一种融合强度与相位信息的声表面波定位系统及定位方法与流程

技术领域：

本发明涉及一种融合强度与相位信息的声表面波定位系统及定位方法，属于射频识别定位领域。

背景技术：
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近年来，随着对位置服务的需求不断增长，推动了定位技术的快速发展。射频识别(radiofrequencyidentification,rfid)技术凭借其系统结构简单、传播方式非接触等特点在定位领域得到了广泛应用。根据定位过程中测距方法的不同，rfid定位技术主要分为基于接收信号强度(receivedsignalstrengthindicator,rssi)和到达时间(timeofarrival,toa)的方法。由于相位与时间存在着对应关系，近年来，基于接收信号相位(receivedsignalphase,rsp)的rfid定位技术也逐渐开展起来。在上述测距方法的基础上，定位算法可根据基于几何定位、基于场景定位两种类型进行划分，三边定位和指纹定位分别为这两种类型中最典型的定位算法。对于指纹定位而言，其定位精度主要取决于指纹库的数据密度。

鉴于声表面波(surfaceacousticwave,saw)标签的无源特征，将声表面波技术运用于rfid定位中，能够在无需更换电池的条件下实现长时间定位，降低了定位系统后期维护的成本，且适于易燃易爆等极端环境，更加契合实际应用时的需求。此外，saw标签的微小体积也为定位标签的个性化设计提供了方便。saw定位技术可采用上述基于rssi、toa、rsp的测距方法，并通过三边定位或指纹定位算法实现定位功能，但仍存在着以下问题亟待解决：

(1)基于rssi的方法受环境影响大、定位精度低，即使采用高数据密度的指纹定位算法也难以提高定位精度。

(2)基于toa的方法需要系统具备极高的时间分辨率，从而对系统成本提出了极高要求。

(3)与toa相比，在系统成本相同的前提下，基于rsp的方法具有较高的相位分辨率，从而可大幅度提高定位精度，但存在相位模糊问题。

(4)基于rsp的方法极易受温度影响。虽然可以通过在saw标签中设置测温反射栅，采用“先测温，后补偿”方式消除温度影响，但大幅度增加了系统的复杂度，并且还可能带来定位区域减小等其它问题。

技术实现要素：
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本发明针对现有声表面波定位技术存在的问题，提出一种融合强度与相位信息的声表面波定位系统及定位方法，系统使用双频双通道单端延迟线型结构的声表面波标签，阅读器通过一分三开关连接三个阅读器天线，首先根据定位区域中不存在相位模糊问题的子区域来离线设置指纹点、建立指纹库，然后采用指纹定位算法确定定位目标所在的子区域，最后通过三边定位算法获得定位目标的精确二维坐标。

本发明采用如下技术方案：一种融合强度与相位信息的声表面波定位系统，由声表面波标签和阅读器构成；其中，所述阅读器包括发射模块、收发隔离模块、接收模块、信号处理模块、一分三开关、第一阅读器天线、第二阅读器天线以及第三阅读器天线；所述收发隔离模块为单刀双掷开关；所述发射模块的输出端连接收发隔离模块的第二端口，收发隔离模块的第三端口连接接收模块的输入端，接收模块的输出端连接信号处理模块的输入端，收发隔离模块的第一端口与一分三开关的第一端口连接，一分三开关的第二端口与第一阅读器天线连接，一分三开关的第三端口与第二阅读器天线连接，一分三开关的第四端口与第三阅读器天线连接；所述三个阅读器天线为全向天线，分别位于三个固定位置；声表面波标签贴附在定位目标上，其特征在于：所述声表面波标签为双频双通道单端延迟线型结构，包括压电基底、第一叉指换能器、第二叉指换能器、第一反射栅、第二反射栅、标签天线；

进一步地，所述第一叉指换能器、第一反射栅沉积在压电基底的上半部分，构成声表面波的第一传播通道；第二叉指换能器、第二反射栅沉积在压电基底的下半部分，构成声表面波的第二传播通道；两个传播通道的叉指换能器孔径、反射栅孔径均相等，两个传播通道之间彼此独立；通过设计第一叉指换能器的指条宽度和第一反射栅的栅条宽度，使第一传播通道的中心频率f1为842.5mhz；通过设计第二叉指换能器的指条宽度和第二反射栅的栅条宽度，使第二传播通道的中心频率f2为922.5mhz；

