距離。兩個(gè)接收機(jī)可允許確定 可能的反射體位置的子空間。反射對(duì)象在三維中的位置可基于從三個(gè)接收機(jī)中的每個(gè)接收 機(jī)確定的距離的三角測(cè)量來(lái)確定。
[0154]基于收到信號(hào)，處理器160基于載波和基帶信號(hào)來(lái)計(jì)算T0F，并且通常執(zhí)行三角測(cè) 量以確定作為時(shí)間函數(shù)的發(fā)射設(shè)備位置。
[0155]發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，對(duì)于聲學(xué)定位，使用US頻率范圍中的發(fā)射信號(hào)存在諸優(yōu)點(diǎn)。US波 處于聲學(xué)頻譜的較高端。通常情況下，對(duì)于較高頻率的載波信號(hào)，可獲得較高的準(zhǔn)確性。另 一優(yōu)點(diǎn)在于US波通常較不容易受到來(lái)自環(huán)境噪聲的干擾，因?yàn)閁S發(fā)射機(jī)與其他聲學(xué)發(fā)射 機(jī)相比和/或與RF發(fā)射機(jī)相比在我們的典型環(huán)境中較不突出。對(duì)于附加的US發(fā)射機(jī)和/ 或US信號(hào)可能出現(xiàn)在周圍環(huán)境中的情形，它們通常比其他聲波衰落得更快，因?yàn)樗ヂ渌俾?對(duì)于較高頻率會(huì)增大。US定位系統(tǒng)的另一優(yōu)點(diǎn)在于，對(duì)于所需量的發(fā)射能量，US發(fā)射機(jī)和 /或接收機(jī)通常小于其他信號(hào)發(fā)射機(jī)和/或接收機(jī)。另外，由于US頻率范圍是人類不可聽(tīng) 到的，對(duì)于用戶交互而言，它比聲學(xué)定位系統(tǒng)中使用的其他聲學(xué)范圍更切合實(shí)際。由于對(duì)于 較高范圍信號(hào)，對(duì)短暫L0S損失的敏感性較大，所實(shí)現(xiàn)的聲學(xué)頻率的范圍可被限制。
[0156]盡管已主要針對(duì)范圍在20-lOOKHz之間的聲學(xué)信號(hào)描述了諸系統(tǒng)和方法，但是本 文描述的系統(tǒng)和方法也可應(yīng)用于通常應(yīng)用更高頻率的醫(yī)療超聲系統(tǒng)，例如對(duì)諸如肝臟和腎 臟之類的深處組織應(yīng)用1-6MHZ或者對(duì)肌肉、肌腱、睪丸、胸部和新生兒腦之類的組織應(yīng)用 7-18MHZ。另外，本文描述的系統(tǒng)和方法也可應(yīng)用于RF系統(tǒng)。
[0157]本文描述的系統(tǒng)和方法可容易地適用于多個(gè)用戶，例如在彼此附近工作的用戶 群。每個(gè)發(fā)射設(shè)備110可發(fā)射唯一的經(jīng)調(diào)制連續(xù)信號(hào)，其可被專用的檢測(cè)器151和152 (圖 1)識(shí)別。不同發(fā)射設(shè)備中的載波信號(hào)可由用于不同用戶的不同基帶信號(hào)來(lái)調(diào)制。每個(gè)接收 機(jī)和/或檢測(cè)器可識(shí)別對(duì)應(yīng)于其相關(guān)發(fā)射機(jī)的基帶模式。例如，識(shí)別可通過(guò)對(duì)基帶信號(hào)的 信號(hào)分析來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0158]具體地，使用正交基帶級(jí)數(shù)、或幾乎正交的基帶級(jí)數(shù)可能具有顯著益處。術(shù)語(yǔ)"幾 乎正交"意味著兩個(gè)不同基帶級(jí)數(shù)的互相關(guān)參照于每個(gè)級(jí)數(shù)自相關(guān)可具有低值。
[0159]不擁有期望基帶信號(hào)的所定義性質(zhì)的收到信號(hào)可從T0F分析中忽略和/或排除。 由于T0F是由基帶和載波信息兩者確定的，可實(shí)現(xiàn)不同信號(hào)而不會(huì)犧牲對(duì)T0F的檢測(cè)和/ 或估計(jì)的準(zhǔn)確性。
