專利名稱：用于基于超聲反射信號的對象位置估計的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明在其一些實施例中涉及定位系統(tǒng)和方法，尤其但不排他地涉及小空間定位系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
小空間定位、數(shù)米或更小的空間內(nèi)的定位的領(lǐng)域是已知的。利用小空間定位系統(tǒng)的已知應(yīng)用包括具有定點設(shè)備用于計算機交互、機器人和機器控制系統(tǒng)、以及用于玩具和庫存控制的計算機交互系統(tǒng)的應(yīng)用。某些應(yīng)用可能需要2D解決方案，其他應(yīng)用可能需要3D解決方案。某些應(yīng)用(諸如定點設(shè)備)可能只需要單向通信，而其他應(yīng)用(例如，機器人應(yīng)用)可能需要雙向通"[目。

通過使用利用定向發(fā)射機/接收機的距離發(fā)現(xiàn)的對象定位也是公知的，在稱為SONAR (聲音導(dǎo)航和測距)的方法中使用超聲反射。該方法與RADAR (無線電檢測和測距)類似地工作:在特定方向上生成超聲脈沖。如果在該脈沖的路徑中存在對象，則該脈沖的部分或全部將被反射回發(fā)射機作為回聲并且可通過接收機路徑被檢測。通過測量脈沖被發(fā)射與回聲被接收之間的時間差，就能夠確定該對象有多遠。轉(zhuǎn)讓給Epos 技術(shù)有限公司的題為 “Acoustic Robust SynchronizationSignaling For Acoustic Positioning System(用于聲學(xué)定位系統(tǒng)的聲學(xué)穩(wěn)健同步信令)”的國際專利申請公開N0.W02005111653(Airman Nathan，其內(nèi)容由此通過援弓I納入于此)描述了定位元件和定位設(shè)備，其中定位元件發(fā)射連續(xù)調(diào)制的聲學(xué)波形和同步信號，該同步信號是至少兩個同步分組的序列，每個分組承載用于該連續(xù)調(diào)制的聲學(xué)波形的定時數(shù)據(jù)。另夕卜，該同步信號使用時間跳躍來支持多個定位元件的并發(fā)定位。轉(zhuǎn)讓給Epos 技術(shù)有限公司的題為 “Method And System For ObtainingPositioning Data (用于獲得定位數(shù)據(jù)的方法和系統(tǒng))”的國際專利申請公開N0.W003088136 (Airman Nathan和Eliashiv Oded,其內(nèi)容由此通過援引納入于此)描述了定位元件和檢測器裝置，該定位元件用于獲得位置并包括用于發(fā)射可解碼以鎖定位置的基本連續(xù)超聲波形的第一發(fā)射器；該檢測器裝置用于以準許鎖定位置并輸出該波形以用于計算的方式、以能保持位置鎖定能力的方式檢測該波形。轉(zhuǎn)讓給Epos技術(shù)有限公司的題為“System And Method For Positioning (用于定位的系統(tǒng)和方法)”的國際專利申請公開N0.W02008117292 (Airman Nathan和AgassyMeir，其內(nèi)容由此通過援引納入于此)描述了使用基帶和載波信息來提供勝于已知系統(tǒng)的改善的準確性和/或降低的模糊性?！癠ltrasonic Imaging in Air with a Broadband Inverse Synthetic ApertureSonar (用寬帶逆合成孔徑聲納在空中的超聲成像)” (Michael P.Hayes，1997)討論了對來自數(shù)字調(diào)制超聲信號的收到超聲反射的分析。其缺少基帶和載波分析、信道建模、泄漏估計和正交信號的技術(shù)。US2007/0121097討論了使用定形超聲脈沖的姿勢分析。然而，所描述的技術(shù)僅使
用真實信號，其并未公開正交基帶信號和泄漏估計。