所述第一叉指换能器、第二叉指换能器沉积在压电基底左侧，二者通过并联的方式与标签天线连接；

所述标签天线为双频全向天线，涵盖840～845mhz、920～925mhz两个频段。

进一步地，所述第一反射栅到第一叉指换能器的中心距l1与第二反射栅到第二叉指换能器的中心距l2满足l1/l2＝f2/f1的比例关系。

本发明还采用如下技术方案：一种融合强度与相位信息的声表面波定位系统的定位方法，包括如下步骤：其中步骤a和步骤b为定位离线阶段：

步骤a：根据声表面波标签的两个传播通道的中心频率差δf＝f2-f1，计算出采用回波信号相位差信息测距时的无相位模糊测距长度，从而将定位区域划分成若干个不存在相位模糊问题的子区域，并确定每个子区域对应的三个阅读器天线的相位测距整数部分；

步骤b：根据定位区域中不存在相位模糊问题的子区域来设置指纹点、建立指纹库；

步骤c：阅读器发射模块产生载波频率为f1的激励脉冲信号；

步骤d：阅读器收发隔离模块的单刀双掷开关掷于第二端口，一分三开关掷于第二端口；

步骤e：激励脉冲信号经过收发隔离模块的第二端口和第一端口进入一分三开关，再经过一分三开关的相应端口进入相应的阅读器天线，通过该阅读器天线发射激励脉冲信号；

步骤f：声表面波标签的标签天线接收激励脉冲信号，仅中心频率与激励脉冲信号的载波频率一致的传播通道响应该激励脉冲信号，该传播通道的叉指换能器通过逆压电效应将激励脉冲信号转换为声表面波沿压电基底表面传播，声表面波遇到该传播通道的反射栅产生部分反射和部分透射，其反射信号传回叉指换能器，叉指换能器再通过正压电效应将反射信号转换为回波脉冲信号，回波脉冲信号通过标签天线发射回相应的阅读器天线；

步骤g：阅读器收发隔离模块的单刀双掷开关掷于第三端口，回波脉冲信号经过一分三开关的相应端口进入收发隔离模块，再经过收发隔离模块的第一端口和第三端口进入接收模块、信号处理模块，信号处理模块获得回波脉冲信号的强度值s11和相位值

步骤h：阅读器收发隔离模块的单刀双掷开关掷于第二端口，一分三开关掷于第三端口，重复步骤e、步骤f、步骤g，获得一分三开关掷于第三端口时回波脉冲信号的强度值s12和相位值

步骤i：阅读器收发隔离模块的单刀双掷开关掷于第二端口，一分三开关掷于第四端口，重复步骤e、步骤f、步骤g，获得一分三开关掷于第四端口时回波脉冲信号的强度值s13和相位值

步骤j：阅读器发射模块产生载波频率为f2的激励脉冲信号，重复步骤d、步骤e、步骤f、步骤g、步骤h、步骤i，获得回波脉冲信号的强度值s21、s22、s23和相位值

步骤k：采用指纹定位算法，将回波脉冲信号的12个特征值s11、s12、s13、s21、s22、s23、与步骤b建立的指纹库中的所有指纹点进行匹配，由此确定定位目标所在的不存在相位模糊问题的子区域n，并通过步骤a获得该子区域n对应的三个阅读器天线的相位测距整数值x、y、z；

步骤l：通过第一阅读器天线接收的回波脉冲信号的相位差结合子区域对应的第一阅读器天线的相位测距整数部分2πx，获得回波脉冲信号的无模糊相位差及其对应的第一阅读器天线到定位目标的距离d1，再采用同样的方法获得第二阅读器天线到定位目标的距离d2、第三阅读器天线到定位目标的距离d3，最后通过三边定位算法获得定位目标的二维坐标。

进一步地，步骤b具体分为如下步骤：

步骤a：以不存在相位模糊问题的子区域1的几何质心作为指纹点1，将贴附声表面波标签的定位目标置于指纹点1处；

步骤b：阅读器发射模块产生载波频率为f1的激励脉冲信号，按照与权利要求3中步骤d、步骤e、步骤f、步骤g、步骤h、步骤i相同的步骤，获得指纹点的前6个特征值s11′、s12′、s13′、然后阅读器发射模块产生载波频率为f2的激励脉冲信号，按照上述相同的方法，获得指纹点的后6个特征值s21′、s22′、s23′、

步骤c：以不存在相位模糊问题的子区域2的几何质心作为指纹点2，将贴附声表面波标签的定位目标置于指纹点2处，重复步骤b，获得指纹点2的12个特征值；

步骤d：以不存在相位模糊问题的子区域n的几何质心作为指纹点n，按照与步骤c相同的步骤，直至获得定位区域所有指纹点的特征值，完成指纹库的建立。

本发明具有如下有益效果：

1.采用指纹定位算法离线建立指纹库时，不需要高数据密度，只须在每个不存在相位模糊问题的子区域几何质心设置一个指纹点即可，从而大幅度减小了指纹库构建的复杂度。

2.指纹点的特征值包括双频三个阅读器天线的回波信号强度和相位共12个特征值，从而大幅度提高了指纹定位算法的精度，可以准确获取定位目标所在的子区域。

3.声表面波标签采用双频双通道结构，并且两个声表面波传播通道中的反射栅到叉指换能器的中心距与传播通道的中心频率成反比，从而解决了基于rsp的方法中温度对定位结果的影响。与在标签中设置测温反射栅，采用“先测温，后补偿”方式消除温度影响相比，不会增加系统的复杂度，也不会带来定位区域减小等其它问题。