[0160]現(xiàn)在參照?qǐng)D2,其示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于確定反射位置的簡(jiǎn)化概念性數(shù) 據(jù)流圖。由兩個(gè)或更多個(gè)接收機(jī)（例如，接收機(jī)121和接收機(jī)122)拾取的信號(hào)可經(jīng)歷FFT 210,從而可在預(yù)定義頻帶內(nèi)執(zhí)行對(duì)收到信號(hào)的延遲分析。由接收機(jī)拾取的信號(hào)可在執(zhí)行 FFT之前被濾波和放大?；谑盏浇?jīng)調(diào)制信號(hào)和所發(fā)射經(jīng)調(diào)制信號(hào)之間的檢出時(shí)移在頻域 中執(zhí)行從接收機(jī)121和122接收到的信號(hào)的定時(shí)校正。通常情況下，經(jīng)校正信號(hào)被保存在 存儲(chǔ)器220中以用于進(jìn)一步處理，從而確定定位?？赏ㄟ^(guò)分析收到信號(hào)的位置來(lái)在工作中 補(bǔ)償接收電路與發(fā)射電路之間的延遲。發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的直接路徑主要取決于幾何分 布，即發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的位置，這是恒定的。該已知距離可被用于為缺少接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之 間的初始同步的系統(tǒng)確定T0F。替換地，該系統(tǒng)可包括同步階段，其中至少一個(gè)接收機(jī)輸入 和一個(gè)發(fā)射機(jī)輸出被電連接。
[0161]存儲(chǔ)器220被整合到如圖1中所示的存儲(chǔ)器151。相關(guān)器執(zhí)行存儲(chǔ)在223中的模 板與在定時(shí)校正之后的輸入數(shù)據(jù)之間的互相關(guān)。相關(guān)器152可被實(shí)現(xiàn)成用于對(duì)期望經(jīng)調(diào)制 連續(xù)信號(hào)（例如，保存在存儲(chǔ)器223中的預(yù)定經(jīng)調(diào)制連續(xù)信號(hào)）進(jìn)行互相關(guān)。
[0162] 相關(guān)器152可計(jì)算相關(guān)曲線的包絡(luò)（絕對(duì)）和實(shí)部。隨后，基于包絡(luò)峰值和實(shí)部峰 值的位置，可確定T0F。相關(guān)器152可將泄漏信號(hào)納入考慮，并且可從收到信號(hào)中衰減（例 如，通過(guò)減去）泄漏估計(jì)，這將在下文更詳細(xì)地討論。隨后可在濾波和移動(dòng)方向塊221中對(duì) 衰減操作的輸出進(jìn)行濾波并估計(jì)移動(dòng)方向，這將在下文更詳細(xì)地討論。
[0163] 在確定T0F和/或L0S距離時(shí)可以考慮從先前采樣存儲(chǔ)的信息、和/或來(lái)自其他接 收機(jī)的輸出信號(hào)。所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可包括在確定T0F中有用的一個(gè)或更多個(gè)所定義參數(shù)值、 閾值和/或其他信息。所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可包括例如期望信號(hào)、預(yù)存信號(hào)和/或參考信號(hào)的表。
[0164] 可由坐標(biāo)和速度估計(jì)器222基于根據(jù)從接收機(jī)121和122接收到的信號(hào)確定的 T0F來(lái)確定所發(fā)射或反射的聲學(xué)信號(hào)的起源位置。起源位置可在預(yù)定義的坐標(biāo)系內(nèi)相對(duì)于 接收機(jī)的位置來(lái)定義。位置和速度估計(jì)器（222)輸出可將隨時(shí)間的某些反射行為映射為姿 勢(shì)，從而允許例如上/下姿勢(shì)或左/右姿勢(shì)。更精確的反射分析允許鎖定某些反射（諸如 來(lái)自定向手指的反射）以跟蹤該手指的移動(dòng)。該手指跟蹤可例如被用作鼠標(biāo)以控制光標(biāo)移 動(dòng)。
[0165] 處理器160可使用模板來(lái)構(gòu)造參考信號(hào)和/或期望信號(hào)的查找表，可將收到信號(hào) 與該查找表作比較從而可發(fā)現(xiàn)最匹配的距離。期望波形可以奈奎斯特速率來(lái)采樣，并且采 樣點(diǎn)之間的任何定時(shí)失配可通過(guò)外推函數(shù)來(lái)克服以披露距離。技術(shù)人員將領(lǐng)會(huì)，聲學(xué)信號(hào) 具有不同的角傳遞函數(shù)，并且可將均衡器添加到接收機(jī)以補(bǔ)償該現(xiàn)象。
