一种基于相控阵阅读器天线的无源超高频RFID相对定位方法

一种基于相控阵阅读器天线的无源超高频rfid相对定位方法
技术领域
1.本发明属于移动无线通信技术领域，涉及一种基于相控阵阅读器天线的无源超高频rfid相对定位方法。


背景技术：

2.超高频射频识别(ultra high frequency radio frequencyidentification，uhf rfid)技术作为物联网产业的关键技术之一，已经广泛应用到工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等诸多领域。在生产生活中，有很多场景，如图书管理、仓储物流、室内导航等，都需要对目标进行识别定位。典型的无源uhf rfid定位系统主要利用电子标签的唯一标识特性，依据读写器与安装在物体上的标签之间射频通信的收信强度等来测量物品的空间位置，主要应用于全球定位系统难以奏效的室内定位领域。在目标密集分布的应用场景中(如行李传送带、图书管理等)，相比于目标的绝对位置信息，rfid系统更关心个体在密集群体中的相对位置，基于rfid技术的相对定位方法已经成为工业届和学术界的研究热点。
3.麻省理工学院的dina katabi等人提出的pinit系统利用合成孔径雷达来提取环境中的多径信息，基于多径轮廓和动态时间规整技术获得标签的位置信息。清华大学的上官龙飞等人提出了otrack和stpp 算法用于解决流水线场景和图书场景中的定位问题。otrack算法建立一个用于识别瞬态临界区域的概率模型，利用otrack协议监测读取率的关键区域以获取标签的相对次序。stpp算法通过移动阅读器天线来获取标签相位轮廓，利用峰值位置的时间戳信息来获取标签的空间顺序。尽管上述相对定位方法获得了较好的效果，但仍存在以下挑战： 1)pinit系统需利用通用软件无线电设备，对设备功能提出了较高要求，且在实际使用过程中需布设参考标签，加剧了应用局限性；2) otrack和stpp均采用具有固定辐射模式的微带天线作为阅读器天线。为了获取相位或收信场强的轮廓信息，阅读器天线通常需要被搭载在可移动设备上，进一步增加了系统对环境以及场地的依赖程度；3) otrack和stpp利用收信场强轮廓和相位轮廓的最高点时间戳信息作为定位依据，但上述单点时戳数据相对于噪声的鲁棒性较差，易造成排序偏差。
4.针对上述问题与不足，本发明设计了一种基于相控阵天线的超高频rfid相对定位方法，通过构建基于相控阵天线阅读器和偶极子天线标签的rfid系统的相对定位场景，实现系统对标签阵列进行高精度的相对定位，通过相控阵天线的增益表达式进行仿真，获得标签阵列的收信轮廓，并使用仿真得到的收信轮廓对实测的收信轮廓进行修正，根据修正后的轮廓计算出各个标签的陡峭度，依据收信轮廓的时间戳和陡峭度对标签排序，进而对所有标签相对定位。


技术实现要素：

5.本发明的目的是，提供一种基于相控阵阅读器天线的无源超高频 rfid相对定位的方法。
6.具体步骤如下：
7.步骤1；以无源标签天线选用偶极子天线和阅读器天线选用相控阵天线为建模条件，建立适于无源超高频rfid(radio frequency identification)的相对定位场景；
