專利名稱：用于目標(biāo)定位的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及目標(biāo)定位及跟蹤。本發(fā)明尤其涉及小目標(biāo)(例如昆蟲)的定位及跟蹤。
背景技術(shù)：
諧波雷達(dá)被用于昆蟲定位及跟蹤。由于有限的精確度、機(jī)械掃描以及需要高的發(fā)射功率，傳統(tǒng)的諧波雷達(dá)被發(fā)現(xiàn)不適于室內(nèi)昆蟲跟蹤。
射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)也被用于昆蟲定位及跟蹤。該技術(shù)需要有源標(biāo)簽而且這些有源標(biāo)簽比較重，因此該技術(shù)不適用于小昆蟲。關(guān)于無(wú)源RFID標(biāo)簽，問(wèn)題在于較短的讀取距離。昆蟲運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)精確跟蹤對(duì)于研究不同物種行為的科學(xué)家是一種重要的工具。之前已經(jīng)開發(fā)了一種基于超高頻射頻識(shí)別(UHF RFID)技術(shù)的跟蹤系統(tǒng)。針對(duì)生物學(xué)和農(nóng)業(yè)的研究的需求已經(jīng)開發(fā)了若干種遙感和遙測(cè)昆蟲跟蹤技術(shù)。遙感技術(shù)不需要與對(duì)象進(jìn)行任何物理相互作用，而在遙測(cè)技術(shù)中昆蟲被配備有應(yīng)答器。在[I]中可以找到對(duì)所述技術(shù)的評(píng)論。所使用的遙感技術(shù)包括例如雷達(dá)、視頻圖形以及其他光學(xué)技術(shù)、X射線成像以及無(wú)源聲學(xué)技術(shù)和有源聲學(xué)技術(shù)。由于雷達(dá)信號(hào)的來(lái)自于地面和植被的嚴(yán)重地物回波，雷達(dá)僅可用于跟蹤飛行的昆蟲或昆蟲群。光學(xué)遙感技術(shù)通常基于攝像機(jī)和能夠自動(dòng)識(shí)別對(duì)象并計(jì)算其位置的圖案識(shí)別軟件。三維跟蹤需要3D測(cè)距攝像機(jī)或立體視覺(jué)相機(jī)。除可見(jiàn)波長(zhǎng)外，視頻圖形技術(shù)也可以在提供夜視的紅外波長(zhǎng)和熱波長(zhǎng)處實(shí)現(xiàn)。視頻圖形技術(shù)的缺點(diǎn)是相對(duì)小的觀察體積、不可靠的圖案檢測(cè)(因而造成不可靠的昆蟲檢測(cè))以及關(guān)于測(cè)距和立體視覺(jué)相機(jī)的技術(shù)挑戰(zhàn)。還使用光電檢測(cè)器來(lái)監(jiān)測(cè)昆蟲的運(yùn)動(dòng)。最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)照射一定的空間并測(cè)量發(fā)射光或散射光，該發(fā)射光或散射光在存在昆蟲時(shí)發(fā)生改變。更加復(fù)雜的技術(shù)能夠根據(jù)散射光來(lái)檢測(cè)昆蟲翅膀的拍動(dòng)。聲學(xué)技術(shù)可以被分為有源聲學(xué)技術(shù)和無(wú)源聲學(xué)技術(shù)。有源技術(shù)使用聲雷達(dá)(聲音檢測(cè)和測(cè)距)，聲雷達(dá)享有雷達(dá)的操作原理但利用聲波代替電磁波。聲雷達(dá)只可檢測(cè)飛行或運(yùn)動(dòng)的昆蟲。無(wú)源聲學(xué)跟蹤技術(shù)使用空間分布的傳聲器(miCTophones)來(lái)記錄被跟蹤的昆蟲所產(chǎn)生的聲音并通過(guò)使在不同位置記錄的聲音相互關(guān)聯(lián)來(lái)求出昆蟲的位置。遙感技術(shù)不需要與昆蟲進(jìn)行物理接觸，因此其不會(huì)影響昆蟲的行為。然而，與遙測(cè)技術(shù)相比較，遙感技術(shù)的缺點(diǎn)通常在于較小檢測(cè)范圍和不可靠的對(duì)象識(shí)別。遙測(cè)技術(shù)包括射頻識(shí)別(RFID)以及諧波雷達(dá)。在RFID中，被跟蹤的昆蟲被配備有無(wú)源RFID標(biāo)簽或有源應(yīng)答器。無(wú)源標(biāo)簽小于有源標(biāo)簽但只提供較短的范圍和較低的跟蹤精確度。RFID跟蹤技術(shù)原理超越幾乎全部其他跟蹤技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于它可以用于同時(shí)跟蹤和識(shí)別多個(gè)對(duì)象。
