用于眼动监测的天线的设计方法

1.本发明属于天线技术领域，具体涉及一种用于眼动监测的天线的设计方法，该方法设计的天线用于感知眼睛的活动。


背景技术：

2.人眼是人类收集周围环境信息的主要工具之一。大脑和眼睛之间有许多神经元，它们传递眼睛捕获的丰富信息。因此，眼球运动模式表明大脑健康状况，因此可用于帮助早期诊断神经系统疾病，例如adhd、自闭症、帕金森病、阿尔茨海默病和抑郁症。先前的工作还利用眼球运动来有效地确定驾驶员的疲劳状态，并及时向驾驶员发出警报，以防止发生车祸。此外，眼球运动数据还可以用作人机交互方法，以支持诸如瘫痪个体的消息输入和元/虚拟现实等应用。上述应用激发了一种具有成本效益且非侵入性的系统，该系统可以持续监控用户的眼球运动状态。
3.现有的工作已经提出了多种眼动检测方法，可以大致分为两类，即基于接触的和基于非接触的。基于接触的方法需要将硬件连接到人体皮肤上。例如多通道眼电电极，实现高精度眼动追踪，但具有侵入性。为了使eog测量的侵入性更小，先前的工作建议将eog传感器集成到耳机或眼镜中，然而，由于eog传感器对通道数量和接触位置非常敏感，这会显着降低精度。耳机或眼镜提供有限的感应通道，无法将传感器放置在最佳位置。非接触式方法主要依靠摄像头捕捉眼球运动，可以提供高精度的眼球追踪。然而，光照的变化会降低跟踪精度，而基于摄像头的解决方案也会引发隐私问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种用于眼动监测的天线的设计方法，以解决现有技术中存在的高精度追踪眼球运动的方式带来的侵入性、隐私安全问题。
5.为了实现上述任务，本发明采用的技术方案是：
6.一种用于眼动监测的天线的设计方法，具体包括如下步骤：
7.步骤1，根据天线的设计要求以及工艺加工难度，确定天线基地以及导电层的材料；
8.步骤2，根据天线的设计要求与选用的材料，确定天线基本结构；
9.所述天线基本结构包括天线基地、导电层和rfid芯片，rfid芯片连接导电层，所述天线基地将导电层和rfid芯片包覆其中，天线基本结构的形状与人眼球表面形状相匹配；所述导电层包括半径依次减小的三个同心导电环，三个导电环均设有缺口且相邻导电环的缺口之间均通过连接部连接，使得导电层成为螺旋状的一条导电通路。
10.步骤3，根据以下公式所示的设计要求，选择步骤2确定的天线基本结构的导电层的尺寸：
11.0.1mm《d1 d2 d3 d6 d7《r-2mm
12.d4*1.5 d5《r
13.0.4mm《d4
[0014][0015]
其中，r为天线整体的半径，d1为从外至里第一圈的环宽，d2为从外至里第二圈的环宽，d3为从外至里第三圈的环宽，d4为从外至里第一圈的开口尺寸，d5为环与环连接部分的宽度，d6为从外至里第一圈与第二圈的间距，d7为从外至里第二圈与第三圈的间距；
[0016]
步骤4，在三维高频电磁场仿真软件hfss中，为步骤3得到的天线基本结构添加辐射边界和端口激励，得到天线结构；
[0017]
步骤5，根据工作频率要求以及天线工作精度要求，在三维高频电磁场仿真软件hfss中引入人眼模型并对步骤4得到的天线结构进行仿真，得到仿真的阻抗值；
[0018]
步骤6，将步骤5仿真得到的阻抗值与天线设计要求的阻抗进行对比，当误差在要求范围内时，将步骤4得到的天线结构以及步骤5得到的仿真的阻抗值分别作为当前的天线结构和当前阻抗值输入步骤9；当误差不在要求范围内时，将步骤4得到的天线结构作为当前的天线结构，进入步骤7；
[0019]
步骤7，根据天线设计要求构建适应度；
[0020]
步骤8，采用粒子群算法对当前的天线结构中的导电层尺寸进行优化，算法的结束条件为适应度值《50，得到优化后的导电层尺寸及其对应的阻抗值，即得到优化后的天线结构作为当前的天线结构，其对应的阻抗值作为当前阻抗值，进入步骤9；
[0021]
