器注入動物體內(nèi)的一個實施例。
[0025] 圖4顯示了本文所描述的基站點的一個實施例。
[0026] 圖5顯示了本文所描述的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的一個實施例。
[0027] 圖6顯示了本文所描述的信號處理的一個實施例。 本發(fā)明的詳細(xì)說明
[0028] 在一個實施例中，本發(fā)明提供了一種跟蹤系統(tǒng)，它由一個或多個捕捉器、一個或多 個基站點、一個或多個遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心以及一個或多個帶顯示器的無程處理器（例如工作 站、筆記本電腦以及移動電話、平板電腦和PDA等移動數(shù)字設(shè)備）組成（圖1)。 捕捉器
[0029] 在一個實施例中，本系統(tǒng)的捕捉器由一臺聲波收發(fā)器、一臺中央處理器（CPU)、一 塊電池 、一臺模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC)和一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC)以及一些可選的傳感器組成。聲波 收發(fā)器將超聲波發(fā)送給基站點，并接收來自基站點的超聲波。在一個實施例中，聲波收發(fā)器 是超聲波收發(fā)器。在另一個實施例中，聲波收發(fā)器是壓電收發(fā)器或磁致伸縮收發(fā)器。在又 一個實施例中，聲波收發(fā)器由一個或多個薄膜傳感器組成。CPU根據(jù)特定應(yīng)用的要求控制收 發(fā)器的所有傳輸參數(shù)（頻率、密度、時長等）和時間設(shè)置。電池向捕捉器的所有組件供電。 在一個實施例中，可以使用能量采集IC來對電池進行補充，以獲得更長的供電時間。取決 于應(yīng)用的要求，可選的傳感器收集有關(guān)動物的其他身體和生理信息。然后，這些信息由CPU 處理，并嵌入到被傳送的超聲波中。圖2顯示了捕捉器的一個實施例，這個實施例包括一個 溫度傳感器、一個振動傳感器和一個偶合了能量采納IC的電池。在一個實施例中，捕捉器 中的電池通過無線感應(yīng)式充電進行充電。在另一個實施例中，電池為可更換電池。在又一個 實施例中，捕捉器采用外部電源供電。在一個實施例中，捕捉器內(nèi)的電池為鋰電池或基于鋅 聚合物的超薄型或可彎曲型電池，以便可以覆蓋內(nèi)表面，在小型捕捉器內(nèi)提供充足的電量。
[0030] 捕捉器發(fā)射MHz范圍的超聲波信號，這種超聲波信號遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過動物的聽覺上限， 因此不會影響動物的行為。由于超聲波的傳輸速度比電磁波的傳輸速度慢得多（慢大約 874, 000倍），超聲波的受本發(fā)明監(jiān)控的相對較小的空間內(nèi)傳輸時，信號從一具體的捕捉器 抵達(dá)位于兩個或兩個以上不同空間位置的基站點的時間差足夠大，能夠準(zhǔn)確定位或探測到 發(fā)射源（例如捕捉器）空間位置的變動。例如，在一個典型的室內(nèi)環(huán)境中，從一個具體的捕 捉器發(fā)射的超聲波信號抵押每個基站點的時間差為微秒到毫秒級，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于基站點和遠(yuǎn)程 處理器中使用的普通參考時鐘的最低精度水平（例如在IOMHz時為O.Olppm，納秒級）。通 過這種方式，系統(tǒng)的空間精度可以達(dá)到微米級水平。這個原則構(gòu)成本發(fā)明的主要技術(shù)之一。
[0031] 為了區(qū)分所有單個信號即動物，捕捉器的收發(fā)器發(fā)射的每個信號都被嵌入到其載 波中，例如通過開/關(guān)狀態(tài)或波形的相型、作為與所有其他動物的特征正交的標(biāo)識符的唯 一和對象特定的特征序列（例如沃爾什哈達(dá)瑪編碼）。在一個實施例中，序列的長度取決于 要跟蹤的對象的數(shù)量。在另一個實施例中，每個特征序列與所有其他特征序列正交，例如， 任何一對特征序列的內(nèi)積為零。通過這種方式，基站點可以區(qū)分一個小群體或一個大群體 中的每只動物。此外，正交特征還能作為用來篩選出一個信號對所有其他信號的干擾的線 索。特征序列的設(shè)計構(gòu)成本發(fā)明的主要技術(shù)之一。
[0032] 對于實驗研宄中應(yīng)用小鼠、大鼠、倉鼠、倭狐猴、貓、狗、獼猴和其他非人類靈長類 動物等小型動物，一種普通技術(shù)即可將不超過動物體重10%的微型捕捉器注入動物體內(nèi)， 例如，通過外科手術(shù)或使用注射器以皮下注射的方式注入到動物的頸部區(qū)域，如圖3所示。 捕捉器的尺寸可根據(jù)動物的體型大小有所不同。一種普通技術(shù)即可制造用于捕捉器的膠囊 狀外殼。要幫助該外殼易于注射和不妨礙動物的正常行為，例如用于實驗室鼠的1厘米長 和0.3厘米直徑的外殼，在必要時可以使用專用集成電路（ASIC)來進一步將捕捉器微型 化。小心選擇用于外殼的材料，以讓其不會干擾信號傳輸且具有生物惰性，例如聚丙烯。皮 下放置捕捉器具有防止捕捉器從動物身上脫落的優(yōu)勢。皮下放置捕捉器還能夠精確測量動 物的生理狀態(tài)。在一個實施例中，捕捉器可能包括用于監(jiān)測身體機能的組件，例如捕捉器可 以包括測量體溫、心率和血壓等的傳感器。
[0033] 監(jiān)測貓、狗、獼猴和其他非人類靈長類動物等大型動物時，捕捉器可以系在動物身 上或由動物佩戴在身上（例如密封在頸圈內(nèi)）進行位置和行動跟蹤。 基站點