4.通过融合强度与相位信息，先采用指纹定位算法确定子区域、再采用三边定位算法获得二维坐标的定位方法，与基于rssi的方法相比，大幅度提高了定位精度；与基于toa的方法相比，系统成本低；与基于rsp的方法相比，不仅消除了温度影响，而且解决了相位模糊问题。

附图说明：

图1是本发明的声表面波标签结构示意图。

图2是本发明的回波信号相位差信息测距示意图。

图3是本发明的阅读器框架结构示意图。

图4是本发明的声表面波定位系统结构及定位方法示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

请参照图1所示，声表面波标签为双频双通道单端延迟线型结构，包括压电基底、第一叉指换能器、第二叉指换能器、第一反射栅、第二反射栅、标签天线；其中，第一叉指换能器、第一反射栅沉积在压电基底的上半部分构成声表面波的第一传播通道，第二叉指换能器、第二反射栅沉积在压电基底的下半部分构成声表面波的第二传播通道，两个传播通道的叉指换能器孔径、反射栅孔径均相等，但两个传播通道之间互不重叠，使得彼此独立；第一反射栅到第一叉指换能器的中心距为l1，第二反射栅到第二叉指换能器的中心距为l2；根据中心频率f＝v/λ，其中v为声表面波的传播速度，取决于压电基底的切型，λ为声表面波的波长，与叉指换能器的指条宽度和反射栅的栅条宽度具有对应关系，并根据我国标准把800/900mhz频带分为840～845mhz、920～925mhz两个独立频段的实际情况，通过设计第一叉指换能器的指条宽度和第一反射栅的栅条宽度，使第一传播通道的中心频率f1为842.5mhz，通过设计第二叉指换能器的指条宽度和第二反射栅的栅条宽度，使第二传播通道的中心频率f2为922.5mhz；第一叉指换能器、第二叉指换能器沉积在压电基底左侧，二者通过并联的方式与标签天线连接；标签天线为双频全向天线，涵盖840～845mhz、920～925mhz两个频段。

请参照图2所示，声表面波标签贴附在定位目标上，阅读器发射激励脉冲信号并接收从声表面波标签反射回来的回波脉冲信号，通过回波信号相位差信息测量阅读器天线到定位目标的距离d。

当阅读器发射载波频率为f1的激励脉冲信号时，仅声表面波标签的第一传播通道响应该激励脉冲信号，回波脉冲信号的载波相位为：

其中，c为电磁波在空间的传播速度；tcd为声表面波的延迟温度系数，取决于声表面波标签的压电基底切型；t0为与声表面波传播速度v对应的参考温度；t为定位时的实际温度。

当阅读器发射载波频率为f2的激励脉冲信号时，仅声表面波标签的第二传播通道响应该激励脉冲信号，回波脉冲信号的载波相位为：

阅读器天线两次接收的回波脉冲信号的相位差为：

由式(3)可知，回波脉冲信号的相位差受温度变化影响，并且由于声表面波的传播速度v比电磁波的传播速度c小5个数量级，温度变化对相位差的影响不可忽略。

本发明通过设计声表面波标签的第一反射栅到第一叉指换能器的中心距l1与第二反射栅到第二叉指换能器的中心距l2满足l1/l2＝f2/f1的比例关系，从而消除温度变化对回波脉冲信号的相位差的影响，以最终消除温度变化对定位结果的影响；阅读器天线到定位目标的距离与阅读器天线接收的回波脉冲信号的相位差之间的关系为：

相位测量存在模糊性问题，即只能测得中小于2π的小数部分而不能测出2π的整数部分；相应的，相位差同样存在模糊性问题；由式(4)可知，根据声表面波标签的两个传播通道的中心频率差δf＝f2-f1可计算出采用回波信号相位差信息测距时的无相位模糊测距长度，从而将距离d划分成若干个不存在相位模糊问题的子距离，并确定每个子距离对应的阅读器天线的相位测距整数部分0、1、…、x-1、x。