諧波雷達(dá)概念基于諧波雷達(dá)和當(dāng)被雷達(dá)信號(hào)照射時(shí)產(chǎn)生諧波頻率的雷達(dá)反射的應(yīng)答器。諧波雷達(dá)超越傳統(tǒng)雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)在于它能夠跟蹤靠近地物回波物體(例如地面或植被)的較小的雷達(dá)對(duì)象。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于目標(biāo)定位及跟蹤的新方法以及裝置。本發(fā)明基于使用位于目標(biāo)上的、基于超聲波或光檢測(cè)以及微波反向散射的通常重量輕的應(yīng)答器。附接在目標(biāo)上的應(yīng)答器被微波和超聲波或光照射，以及反向散射的微波信號(hào)被檢測(cè)。根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)利用用作微波應(yīng)答器的無(wú)線超聲波傳聲器。超聲波脈沖被用于測(cè)量從對(duì)象到在空間上不同的若干個(gè)超聲波揚(yáng)聲器的距離。也可以將具有合適天線的光電檢測(cè)器用作應(yīng)答器。 更具體地，根據(jù)本發(fā)明的方法的特征在于權(quán)利要求I的特征部分所描述的內(nèi)容。就其而言，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的特征在于權(quán)利要求10中所描述的內(nèi)容。就其而言，根據(jù)本發(fā)明的用途的特征在于在權(quán)利要求18中所描述的內(nèi)容。借助于本發(fā)明可以獲得相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)。與現(xiàn)有的諧波雷達(dá)和基于RFID的昆蟲跟蹤方法相比，兩種技術(shù)均可以提供用于室內(nèi)或室外籠子的昆蟲跟蹤的優(yōu)越性能。本發(fā)明提供了在室內(nèi)場(chǎng)地和籠子中的精確(毫米精確度)昆蟲定位，并且這可以通過(guò)相對(duì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明還提供了重量輕的應(yīng)答器。本發(fā)明還具有提供相關(guān)聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)的其他若干個(gè)實(shí)施方式。


為了更完整地理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在借助于示例以及參照下面的附圖來(lái)描述本發(fā)明，在附圖中圖I示出了昆蟲被配備有根據(jù)本發(fā)明的用于跟蹤的無(wú)線超聲波傳聲器的情況；圖2不出了典型的電容性微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳聲器的不意圖。傳聲器的等效電路可以表示為可變電容器(灰色);圖3示出了機(jī)械匹配的超聲波傳聲器的原理；圖4示出了無(wú)線超聲波傳聲器(左側(cè))及其等效電路(右側(cè))的示意圖；圖5a示出了超聲波應(yīng)答器的作為聲學(xué)距離的函數(shù)的估計(jì)微波轉(zhuǎn)換效率的曲線圖；圖5b示出了超聲波應(yīng)答器的作為聲學(xué)距離的函數(shù)的估計(jì)微波檢測(cè)范圍的曲線圖；圖6a示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的基于連續(xù)掃描激光器和光電二極管應(yīng)答器的跟蹤原理。激光信號(hào)可以是連續(xù)信號(hào)(左圖)或脈沖信號(hào)(右圖)；圖6b示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的基于脈沖掃描激光器和光電二極管應(yīng)答器的跟蹤原理；圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的基于光電二極管的微波應(yīng)答器(頂部)及其等效電路(底部)的示意圖；圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的、作為輻照度的函數(shù)的結(jié)電容相對(duì)變化的曲線圖；圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的、基于光電二極管的應(yīng)答器在不同的背景輻照度等級(jí)下的微波檢測(cè)范圍的曲線圖；圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的、在I. 5GHz下光電二極管的作為輻照度的函數(shù)的測(cè)量阻抗(標(biāo)記)和計(jì)算阻抗(線)的曲線圖；圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的光激勵(lì)型微波應(yīng)答器的照片；以及圖12示出了所測(cè)量的應(yīng)答器的調(diào)制雷達(dá)橫截面(RCS)的曲線圖，所述曲線針對(duì)不同的輻照度等級(jí)。