8.步骤2：以精确评估阅读器收到的标签场强信息为目的，选取空间直角坐标系，根据电磁场理论建立阅读器相控阵天线增益表达式模型： gr(θr，φr)＝ed(θr，φr)，其中gr(θr，φr)表示在辐射方向(θr，φr)上的阅读器天线增益，d(θr，φr)为方向性系数，且可表示为其中s(θr，φr)为阵因子，且可表示为在上述相控阵天线增益模型中，相控阵天线处于yoz面，天线的质心处于原点 o上，法线方向与x轴正向重合，o点与空间中一点a构成射线矢量为辐射方向，θr表示从到的倾斜角，φr表示从到在xoy面的投影之间的旋转角，e表示效率因子，im和in分别表示沿y轴和z轴的激励幅度，m和n表示阵元索引，m和n分别表示沿y轴和z轴的总阵元数，ym和zn表示阵元沿y轴和z轴的坐标， dy和dz表示相邻阵元间的距离差，β和γ分别表示沿y轴和z轴激励相位差；
9.步骤3：依据阵列天线的结构特征确定增益表达式，选取常用的2
×
2 阵列结构的微带天线进行示例说明，设e＝1，im＝in＝1，k＝2π/λ， dz＝dy＝0.5λ，阵元坐标分别设为(0，-0.25λ，0.25λ)，(0，-0.25λ，0.25λ)，(0，0.25λ，-0.25λ)，(0，-0.25λ，-0.25λ)，因此可得进一步，阅读器天线的增益表达式可以表示为式中式中
10.步骤4：令步骤3中阅读器天线表达式中的被积函数为q，即将q展开，即 q＝e1 e2 e3 e4 e5 e6 e7 e8 e9，利用数学工具对展开后的 e1～e9分别在θr∈[0，π]和φr∈[0，π]的积分区间上进行定积分运算，将计算结果代入步骤3中的天线增益表达式，则可将g(θr，φr)表示为式中式中式中由表达式可知，相控阵天线的增益除与方向性系数θr和φr有关外，还与相控阵天线的激励相位差β和γ有关，即通过调节θr、φr、β和γ可改变天线的增益；
[0011]
步骤5：针对步骤1中的无源超高频rfid相对定位场景搭建仿真模型，将相控阵天线和标签阵列放入同一空间直角坐标系，标签面向相控阵天线且垂直于xoy平面放置，并沿y轴方向排列，相控阵天线放置在标签分布中心，将系统中所有标签的中心和相控阵天线的
中心置于同一高度；
[0012]
步骤6：系统通过调节激励相位差β和γ改变天线的主瓣辐射方向，定义天线的主瓣辐射旋转角为θ，θ表示天线主瓣的辐射方向与y轴正半轴之间的夹角，在θ从0
°
增加到180
°
的过程中，阵列天线的主瓣依次扫过各个标签，得到各标签的收信轮廓；
[0013]
步骤7：依据阵列天线理论可知，随着激励的改变，天线方向图也将不断变化，从而导致不同标签所获得的收信场强轮廓差异较大，当主瓣辐射旋转角θ＝90
°
时，各标签的收信轮廓的陡峭程度明显增大，而当主瓣辐射旋转角θ＝0
°
和θ＝180
°
时，各标签的收信轮廓的陡峭程度明显减小，当标签靠近阵列天线时，其收信轮廓的最高点易出现在θ＝90
°
附近，根据收信轮廓最高点的时间戳信息将标签分为两组，其中一组位于阵列天线的左侧，另一组位于阵列天线的右侧，根据公式计算每个标签的轮廓陡峭程度，式中k为标签轮廓陡峭程度，l为收信轮廓的取样点数，p
r，t
表示第l个取样点对应的收信场强值，p
r，t
(l 1)表示第l 1个取样点对应的收信场强值；
[0014]
步骤8：对于阵列天线的左侧标签，对k值进行升序排列，以获取左侧标签的位置信息，对于阵列天线的右侧标签，对k值进行降序排列，以获取右侧标签的位置信息，最后，将两侧标签位置信息进行组合，以获取全部标签的位置信息；
[0015]
步骤9：使用排序正确率c作为相对定位系统的评估标准，排序正确率的表达式为c＝n
t
/n
total
，其中c为排序正确率，n
t
为排序正确的标签数，n
total
为总标签数；
[0016]