请参照图3所示，阅读器由发射模块、收发隔离模块、接收模块、信号处理模块、一分三开关、第一阅读器天线、第二阅读器天线以及第三阅读器天线构成；收发隔离模块为单刀双掷开关；发射模块的输出端连接收发隔离模块的第二端口，收发隔离模块的第三端口连接接收模块的输入端，接收模块的输出端连接信号处理模块的输入端，收发隔离模块的第一端口与一分三开关的第一端口连接，一分三开关的第二端口与第一阅读器天线连接，一分三开关的第三端口与第二阅读器天线连接，一分三开关的第四端口与第三阅读器天线连接；三个阅读器天线为全向天线，分别位于三个固定位置。

请参照图4所示，声表面波定位系统的定位方法包括如下步骤，其中步骤1)和步骤2)为定位离线阶段：

步骤1)：根据声表面波标签的两个传播通道的中心频率差δf＝f2-f1，计算出采用回波信号相位差信息测距时的无相位模糊测距长度，从而将定位区域划分成若干个不存在相位模糊问题的子区域，并确定每个子区域对应的三个阅读器天线的相位测距整数部分；

步骤2)：根据定位区域中不存在相位模糊问题的子区域来设置指纹点、建立指纹库；

步骤3)：阅读器发射模块产生载波频率为f1的激励脉冲信号；

步骤4)：阅读器收发隔离模块的单刀双掷开关掷于第二端口，一分三开关掷于第二端口；

步骤5)：激励脉冲信号经过收发隔离模块的第二端口和第一端口进入一分三开关，再经过一分三开关的相应端口进入相应的阅读器天线，通过该阅读器天线发射激励脉冲信号；

步骤6)：声表面波标签的标签天线接收激励脉冲信号，仅中心频率与激励脉冲信号的载波频率一致的传播通道响应该激励脉冲信号，该传播通道的叉指换能器通过逆压电效应将激励脉冲信号转换为声表面波沿压电基底表面传播，声表面波遇到该传播通道的反射栅产生部分反射和部分透射，其反射信号传回叉指换能器，叉指换能器再通过正压电效应将反射信号转换为回波脉冲信号，回波脉冲信号通过标签天线发射回相应的阅读器天线；

步骤7)：阅读器收发隔离模块的单刀双掷开关掷于第三端口，回波脉冲信号经过一分三开关的相应端口进入收发隔离模块，再经过收发隔离模块的第一端口和第三端口进入接收模块、信号处理模块，信号处理模块获得回波脉冲信号的强度值s11和相位值

步骤8)：阅读器收发隔离模块的单刀双掷开关掷于第二端口，一分三开关掷于第三端口，重复步骤5)、步骤6)、步骤7)，获得一分三开关掷于第三端口时回波脉冲信号的强度值s12和相位值

步骤9)：阅读器收发隔离模块的单刀双掷开关掷于第二端口，一分三开关掷于第四端口，重复步骤5)、步骤6)、步骤7)，获得一分三开关掷于第四端口时回波脉冲信号的强度值s13和相位值

步骤10)：阅读器发射模块产生载波频率为f2的激励脉冲信号，重复步骤4)、步骤5)、步骤6)、步骤7)、步骤8)、步骤9)，获得回波脉冲信号的强度值s21、s22、s23和相位值

步骤11)：采用指纹定位算法，将回波脉冲信号的12个特征值s11、s12、s13、s21、s22、s23、与步骤b建立的指纹库中的所有指纹点进行匹配，由此确定定位目标所在的不存在相位模糊问题的子区域n，并通过步骤a获得该子区域n对应的三个阅读器天线的相位测距整数值x、y、z；

步骤12)：通过第一阅读器天线接收的回波脉冲信号的相位差结合子区域对应的第一阅读器天线的相位测距整数部分2πx，获得回波脉冲信号的无模糊相位差及其对应的第一阅读器天线到定位目标的距离d1，再采用同样的方法获得第二阅读器天线到定位目标的距离d2、第三阅读器天线到定位目标的距离d3，最后通过三边定位算法获得定位目标的二维坐标。

其中，步骤2)可细分为以下步骤：

步骤a：以不存在相位模糊问题的子区域1的几何质心作为指纹点1，将贴附声表面波标签的定位目标置于指纹点1处；

步骤b：阅读器发射模块产生载波频率为f1的激励脉冲信号，按照与步骤4)、步骤5)、步骤6)、步骤7)、步骤8)、步骤9)相同的步骤，获得指纹点的前6个特征值s11′、s12′、s13′、然后阅读器发射模块产生载波频率为f2的激励脉冲信号，按照上述相同的方法，获得指纹点的后6个特征值s21′、s22′、s23′、

步骤c：以不存在相位模糊问题的子区域2的几何质心作为指纹点2，将贴附声表面波标签的定位目标置于指纹点2处，重复步骤b，获得指纹点2的12个特征值；

步骤d：以不存在相位模糊问题的子区域n的几何质心作为指纹点n，按照与步骤c相同的步骤，直至获得定位区域所有指纹点的特征值，完成指纹库的建立。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。