步骤9，根据当前的天线结构进行实物制作，测试读取距离，若读取距离不满足要求，则采用矢网进行阻抗测试得到实测阻抗值，根据以下两个公式分别计算实测阻抗值与当前阻抗值的实部误差ε1和虚部误差ε2，根据实部误差ε1和虚部误差ε2构建当前适应度函数，返回执行步骤7，直至读取距离满足要求，得到最终的天线结构；
[0022]
ε1＝re
′‑
re
[0023]
ε2＝im
′‑
im
[0024]
其中，re
′
和im
′
分别为步骤9所得到的实测阻抗值的实部值和虚部值，re和im采用当前阻抗值的实部和虚部值。
[0025]
进一步的，所述步骤1包括如下子步骤：
[0026]
步骤1.1，选用正切损耗角值tanδ为0.05，相对介电常数εr为2.75，弹性模量e为0.6mpa，每层天线基地的厚度均为50um-100um的pdms；
[0027]
步骤1.2，选用铜作为导电层材料，厚度为10um。
[0028]
进一步的，所述步骤2中，天线整体的半径为7mm，导电层两个表面上包覆的天线基地的厚度均为100um。
[0029]
进一步的，所述步骤4中，所述辐射边界表面与主辐射贴片的距离大于等于电磁波波长的四分之一；所述端口激励类型为波端口或集总端口。
[0030]
进一步的，所述步骤5中，进行仿真时，选取仿真频率为915mhz，自适应网格最大迭代次数为20，收敛误差为0.02，扫频频率范围为0.5ghz-1.5ghz，扫频频率步进为0.1mhz。
[0031]
进一步的，所述步骤6中，所述天线设计要求的阻抗为30.53 j*211.81，j是虚数。
[0032]
进一步的，所述步骤6中，所述适应度＝|re-30.53| |im-211.81|，其中，re为优化过程中的结构参数所对应的天线结构在三维高频电磁场仿真中得到的阻抗值的实部值，im
为优化过程中的结构参数所对应的天线结构在三维高频电磁场仿真中得到的阻抗值的虚部值。
[0033]
进一步的，所述步骤9中，所述当前适应度＝|re-30.53-ε1| |im-211.81-ε2|。
[0034]
本发明与现有的技术相比，具有以下技术效果：
[0035]
1)本发明的方法将商用芯片和定制天线组成的后向散射标签嵌入到隐形眼镜中，由于隐形眼镜直接覆盖人的眼镜，任何与眼睛相关的活动，都会显著影响后向散射信号。因此，本发明借助后向散射的思路，通过回波信号的变化进行眼动的检测，具有高精度、低成本、无电池、灵活等优点；同时，在保证高精度追踪眼球运动的前提下降低了天线安装的侵入性且解决了隐私安全问题。
[0036]
2)本发明中的导电层结构包括半径依次减小的三个同心导电环，三个导电环均设有缺口且相邻导电环的缺口之间均通过连接部连接，使得导电层成为螺旋状的一条导电通路，在平衡空间预算和物理长度的基础上，增加了导电层的导电通路长度，提高了检测精度。使其在狭小的空间内通信距离可达1.5m。
附图说明
[0037]
图1为本发明的方法的流程图；
[0038]
图2为本发明中天线基本结构的示意图；
[0039]
图3为本发明中天线的物理长度与电阻(即阻抗实部)之间的关系。
[0040]
图4为本发明中具体实例的实际阻抗值；
[0041]
图5为本发明中具体实例安装在去核猪眼上实际测试的阻抗值；
[0042]
图6为本发明安装在仿生眼上时不同距离的rssi；
[0043]
图7为本发明安装在去核猪眼睛上不同距离的rssi；
[0044]
图8为本发明安装在两个不同的去核猪眼睛上时不同距离的rssi。
具体实施方式
[0045]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。当然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，并不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0046]
参照图1，本发明给出的用于的天线的设计方法，具体包括如下步骤：