步骤10：保持标签阵列中相邻标签的间隔不变，将相控阵天线与标签阵列之间的垂直距离作为优化变量，进行多次性能仿真，在每次仿真中，依据步骤1至步骤6中的方法估计各标签的收信场强轮廓，采用步骤7至步骤9中的方法对各标签进行相对定位，从多次仿真的结果中找出排序正确率c最大时对应的最优垂直距离，并保存此时标签阵列在理论条件下的场强轮廓；
[0017]
步骤11：根据步骤5中的仿真模型搭建实测场景，并将步骤10中的最优垂直距离应用到实测场景中，执行步骤6中的操作得到标签阵列的收信场强轮廓，使用步骤10中仿真的收信场强轮廓对实测的场强轮廓进行修正，执行步骤7至步骤8的操作，获得实测条件下到各标签的相对位置信息，实现相对定位。
[0018]
本发明的目的是，提出一种基于相控阵阅读器天线的无源超高频 rfid相对定位的方法。本发明针对相控阵阅读器天线的增益推导出一般表达式，通过构建基于相控阵天线的无源超高频rfid相对定位系统，实现对标签阵列进行定位，通过建立与实测系统相同的仿真模型，获得仿真结果中排序正确率最大时对应的最优垂直距离和场强轮廓，并将最优垂直距离应用到实测场景中，得到的实测场强轮廓由仿真的场强轮廓进行修正，对修正后的场强轮廓进行陡峭度计算和时间戳的方法对标签阵列排序，进而获得准确的标签位置信息，实现相控阵阅读器天线的无源超高频rfid相对定位。
附图说明：
[0019]
图1是本发明的流程框图；
[0020]
图2是相控阵列天线辐射场景图；
[0021]
图3是标签收信场强理想轮廓图；
[0022]
图4是实测场景图；
[0023]
图5是收信场强修正轮廓图。
具体实施方式：
[0024]
如图2所示，阅读器天线选用相控阵天线，构建相控阵列天线的辐射场景，选取空间直角坐标系，根据电磁场理论建立阅读器相控阵天线增益表达式模型：gr(θr，φr)＝ed(θr，φr)，其中gr(θr，φr)表示在辐射方向(θr，φr)上的阅读器天线增益，d(θr，φr)为方向性系数，且可表示为其中s(θr，φr)为阵因子，且可表示为在上述相控阵天线增益模型中，相控阵天线处于yoz面，天线的质心处于原点o上，法线方向与x轴正向重合，o点与空间中一点a构成射线矢量为辐射方向，θr表示从到的倾斜角，φr表示从到在xoy面的投影之间的旋转角，e表示效率因子，im和in分别表示沿y轴和z轴的激励幅度，m和n表示阵元索引，m和 n分别表示沿y轴和z轴的总阵元数，ym和zn表示阵元沿y轴和z轴的坐标，dy和dz表示相邻阵元间的距离差，β和γ分别表示沿y轴和 z轴激励相位差。
[0025]
依据阵列天线的结构特征确定增益表达式，选取常用的2
×
2阵列结构的微带天线进行示例说明，2
×
2相控阵天线的各项参数为e＝1， im＝in＝1，k＝2π/λ，dz＝dy＝0.5λ，阵元坐标分别设为 (0，-0.25λ，0.25λ)，(0，-0.25λ，0.25λ)，(0，0.25λ，-0.25λ)， (0，-0.25λ，-0.25λ)，求得所以阅读器天线的增益表达式可以表示为式中式中
[0026]
令阵列天线增益表达式中被积函数等于q，即将q展开，即 q＝e1 e2 e3 e4 e5 e6 e7 e8 e9，利用数学工具对展开后的 e1～e9分别在θr∈[0，π]和φr∈[0，π]的积分区间上进行定积分运算，将计算结果代入步骤3中的天线增益表达式，则可将g(θr，φr)表示为式中式中式中
[0027]