美國專利申請20080005703公開了使用超聲的手勢識別。然而，其并未公開調(diào)制技術(shù)。美國專利申請20100296368公開了用于姿勢檢測的回聲分析。然而，其并未公開調(diào)制技術(shù)，也未公開對BB和載波信息的使用?！癈ontinuous Sonar Sensing for Mobile Mini Robots (用于移動迷你機器人的連續(xù)聲納感測)”(Jurgen alhold等人,2002)公開了使用連續(xù)調(diào)制發(fā)射。然而,其并未公開對BB和載波信息的使用。對正交編碼的討論是用于車輛區(qū)分和用于同時從若干發(fā)射機估計相同的目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的一方面，提供了一種用于小空間定位的系統(tǒng)和方法，其相比于已知系統(tǒng)可改善 準確度和/或降低模糊性?？蓮囊ㄎ坏臒o源對象獲得具有載波信號和調(diào)制的連續(xù)經(jīng)調(diào)制聲波的回聲。本發(fā)明的一些實施例的一方面提供了一種用于小空間定位的系統(tǒng)，包括:發(fā)射設(shè)備，其發(fā)射經(jīng)調(diào)制連續(xù)波，其中該經(jīng)調(diào)制連續(xù)波包括載波信號和基帶信號，該發(fā)射設(shè)備朝其中可能出現(xiàn)希望跟蹤的對象的區(qū)域或空間或范圍發(fā)射該信號。接收單元接收起源自該發(fā)射設(shè)備的從該對象反射的信號。收到信號可包括自發(fā)射機設(shè)備的直接路徑的泄漏。該系統(tǒng)可使用基于近似距離的分析來確定反射該發(fā)射的對象的位置，該分析使用通過向該對象發(fā)射和從該對象反射的往返延遲所接收到的載波信號和基帶信號兩者。該系統(tǒng)可使用如設(shè)在給定計算設(shè)備中的語音組件，諸如內(nèi)置立體聲話筒和揚聲器，以發(fā)射和接收超聲信號。對載波信號和基帶信號兩者的分析可包括對載波信號的相位分析。接收單元可包括檢測器，用于執(zhí)行由接收單元接收到的經(jīng)調(diào)制連續(xù)波與期望經(jīng)調(diào)制連續(xù)波之間的相關(guān)?？扇芜x地，該經(jīng)調(diào)制連續(xù)波具有預(yù)定形式或結(jié)構(gòu)，并且該期望經(jīng)調(diào)制連續(xù)波是由發(fā)射設(shè)備發(fā)射的經(jīng)調(diào)制連續(xù)波的副本?？扇芜x地，該期望連續(xù)波建模所發(fā)射波(包括例如經(jīng)調(diào)制數(shù)字信號)、發(fā)射機、空氣、話筒和接收電路的總體響應(yīng)?？扇芜x地，該期望連續(xù)波是從反射的記錄導(dǎo)出的?？扇芜x地，接收單元從收到經(jīng)調(diào)制連續(xù)波與期望經(jīng)調(diào)制連續(xù)波之間的相關(guān)來確定基帶和載波信號相關(guān)曲線?？扇芜x地，接收單元包括泄漏衰減機制，其中泄漏被定義為從直接路徑(發(fā)射機到接收機)中的固定發(fā)射接收到的信號，而反射信號是用于TOA測量所需的信號。泄漏也可在較寬的視角中定義，其除了直接路徑信號以外還包括從靜態(tài)環(huán)境反射的信號:設(shè)備外殼、位于設(shè)備附近的人造物、該設(shè)備放置于其上的表面等。良好的泄漏衰減機制可估計來自環(huán)境的反射，其具有比目標(biāo)相對更低的變化率。以此方式，目標(biāo)的運動將更容易被檢測和跟蹤。泄漏信號的示例是在從移動設(shè)備的揚聲器到話筒的最短路徑中到達的信號?？扇芜x地，泄漏衰減方法包括如下方法:其中收到信號經(jīng)歷差分運算以移除恒定泄漏、并隨后執(zhí)行與收到信號的期望波形的復(fù)相關(guān)。
泄漏是在沒有反射體時收到的從發(fā)射機(揚聲器)發(fā)送的聲學(xué)信號。例如，當(dāng)使用表面時，比如手持機放置在桌子上時，泄漏可包括來自該表面的反射。措辭“揚聲器”在本文中涉及任何發(fā)聲設(shè)備?？扇芜x地，泄漏衰減方法使用其中不存在對象(S卩，不存在反射)的狀況的知識，以及隨后計算相關(guān)并且關(guān)于數(shù)個幀對相關(guān)值取平均。幀可被定義為序列的歷時，連續(xù)調(diào)制是從該序列構(gòu)建的。結(jié)果被存儲在存儲器中。一旦指示可能存在要定位的對象，就計算相關(guān)并從該相關(guān)值中扣除來自不存在對象的狀況的相關(guān)的所保存值的矢量。這得到無泄漏的相