[0034] 在一個實施例中，跟蹤系統(tǒng)的基站點由聲波收發(fā)器、電磁收發(fā)器、基帶處理器、AC/ DC整流器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器以及濕度傳感器組成。在本發(fā)明的一個方 面，基站點被置于墻壁上或動物周圍的其他固定裝置上（圖4)。根據(jù)應(yīng)用的空間分辨率要 求（基站點越多，分辨率越高）和遠(yuǎn)程處理器上的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心支持的容量，基站點的數(shù)量 有所不同。監(jiān)測三維空間內(nèi)的事件需要三個或三個以上的基站點。在一個實施例中，聲波 收發(fā)器是超聲波收發(fā)器。在另一個實施例中，聲波收發(fā)器是壓電傳感器或磁致伸縮傳感器。 在又一個實施例中，聲波收發(fā)器由一個或多個薄膜傳感器組成。
[0035] 基站點的聲波收發(fā)器接收捕捉器發(fā)出的聲波信號，并且，如有必要，例如在轉(zhuǎn)發(fā)遠(yuǎn) 程處理器發(fā)出的指示時，將聲波信號發(fā)回捕捉器。電磁收發(fā)器通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心將無線電 或線外線等信號發(fā)送到遠(yuǎn)程處理器，并在必要時通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心接收來自遠(yuǎn)程處理器的 信號?；鶐幚砥鬏d有基站點的計時機構(gòu)。AC/DC整流器將進入基站點的交流電流轉(zhuǎn)換為 直流電流，并向基站點的所有組件供電。由于聲音在空氣中的傳 播速度（C)與溫度（T)的 平方根成正比， c = sqrt ( γ RT/M) (其中γ是空氣的絕熱指數(shù)；R是通用氣體常數(shù);M是空氣的摩爾質(zhì)量），γ和M均取 決于濕度，基站點包括用于精確計算捕捉器發(fā)射的聲波速度的溫度傳感器和濕度傳感器。
[0036] 由于基站點和捕捉器中的所有時鐘精確同步非常重要，必須進行時鐘步驟的初始 化過程，讓它們的內(nèi)部時鐘相互同步。在一個實施例中，一個基站點被設(shè)置為主節(jié)點，其他 基站點被設(shè)置為從節(jié)點。主節(jié)點向從節(jié)點發(fā)出時間調(diào)整命令，控制從節(jié)點獲得同步的方式。 在一個實施例中，主基站點被配置成定期向所有從基站點和捕捉器發(fā)送同步簽名，該同步 簽名經(jīng)過特別設(shè)計，其自相關(guān)函數(shù)接近于一個尖型三角函數(shù)。在同步過程中，主基站點啟 動，創(chuàng)建同步通道，再進入"配置模式"，在配置模式中，主基站點尋找并探測周圍的所有從 基站點，再傳送同步信號。探測到同步信號的抵達(dá)時，從基站點讀取同步信號，再向主基站 點發(fā)回確認(rèn)信號。然后，如果需要，主基站點可能會向從基站點發(fā)出時間調(diào)節(jié)命令。在必要 時，這種時間調(diào)節(jié)可能會進行幾輪，直到所有從基站點與主節(jié)點同步，精度等于或超過給定 空間分辨率所需的最低水平。為防止時鐘在初始化后發(fā)生漂移，這種同步流程定期在每個 基站點中運行，檢查、糾正并保持所有時鐘的同步。在一個實施例中，同步流程可以在從基 站點中更加頻繁地進行，而捕捉器的同步可以較不頻繁地進行，以節(jié)省電力。
[0037] 在一個實施例中，基帶處理器承載基站點的全部信號處理功能，包括但不限于：模 數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換、信號同步、探測、預(yù)測、均衡、編碼和解碼。探測到來自捕捉器的信號時， 基帶處理器記錄在與該信號抵達(dá)時精確瞬間對應(yīng)的時域中的位置。然后，基帶處理器將這 種時態(tài)信息作為一個戳記添加到對象特定的特征中，再使用WiFi、藍(lán)牙、紅外線或業(yè)余無線 電頻段將其以電磁波的形式轉(zhuǎn)發(fā)給電磁收發(fā)器并通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心將其鏈接到遠(yuǎn)程處理 器。 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心
[0038] 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的主要功能是收集來自基站點的帶有時間戳簽名的所有信號，再將 這些信號與遠(yuǎn)程處理器相關(guān)聯(lián)。在一個實施例中，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心是一個實體的獨立的模塊， 它包括一臺電磁收發(fā)器、CPU、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及電源。電源可以是電池，在一個 實施例中，可以通過USB (圖5)等連接器、FireWire或Thunderbolt連接從遠(yuǎn)程處理器獲 得電力。在另一個實施例中，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心是一個與遠(yuǎn)程處理器整合到一起的功能模塊，這 樣便不需要計算機附件接