搭建无源超高频rfid相对定位场景仿真模型，将相控阵天线和标签阵列放入同一空间直角坐标系，标签面向相控阵天线且垂直于 xoy平面放置，并沿y轴方向排列，相控阵
天线放置在标签分布中心，将系统中所有标签的中心和相控阵天线的中心置于同一高度。系统通过调节激励相位差β和γ改变天线的主瓣辐射方向，定义天线的主瓣辐射旋转角为θ，θ表示天线主瓣的辐射方向与y轴正半轴之间的夹角，θ从0
°
旋转到180
°
，阵列天线的主瓣依次扫过各个标签，得到各标签的收信轮廓。
[0028]
根据收信轮廓最高点的时间戳信息将标签分为两组，其中一组位于阵列天线的左侧，另一组位于阵列天线的右侧，根据公式计算每个标签的轮廓陡峭程度，式中k为标签轮廓陡峭程度，l为收信轮廓的取样点数，p
r，t
表示第l个取样点对应的收信场强值，p
r，t
(l 1)表示第l 1个取样点对应的收信场强值，对于阵列天线的左侧标签，对k值进行升序排列，以获取左侧标签的位置信息，对于阵列天线的右侧标签，对k值进行降序排列，以获取右侧标签的位置信息，最后，将两侧标签位置信息进行组合，以获取全部标签的位置信息。
[0029]
使用排序正确率c作为相对定位系统的评估标准，排序正确率的表达式为c＝n
t
/n
total
，其中c为排序正确率，n
t
为排序正确的标签数，n
total
为总标签数，保持标签阵列中相邻标签的间隔不变，改变相控阵天线与标签阵列之间的垂直距离，进行多次性能仿真，在每次仿真中，对各标签进行相对定位，从多次仿真的结果中找出排序正确率c最大时对应的最优垂直距离，并保存此时标签阵列在理论条件下的场强轮廓，如图3所示。
[0030]
根据仿真模型搭建实测场景，并将从仿真得到的最优垂直距离应用到实测场景中，从实测中得到标签阵列的场强轮廓，使用在最优垂直距离条件下仿真的场强轮廓对实测的场强轮廓进行修正，根据收信轮廓最高点的时间戳信息将标签分为两组，其中一组位于阵列天线的左侧，另一组位于阵列天线的右侧，使用陡峭度公式计算各个标签轮廓的陡峭度，对于阵列天线的左侧标签，对k值进行升序排列，以获取左侧标签的位置信息，对于阵列天线的右侧标签，对k值进行降序排列，以获取右侧标签的位置信息，获得实测条件下到各标签的相对位置信息，实现相对定位。
[0031]
以下为一个具体实施实例：实测场景如图4所示，标签阵列由7 个偶极子天线标签组成，依据仿真结果将相控阵天线与标签阵列之间的距离设置为最优垂直距离，相控阵天线在实测条件下采集标签阵列的收信场强轮廓，利用图3所示的理想轮廓进行修正，图5所示为修正后的收信场强轮廓，利用陡峭度方法对标签相对定位，得到标签1 至标签7场强轮廓的陡峭度分别为3.2550
×
10-5
、4.2222
×
10-5
、 6.6170
×
10-5
、6.9863
×
10-5
、6.9358
×
10-5
、4.7637
×
10-5
、2.9397
×
10-5
，标签4的场强轮廓最高点出现在主瓣旋转角θ＝90
°
附近，将轮廓最高点出现在标签4的最高点左侧的标签分为第一组，则第一组标签有标签5、标签6、标签7，并对第一组标签的陡峭度进行升序排列，得到第一组标签的相对位置为标签7、标签6、标签5；将轮廓最高点出现在标签4的最高点右侧的标签分为第二组，则第二组标签有标签1、标签2、标签3，并对第一组标签的陡峭度进行降序排列，得到第二组标签的相对位置为标签3、标签2、标签1，最后将两组标签位置信息进行整合，进而标签阵列的相对定位结果为：从左至右的顺序依次为标签1、标签2、标签3、标签4、标签5、标签6、标签7，此时排序正确率为1。