[0047]
步骤1，根据天线的设计要求以及工艺加工难度，确定天线基地以及导电层的材料。包括如下子步骤：
[0048]
步骤1.1，根据天线的柔韧性以及增益要求，确定天线基地材料的正切损耗角值tanδ、相对介电常数εr和弹性模量e；保证人体佩戴舒适的前提下，根据工艺加工难度确定天线基地的厚度，保证能够实现工艺加工；
[0049]
本实施例中，选用但不限于正切损耗角值tanδ为0.05，相对介电常数εr为2.75，弹性模量e为0.6mpa，每层天线基地的厚度均为50um-100um的pdms，优选厚度100um。
[0050]
步骤1.2，根据导电性与辐射特性的要求，选用导电层的材料；
[0051]
本实施例中，金属匹配层的材料选用但不限于铜金属，厚度为10um；
[0052]
步骤2，根据天线的设计要求与选用的材料，确定天线基本结构。
[0053]
如图2所示，天线基本结构包括天线基地、导电层和rfid芯片，rfid芯片连接导电层，天线基地将导电层和rfid芯片包覆其中，天线基本结构的形状与人眼球表面形状相匹配；其中，导电层(即金属匹配层)包括半径依次减小的三个同心导电环，三个导电环均设有缺口且相邻导电环的缺口之间均通过连接部连接，使得导电层成为螺旋状的一条导电通路。
[0054]
本实施例中，天线整体的半径为7mm。导电层两个表面上包覆的天线基地的厚度均为100um。
[0055]
步骤3，根据以下公式所示的设计要求，选择步骤2确定的天线基本结构的导电层的尺寸：
[0056]
0.1mm《d1 d2 d3 d6 d7《r-2mm
[0057]
d4*1.5 d5《r
[0058]
0.4mm《d4
[0059][0060]
其中，r为天线整体的半径，d1为从外至里第一圈的环宽，d2为从外至里第二圈的环宽，d3为从外至里第三圈的环宽，d4为从外至里第一圈的开口尺寸，d5为环与环相连的宽度(指相邻圈之间的连接部分的宽度，宽度方向与导电环的切线方向一致)，d6为从外至里第一圈与第二圈的间距，d7为从外至里第二圈与第三圈的间距。
[0061]
步骤4，在三维高频电磁场仿真软件hfss中，为步骤3得到的天线基本结构添加辐射边界和端口激励，得到天线结构。
[0062]
具体的，辐射边界表面与主辐射贴片的距离大于等于电磁波波长的四分之一；
[0063]
端口激励类型为波端口或集总端口。
[0064]
本实施例中，天线的工作频率为915mhz，电磁波波长为32.8cm，其四分之一为8.2cm；端口激励类型设置为集总端口。
[0065]
步骤5，根据工作频率要求以及天线工作精度要求，在三维高频电磁场仿真软件hfss中引入人眼模型并对步骤4得到的天线结构进行仿真，得到仿真的阻抗值；
[0066]
进行仿真时，根据天线的工作频率和工作频率范围分别设置仿真频率和扫频频率范围，根据天线工作精度设置自适应网格最大迭代次数、收敛误差和扫频频率步进；
[0067]
在本实施例中，选取但不限于仿真频率为915mhz，自适应网格最大迭代次数为20，收敛误差为0.02，扫频频率范围为0.5ghz-1.5ghz，扫频频率步进为0.1mhz。
[0068]
步骤6，将步骤5仿真得到的阻抗值与天线设计要求的阻抗进行对比，当误差在要求范围内时，将步骤4得到的天线结构以及步骤5得到的仿真的阻抗值分别作为当前的天线结构和当前阻抗值输入步骤9；当误差不在要求范围内时，将步骤4得到的天线结构作为当前的天线结构，进入步骤7；
[0069]
在本实施例中，选取但不限于rfid芯片的阻抗为30.53-j*211.81。根据rfid芯片阻抗，我们拟定天线设计要求的阻抗为30.53 j*211.81，j是虚数。
[0070]
步骤7，根据天线设计要求构建适应度＝|re-30.53| |im-211.81|，其中，re为优化过程中的结构参数所对应的天线结构在三维高频电磁场仿真中得到的阻抗值的实部值，