[0166]由模糊性檢測(cè)器獲得的最可能的信號(hào)被用于標(biāo)識(shí)與模板信號(hào)的最可能的非零 距離。坐標(biāo)估計(jì)器222可包括最大似然檢測(cè)器，其類似于所納入的國(guó)際專利申請(qǐng)公開(kāi) No.W003088136中所描述的最大似然檢測(cè)器。
[0167] 連續(xù)信號(hào)170可由具有傅里葉變換&(ω)的復(fù)低通時(shí)域信號(hào)sJt)來(lái)表示，從而：
[0168] SL(co) = 〇, |ω| >B/2,否貝ljSL(co)乒 〇。
[0169] 該信號(hào)在頻域中的自相關(guān)函數(shù)為：
[0171] 注意，時(shí)域中的自相關(guān)函數(shù)^⑴可以是對(duì)稱的，因?yàn)轭l率響應(yīng)是實(shí)數(shù)。
[0172] 可通過(guò)圍繞載波頻率ω。放置頻率響應(yīng)&(ω)作為正頻率和負(fù)頻率來(lái)合成雙邊帶 通信號(hào)SBP(ω)。
[0173]SBP(c〇)的自相關(guān)和/或互相關(guān)可表示為（假定ω。彡Β/2):
[0177] 注意，若SL(co)是對(duì)稱的，Ca(t)將為實(shí)數(shù)。
[0178] 并非使用雙邊SBP(ω)信號(hào)，可使用只有正頻率包含信息的單邊表示SBP+(ω)。
[0179] 該信號(hào)的自相關(guān)可以為：
[0181]cB+PBP+(t)的絕對(duì)部分對(duì)應(yīng)于式（1)中的基帶信號(hào)自相關(guān)。該相量（復(fù)指數(shù)）將調(diào) 制項(xiàng)添加到該響應(yīng)。
[0182] 式⑷的實(shí)部對(duì)應(yīng)于式（3)的載波和基帶相關(guān)CBPBP。項(xiàng)"實(shí)相關(guān)"和"絕對(duì)相關(guān)" 是如本文所解釋地從式（4)導(dǎo)出的。
[0183] 現(xiàn)在參照?qǐng)D3,其是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的收到信號(hào)與期望信號(hào)之間的互相關(guān)曲 線的絕對(duì)部分和實(shí)部的圖表。該相關(guān)曲線的絕對(duì)部分和/或包絡(luò)曲線310表示基帶自相關(guān)， 而該相關(guān)曲線的實(shí)部320表示基帶和載波信號(hào)互相關(guān)。如從圖3可以看出的，關(guān)于載波和 基帶信號(hào)的相關(guān)曲線320比對(duì)應(yīng)于基帶信號(hào)的相關(guān)曲線310更窄。相關(guān)曲線320提供了嵌 入在載波信號(hào)中的增加的相位信息。由于關(guān)于載波和基帶信號(hào)的相關(guān)曲線320更窄，其允 許在由包絡(luò)曲線310確定的波長(zhǎng)內(nèi)對(duì)距離的更準(zhǔn)確估計(jì)。L0S信號(hào)的延遲可發(fā)生在線350 與時(shí)間軸（X軸）交叉處的時(shí)間，并且被定義為在包絡(luò)曲線310的界限內(nèi)在對(duì)應(yīng)于該相關(guān)曲 線的實(shí)部中的峰值的時(shí)間。該相關(guān)曲線的虛部330可用于提供嵌入在載波信號(hào)中的增加的 相位信息。該相關(guān)的虛部和實(shí)部?jī)烧呖杀粚?shí)現(xiàn)成確定相位信息。
[0184] 將來(lái)自該相關(guān)曲線的基帶部分的信息與由載波提供的相位信息相組合使得能進(jìn) 行對(duì)Τ0Α的更準(zhǔn)確估計(jì)。通常情況下，例如，若帶寬是足夠的，則基帶信號(hào)包含達(dá)到波長(zhǎng)量 級(jí)的準(zhǔn)確度的信息。載波信號(hào)具有較窄的波帶并且提供由該包絡(luò)所定義的波長(zhǎng)內(nèi)的相位信 息。發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，將來(lái)自基帶和載波的結(jié)果相組合使得能對(duì)距離進(jìn)行更準(zhǔn)確的估計(jì)，而沒(méi) 有在僅使用對(duì)載波的相關(guān)時(shí)原本將導(dǎo)致的模糊性。