關(guān)信號。作為進一步替換，泄漏衰減方法使用無要定位的對象的知識(S卩，不存在反射)，并且隨后從直接路徑接收到的時域信號被取平均和存儲。基于對象可能存在的知識，從先前存儲的模式中扣除這些時域采樣，從而產(chǎn)生無泄漏的時域信號，其隨后可進一步與該連續(xù)波相關(guān)以找出到達時間TOA。由于泄漏通常是恒定的，因此可使用泄漏補償作為距離校準的手段。因此，有可能測量泄漏的T0A，從而使用從話筒到揚聲器的已知距離來計算音速。該音速可被用于計算環(huán)境溫度。可任選地，接收元件確定絕對相關(guān)曲線中的一個或多個峰值以及實相關(guān)曲線中的一個或多個峰值。實相關(guān)和絕對相關(guān)曲線的數(shù)學(xué)定義在下文提供。可任選地，接收單元 包括一個或多個接收機，并且該接收單元配置成用于確定發(fā)射設(shè)備與該接收機之間的視線距離或主反射距離。 可任選地，與實相關(guān)曲線中的峰值基本對準的絕對相關(guān)曲線中的峰值對應(yīng)于接收機與發(fā)射設(shè)備之間最可能的視線距離或主反射距離?？扇芜x地，該系統(tǒng)包括模糊解決器，用于從實相關(guān)曲線中的多個峰值選擇一個或多個峰值。可任選地，這多個峰值是從包括若干經(jīng)延遲信號的收到信號獲得的，這些經(jīng)延遲信號的相關(guān)曲線彼此重疊?？扇芜x地，該系統(tǒng)包括模糊解決器，其標(biāo)識數(shù)個峰值中與絕對相關(guān)曲線的峰值最靠近的一個峰值或者決定沒有合適的峰值?？扇芜x地，使用基于由模糊解決器計算出的一個或多個預(yù)定義參數(shù)的值的評分?？扇芜x地，接收單元解譯發(fā)射機、(反射、)以及一個或多個接收機之間最可能的視線距離(或最可能的反射距離)，其中由接收機接收到的信號包括近范圍中的由于由發(fā)射設(shè)備發(fā)射的信號的多徑而引起的彼此重疊的若干經(jīng)延遲信號。

可任選地，接收單元以載波信號波長的十分之一的數(shù)量級上的準確度確定該位置?？扇芜x地，對不同系統(tǒng)使用不同的基帶信號。可任選地，接收單元存儲關(guān)于將由發(fā)射設(shè)備發(fā)射并由要定位的對象反射的基帶信號的信息。可任選地，接收單元基于基帶信號來區(qū)分從要定位的對象反射的具有載波頻率的經(jīng)調(diào)制信號(其中該反射針對該系統(tǒng)的發(fā)射設(shè)備)和其他發(fā)射設(shè)備?？扇芜x地，接收單元存儲一個或多個校準參數(shù)以用于基于該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)來調(diào)整期望經(jīng)調(diào)制連續(xù)波?？扇芜x地,該校準參數(shù)是相位響應(yīng)、振幅響應(yīng)、以及群延遲中的一者。可任選地，該經(jīng)調(diào)制連續(xù)波是聲波?？扇芜x地，該經(jīng)調(diào)制連續(xù)波是超聲波?？扇芜x地，該經(jīng)調(diào)制連續(xù)波是配置成用于穿透除空氣以外的媒介的1-1SMHz范圍內(nèi)的超聲波?？扇芜x地，該經(jīng)調(diào)制連續(xù)波是RF波?？扇芜x地，載波信號的頻率與經(jīng)調(diào)制連續(xù)波的基帶信號的頻率在相同的量級上。可任選地，接收單元包括間隔開的至少兩個接收機，并且每個接收機定位在預(yù)定義位置中?？扇芜x地，該系統(tǒng)包括處理單元，其配置成基于發(fā)射設(shè)備(反射)與兩個接收機中的每個接收機之間的視線距離(或反射距離)的三角測量來確定發(fā)射設(shè)備的位置。可任選地，發(fā)射設(shè)備發(fā)射同步信號，其定義飛行時間延遲的開始。 可任選地，該同步f目號是IR f目號。可任選地，該同步彳目號是RF彳目號。本發(fā)明的一些實施例的一方面提供了一種用于小空間定位的方法，包括:從發(fā)射設(shè)備發(fā)射經(jīng)調(diào)制連續(xù)波，其 中該經(jīng)調(diào)制連續(xù)波包括載波信號和基帶信號，并在定位于彼此的預(yù)定義距離處的諸接收機處接收由該發(fā)射設(shè)備發(fā)射的信號；以及使用對從發(fā)射設(shè)備接收的載波信號和基帶信號兩者的基于近似距離的分析來確定發(fā)射設(shè)備的位置，其中該發(fā)射設(shè)備和接收機中的一者是在大致范圍內(nèi)可移動的，并且另一者定位在預(yù)定義位置處。