im为优化过程中的结构参数所对应的天线结构在三维高频电磁场仿真中得到的阻抗值的虚部值；
[0071]
步骤8，采用粒子群(pso)算法对当前的天线结构中的导电层尺寸(d1-d7的取值)进行优化，算法的结束条件为适应度值《50，得到优化后的导电层尺寸及其对应的阻抗值，即得到优化后的天线结构作为当前的天线结构，其对应的阻抗值作为当前阻抗值，进入步骤9。
[0072]
步骤9，根据当前的天线结构进行实物制作，测试读取距离，若读取距离较近(例如不大于80cm)，则采用矢网进行阻抗测试得到实测阻抗值，根据公式1、2分别计算实测阻抗值与当前阻抗值的实部误差ε1和虚部误差ε2，根据实部误差ε1和虚部误差ε2构建如公式3当前适应度函数，返回执行步骤7，直至读取距离满足要求(本实施例中大于80cm满足要求)，得到最终的天线结构；
[0073]
ε1＝re
′‑
re
ꢀꢀ
式1
[0074]
ε2＝im
′‑
im
ꢀꢀ
式2
[0075]
适应度值＝|re-30.53-ε1| |im-211.81-ε2|
ꢀꢀ
式3
[0076]
其中，re
′
和im
′
分别为步骤9所得到的实测阻抗值的实部值和虚部值，re和im采用当前阻抗值的实部和虚部值。
[0077]
本实施例中，选取但不限于d1为0.5mm，d2为1.1mm，d3为1mm，d4为0.6mm，d5为1.4mm，d6为0.4mm，d7为1.5mm。
[0078]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于此，在任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭漏的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以同等替换或改变，都在本发明的保护范围之内。
[0079]
本发明的效果可以通过以下仿真以及实验进一步说明。
[0080]
1、仿真条件；
[0081]
在三维高频电磁场仿真软件hfss中，设置仿真频率为915mhz，设置自适应网格最大迭代次数为20，设置收敛误差为0.02，设置扫频频率范围为0.5ghz-1.5ghz，设置扫频频率步进为0.1mhz。
[0082]
2、仿真与实验内容：
[0083]
实验1、三维高频电磁场仿真软件hfss中，仿真天线的物理长度与电阻(即阻抗实部)之间的关系，如图3所示；
[0084]
实验2、测试本发明中具体实例的实际阻抗值及其仿真值，如图4所示；
[0085]
实验3、测试本发明中具体实例在去核猪眼上的实际阻抗值及其仿真值，如图5所示；
[0086]
实验4、测试本发明在仿生眼上时不同距离的rssi，如图6所示；
[0087]
实验5、测试本发明在去核猪眼上时不同距离的rssi，如图7所示；
[0088]
实验6、测试本发明在两个不同猪眼睛上时不同距离的rssi，如图8所示。
[0089]
3、仿真结果与实验结果分析：
[0090]
从图3可见，为了匹配芯片的电阻，需要增加天线的长度。然而较长的环形天线不太符合空间预算。因此为了平衡空间预算和物理长度，本发明采用了三圈的多环路的圆形天线。
[0091]
从图4可见，该具体实例的仿真阻抗值与实际测试阻抗值相差较大。这是由实际制造过程中的工程偏差，使得制造的标签的阻抗与仿真阻抗相差较大。
[0092]
从图5可见，该具体实例在去核猪眼上的实际测试阻抗值。
[0093]
从图6可见，在仿生眼上可达1.5m，并且随着距离的增大，rssi不断下降，直至无法读取。
[0094]
从图7可见，在去核猪眼上可达1.1m，并且随着距离的增大，rssi不断降低。
[0095]
从图8可见，在两个不同去核猪眼上，rssi会有轻微的差别，但随着距离的增大，总体趋势一致。
[0096]
以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。