[0185] 方波基帶信號(hào)的理想自相關(guān)結(jié)果可以是具有sinc(x)形狀的包絡(luò)310、以及峰值 與該包絡(luò)的峰值對(duì)準(zhǔn)的載波320。sine(X)表示sin(x)/x，并且是由于該信號(hào)的有限帶寬引 起的，sine(X)主瓣的帶寬與該信號(hào)的帶寬成正比。使用對(duì)載波信號(hào)的相關(guān)可將準(zhǔn)確度改 善10倍。
[0186] 勝于其他系統(tǒng)的改善的準(zhǔn)確性可通過(guò)在確定Τ0Α和/或T0F時(shí)考慮嵌入在載波信 號(hào)中的相位信息來(lái)達(dá)成。在使用經(jīng)調(diào)制連續(xù)信號(hào)進(jìn)行定位的已知系統(tǒng)中，例如在RF定位系 統(tǒng)中，在確定TOA、T0F和/或L0S距離時(shí)，載波信號(hào)被移除而不被考慮。
[0187] 載波信號(hào)的頻率（例如，30-60KHZ)大致在與帶寬（例如，50-lOOKHz)相同的量級(jí) 上。由于采樣率通常是基于帶寬來(lái)確定的，例如至少為帶寬的2倍以避免混迭，通常被用于 確定實(shí)信號(hào)的采樣頻率也可應(yīng)用于對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行采樣，從而載波信號(hào)信息可被納入考慮 而不會(huì)顯著增大可用系統(tǒng)（例如，聲學(xué)小空間定位系統(tǒng)）的采樣率。
[0188] 通常情況下，RF系統(tǒng)不是這種情形，在RF系統(tǒng)中，載波頻率可能在數(shù)百M(fèi)Hz的量 級(jí)上，而帶寬可能要小得多。然而，對(duì)于包括具有高采樣率（例如，3-4GHZ的采樣率和/或 甚至更高采樣率，例如6-8GHz)的接收機(jī)的已知RF系統(tǒng)，使用本文描述的系統(tǒng)和方法也可 應(yīng)用載波信號(hào)的相位信息。
[0189] 載波和基帶信號(hào)通常比基帶信號(hào)更穩(wěn)健并且隨L0S保持其位置，例如在面臨多徑 信號(hào)時(shí)隨L0S保持其位置。由于載波信號(hào)的穩(wěn)健本質(zhì)，在確定相關(guān)時(shí)，相比于依賴于基帶信 號(hào)來(lái)確定相關(guān)的系統(tǒng)，該定位系統(tǒng)對(duì)環(huán)境噪聲的敏感性降低。
[0190] 現(xiàn)在參考圖4A-4C，其示出了三個(gè)示例性相關(guān)曲線集，解說(shuō)了由于存在多徑（MP) 信號(hào)而可能出現(xiàn)的潛在模糊性。當(dāng)存在短程多徑信號(hào)時(shí)，若干經(jīng)延遲信號(hào)在接近的距離中 到達(dá)檢測(cè)器并彼此重疊，由此使所得的相關(guān)曲線混淆。當(dāng)存在多徑信號(hào)以使得其相應(yīng)的相 關(guān)曲線450出現(xiàn)在視線（LOS)信號(hào)400的相關(guān)曲線某個(gè)距離處時(shí)，該相關(guān)的實(shí)部和絕對(duì)部 分中的峰值（指示最大相關(guān)點(diǎn)410)可能是清楚的并且可確定LOS距離（圖4A)。LOS是從 其接收到信號(hào)的最短距離和/或發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間沒(méi)有多徑的距離。由于最短距離是由 具有延遲410的第一峰值表示的，因此清楚的是，該第一峰值表示LOS信號(hào)。
[0191] 然而，模糊性可能源自于短多徑信號(hào)，例如，來(lái)自在載波信號(hào)的一個(gè)波長(zhǎng)量級(jí)上的 距離的多徑信號(hào)。隨著多徑延遲460接近L0S延遲410 (圖4B-4C)，相關(guān)曲線的形狀由于 L0S信號(hào)410和多徑信號(hào)460的相關(guān)曲線的重疊而混淆。
[0192] 通常情況下，如圖4B中所示，當(dāng)發(fā)生近多徑情況時(shí)，可能在相關(guān)曲線的實(shí)部中發(fā) 現(xiàn)多個(gè)潛在L0S峰值（例如，峰值405和455)，從而導(dǎo)致關(guān)于哪個(gè)峰值對(duì)應(yīng)于L0S的模糊 性。盡管L0S峰值出現(xiàn)