具體實(shí)施例方式下面，將更加透徹地討論根據(jù)本發(fā)明的理論和示例。結(jié)合超聲波和微波的跟蹤本部分考慮基于使用超聲波激勵(lì)的微波應(yīng)答器的昆蟲跟蹤技術(shù)。本申請(qǐng)的申請(qǐng)人已經(jīng)開發(fā)了超聲波MEMS裝置并且具有對(duì)實(shí)施所描述的系統(tǒng)非常有用的若干個(gè)發(fā)明。跟蹤原理圖I示出了跟蹤概念。跟蹤的昆蟲I被配備有極小的超聲波傳聲器2，所述超聲波傳聲器2用于測(cè)量超聲波脈沖從揚(yáng)聲器4至傳聲器2的行進(jìn)時(shí)間。超聲波脈沖的物理行進(jìn)距離與行進(jìn)時(shí)間和在空氣中的已知聲速有關(guān)。通過(guò)測(cè)量對(duì)象2與在已知位置的三個(gè)不同的揚(yáng)聲器4之間的距離來(lái)定位對(duì)象2。對(duì)象(標(biāo)簽)同時(shí)被微波輻射和超聲波信號(hào)照射，所述微波輻射通過(guò)照射標(biāo)簽而在標(biāo)簽中被調(diào)制。經(jīng)調(diào)制的微波信號(hào)被反射回微波天線5。因?yàn)槲⒉ㄒ源笥诔暡ㄋ俣榷鄠€(gè)量級(jí)的光速來(lái)傳播，所以經(jīng)調(diào)制的微波信號(hào)的到達(dá)時(shí)間可以被用于計(jì)算對(duì)象與已知位置的揚(yáng)聲器之間的距離?？梢酝ㄟ^(guò)使用不同的調(diào)制來(lái)識(shí)別揚(yáng)聲器4。超聲波傳聲器元件無(wú)線超聲波傳聲器元件2可以類似于例如在移動(dòng)電話中廣泛使用的現(xiàn)有電容性MEMS傳聲器。圖2示出了電容性MEMS傳聲器的示意圖。MEMS傳聲器包括振動(dòng)膜，所述振動(dòng)膜被固體壁支撐并且在背后形成有腔。所述膜是導(dǎo)電的并形成平行板電容器的一個(gè)電極。電容器的另一個(gè)電極是固定的并位于腔的底部。聲壓使振動(dòng)膜發(fā)生移位從而改變其電容。電容性MEMS傳聲器的缺點(diǎn)是聲波不能有效地耦合至振動(dòng)膜?？梢酝ㄟ^(guò)使用基于使用兩個(gè)或更多個(gè)腔來(lái)代替一個(gè)腔的機(jī)械匹配技術(shù)來(lái)提高該耦合。圖3示出了經(jīng)匹配的超聲波傳聲器的一個(gè)不例。上腔填充有中等密度的氣體，使得聲壓引起振動(dòng)膜的相對(duì)大的振幅。上振蕩膜引起在上腔中的超聲波振蕩。所述振蕩然后激勵(lì)下膜。下腔填充有濃的氣體，下膜的振幅小于上膜的振幅。該結(jié)構(gòu)以傳聲器的帶寬作為代價(jià)改善了耦合至傳聲器的超聲波。
假定與圖2中所微機(jī)械超聲波傳聲器類似的微機(jī)械超聲波傳聲器的尺寸為1mmX 1mmX 1mm并重量輕于2mg。無(wú)線傳聲器的理論電-聲響應(yīng)
膜的動(dòng)態(tài)響應(yīng)超聲波傳聲器膜的動(dòng)態(tài)響應(yīng)被給出為
權(quán)利要求
1.ー種用于目標(biāo)定位的方法，在所述方法中 通過(guò)至少ー個(gè)第一類型信號(hào)來(lái)照射目標(biāo)(I);以及 檢測(cè)所述信號(hào)的響應(yīng)； 其特征在干， 所述目標(biāo)(I)配備有對(duì)所述第一類型信號(hào)進(jìn)行反向散射的應(yīng)答器(2、3 ); 還通過(guò)影響所述應(yīng)答器(2、3)的反向散射頻率的第二類型信號(hào)照射所述應(yīng)答器(2、3);以及 檢測(cè)來(lái)自所述應(yīng)答器(2、3 )的反向散射信號(hào)以定位所述目標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，通過(guò)作為第二類型信號(hào)的超聲波照射所述應(yīng)答器(2、3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，通過(guò)作為第二類型信號(hào)的光照射所述應(yīng)答器(2、3)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在干，所述第一類型信號(hào)是微波信號(hào)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在干，多個(gè)發(fā)射器的至少基本連續(xù)的信號(hào)被用于第二類型照射。