为声学距离的函数的估计微波检测范围的曲线图；图6a示意性地示出了根据本发明的基于连续扫描激光器和光电二极管应答器的跟踪原理。激光信号可以是连续信号(左图)或脉冲信号(右图)；图6b示意性地示出了根据本发明的基于脉冲扫描激光器和光电二极管应答器的跟踪原理；图7示出了根据本发明的基于光电二极管的微波应答器(顶部)及其等效电路(底部)的示意图；图8示出了根据本发明的、作为辐照度的函数的结电容相对变化的曲线图；图9示出了根据本发明的、基于光电二极管的应答器在不同的背景辐照度等级下的微波检测范围的曲线图；图10示出了根据本发明的、在I. 5GHz下光电二极管的作为辐照度的函数的测量阻抗(标记)和计算阻抗(线)的曲线图；图11示出了根据本发明的光激励型微波应答器的照片；以及图12示出了所测量的应答器的调制雷达横截面(RCS)的曲线图，所述曲线针对不同的辐照度等级。
具体实施例方式下面，将更加透彻地讨论根据本发明的理论和示例。结合超声波和微波的跟踪本部分考虑基于使用超声波激励的微波应答器的昆虫跟踪技术。本申请的申请人已经开发了超声波MEMS装置并且具有对实施所描述的系统非常有用的若干个发明。跟踪原理图I示出了跟踪概念。跟踪的昆虫I被配备有极小的超声波传声器2，所述超声波传声器2用于测量超声波脉冲从扬声器4至传声器2的行进时间。超声波脉冲的物理行进距离与行进时间和在空气中的已知声速有关。通过测量对象2与在已知位置的三个不同的扬声器4之间的距离来定位对象2。对象(标签)同时被微波辐射和超声波信号照射，所述微波辐射通过照射标签而在标签中被调制。经调制的微波信号被反射回微波天线5。因为微波以大于超声波速度多个量级的光速来传播，所以经调制的微波信号的到达时间可以被用于计算对象与已知位置的扬声器之间的距离。可以通过使用不同的调制来识别扬声器4。超声波传声器元件无线超声波传声器元件2可以类似于例如在移动电话中广泛使用的现有电容性MEMS传声器。图2示出了电容性MEMS传声器的示意图。MEMS传声器包括振动膜，所述振动膜被固体壁支撑并且在背后形成有腔。所述膜是导电的并形成平行板电容器的一个电极。电容器的另一个电极是固定的并位于腔的底部。声压使振动膜发生移位从而改变其电容。电容性MEMS传声器的缺点是声波不能有效地耦合至振动膜。可以通过使用基于使用两个或更多个腔来代替一个腔的机械匹配技术来提高该耦合。图3示出了经匹配的超声波传声器的一个不例。上腔填充有中等密度的气体，使得声压引起振动膜的相对大的振幅。上振荡膜引起在上腔中的超声波振荡。所述振荡然后激励下膜。下腔填充有浓的气体，下膜的振幅小于上膜的振幅。该结构以传声器的带宽作为代价改善了耦合至传声器的超声波。
假定与图2中所微机械超声波传声器类似的微机械超声波传声器的尺寸为1mmX 1mmX 1mm并重量轻于2mg。无线传声器的理论电-声响应
膜的动态响应超声波传声器膜的动态响应被给出为
权利要求
1.ー种用于目标定位的方法，在所述方法中 通过至少ー个第一类型信号来照射目标(I);以及 检测所述信号的响应； 其特征在干， 所述目标(I)配备有对所述第一类型信号进行反向散射的应答器(2、3 ); 还通过影响所述应答器(2、3)的反向散射频率的第二类型信号照射所述应答器(2、3);以及 检测来自所述应答器(2、3 )的反向散射信号以定位所述目标。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，通过作为第二类型信号的超声波照射所述应答器(2、3)。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，通过作为第二类型信号的光照射所述应答器(2、3)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在干，所述第一类型信号是微波信号。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在干，多个发射器的至少基本连续的信号被用于第二类型照射。
6.根据权利要求I至4中任一项所述的方法，其特征在于，脉冲信号源被用于第二类型照射。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法用于定位或跟踪昆虫。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法用于定位或跟踪人。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法用于定位或跟踪车辆。
10.ー种用于目标定位的系统，所述系统包括 用于通过至少ー种类型的信号来照射目标(I)的装置(4、14);以及 用于检测所述第一类型信号的响应的检测装置(5、15 ); 其特征在于，所述系统还包括 附接到所述目标(I)的应答器(2、3)，所述应答器对所述第一类型信号进行反向散射，并且还对另ー类型信号敏感，使得所述另ー类型信号影响从所述应答器(2、3)反向散射的频率； 用于还通过影响所述应答器(2、3)的反向散射频率的第二类型信号来照射所述应答器(2,3)的第二照射装置(4、14、14’)；以及 检测来自所述应答器(2、3 )的反向散射信号以定位所述目标。
11.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述第二照射装置(4)是超声波发射器(4)。
12.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述检测装置是微波接收器(5、15)。
13.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述第二照射装置(4、14)是连续的发射器(14)。
14.根据权利要求I至4中任一项所述的系统，其特征在于，所述第二照射装置(4、14)是脉冲发射器(14’)。
15.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述应答器(2)是配备有用于微波反向散射的天线的电容性超声波应答器。
16.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述应答器(3)是配备有用于微波反向散射的天线的光电ニ极管。
17.反向散射发射器的用于昆虫检测和跟踪的用途。
全文摘要
本文描述了一种用于目标定位的方法及系统。根据所述方法，通过至少一个第一类型信号来照射目标(1)，以及检测所述信号的响应。根据本发明所述目标(1)配备有对所述第一类型信号进行反向散射的应答器(2、3)；还通过影响所述应答器(2、3)的反向散射频率的第二类型信号照射所述应答器(2、3)；以及检测来自于所述应答器(2、3)的反向散射信号以定位所述目标。
文档编号G01S13/75GK102713669SQ201080057990
公开日2012年10月3日 申请日期2010年10月19日 优先权日2009年10月20日
发明者卡伊·努米拉, 海基·塞佩, 维莱·维卡里, 蒂莫·瓦尔普拉 申请人:Vtt技术研究中心