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，脈沖信號(hào)源被用于第二類型照射。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法用于定位或跟蹤昆蟲。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法用于定位或跟蹤人。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法用于定位或跟蹤車輛。
10.ー種用于目標(biāo)定位的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 用于通過(guò)至少ー種類型的信號(hào)來(lái)照射目標(biāo)(I)的裝置(4、14);以及 用于檢測(cè)所述第一類型信號(hào)的響應(yīng)的檢測(cè)裝置(5、15 ); 其特征在于，所述系統(tǒng)還包括 附接到所述目標(biāo)(I)的應(yīng)答器(2、3)，所述應(yīng)答器對(duì)所述第一類型信號(hào)進(jìn)行反向散射，并且還對(duì)另ー類型信號(hào)敏感，使得所述另ー類型信號(hào)影響從所述應(yīng)答器(2、3)反向散射的頻率； 用于還通過(guò)影響所述應(yīng)答器(2、3)的反向散射頻率的第二類型信號(hào)來(lái)照射所述應(yīng)答器(2,3)的第二照射裝置(4、14、14’)；以及 檢測(cè)來(lái)自所述應(yīng)答器(2、3 )的反向散射信號(hào)以定位所述目標(biāo)。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二照射裝置(4)是超聲波發(fā)射器(4)。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述檢測(cè)裝置是微波接收器(5、15)。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二照射裝置(4、14)是連續(xù)的發(fā)射器(14)。
14.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二照射裝置(4、14)是脈沖發(fā)射器(14’)。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述應(yīng)答器(2)是配備有用于微波反向散射的天線的電容性超聲波應(yīng)答器。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述應(yīng)答器(3)是配備有用于微波反向散射的天線的光電ニ極管。
17.反向散射發(fā)射器的用于昆蟲檢測(cè)和跟蹤的用途。
全文摘要
本文描述了一種用于目標(biāo)定位的方法及系統(tǒng)。根據(jù)所述方法，通過(guò)至少一個(gè)第一類型信號(hào)來(lái)照射目標(biāo)(1)，以及檢測(cè)所述信號(hào)的響應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明所述目標(biāo)(1)配備有對(duì)所述第一類型信號(hào)進(jìn)行反向散射的應(yīng)答器(2、3)；還通過(guò)影響所述應(yīng)答器(2、3)的反向散射頻率的第二類型信號(hào)照射所述應(yīng)答器(2、3)；以及檢測(cè)來(lái)自于所述應(yīng)答器(2、3)的反向散射信號(hào)以定位所述目標(biāo)。
文檔編號(hào)G01S13/75GK102713669SQ201080057990
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2010年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月20日
發(fā)明者卡伊·努米拉, 海基·塞佩, 維萊·維卡里, 蒂莫·瓦爾普拉 申請(qǐng)人:Vtt技術(shù)研究中心