本發(fā)明的一些實施例的一方面提供了一種用于小空間定位的方法，包括:從發(fā)射設(shè)備發(fā)射經(jīng)調(diào)制連續(xù)波，其中該經(jīng)調(diào)制連續(xù)波包括載波信號和基帶信號，并用接收機接收由該發(fā)射設(shè)備發(fā)射的信號，其中接收機和發(fā)射機定位在彼此的預(yù)定義距離處；以及使用對從該發(fā)射和/或接收設(shè)備接收的載波信號和基帶信號兩者的基于近似距離的分析來確定反射對象的位置，其中該反射對象在大致范圍內(nèi)可移動。可任選地，發(fā)射設(shè)備在大致范圍內(nèi)可移動，并且接收機定位在預(yù)定義位置處。可任選地，對載波信號和基帶信號兩者的分析包括對載波信號的相位分析?？扇芜x地，該方法包括執(zhí)行由接收單元接收到的經(jīng)調(diào)制連續(xù)波與期望經(jīng)調(diào)制連續(xù)波之間的相關(guān)。可任選地，該經(jīng)調(diào)制連續(xù)波是預(yù)定形式的，并且該期望經(jīng)調(diào)制連續(xù)波是所發(fā)射的經(jīng)調(diào)制連續(xù)波的副本?？扇芜x地，該方法包括從收到經(jīng)調(diào)制連續(xù)波與期望經(jīng)調(diào)制連續(xù)波之間的相關(guān)來確定絕對相關(guān)曲線和實相關(guān)曲線?？扇芜x地，該方法包括確定絕對相關(guān)曲線中的峰值以及實相關(guān)曲線中的峰值。可任選地，該方法包括確定發(fā)射設(shè)備與至少一個接收機之間的視線距離?？扇芜x地，與實相關(guān)曲線中的峰值基本對準的絕對相關(guān)曲線中的峰值對應(yīng)于該至少一個接收機與發(fā)射設(shè)備之間最可能的視線距離。可任選地，該方法包括從實相關(guān)曲線中的多個峰值中選擇峰值?？扇芜x地，這多個峰值是從包括若干經(jīng)延遲信號的收到信號獲得的，這些經(jīng)延遲信號的相關(guān)曲線彼此重疊?？扇芜x地，該方法包括從多個峰值中標(biāo)識與絕對互相關(guān)曲線的峰值最靠近的峰值?？扇芜x地，該方法包括從多個峰值中標(biāo)識與絕對相關(guān)曲線中的上升能量最靠近的峰值?？扇芜x地，該方法包括基于對所確定視線距離的歷史跟蹤來從多個峰值中標(biāo)識峰值?？扇芜x地，該方法包括基于對所確定視線距離隨時間推移的速度跟蹤來從多個峰值中標(biāo)識峰值。可任選地，該方法包括比較從不同接收機計算出的可能視線距離?？扇芜x地，該方法包括確定擬合收到經(jīng)調(diào)制連續(xù)波的重疊波形的最小方差或最大似然?？扇芜x地，該方法包括基于指派給多個峰值的至少一部分的評分來從這多個峰值中標(biāo)識峰值。可任選地，該評分基于一個或多個預(yù)定義參數(shù)的計算出的值。可任選地，該方法包括解譯發(fā)射機、(反射體)以及接收機之間最可能的視線距離(或最可能的反射距離)，其中由接收機接收到的信號包括近范圍中的由于由發(fā)射設(shè)備發(fā)射的信號的多徑而引起的彼此重疊的若干經(jīng)延遲信號?？扇芜x地，該方法包括在載波信號波長的十分之一的數(shù)量級上的準確度內(nèi)確定該位置?？扇芜x地，該方法包括區(qū)分從不同發(fā)射設(shè)備發(fā)射的信號。可任選地，該區(qū)分基于將預(yù)期基帶信號與收到基帶信號作比較?？扇芜x地，該方法包括在工作中調(diào)整預(yù)期經(jīng)調(diào)制連續(xù)波的模板?？扇芜x地，該調(diào)整基于對接收到的經(jīng)調(diào)制連續(xù)波的質(zhì)量的量化度量。可任選地，該量化度量是該經(jīng)調(diào)制連續(xù)波與期望經(jīng)調(diào)制連續(xù)波之間的相關(guān)的相關(guān)評分?？扇芜x地，使用時域濾波技術(shù)，諸如FIR、IIR、或非線性濾波器(諸如中值濾波器)、或此類技術(shù)的組合，對每個接收單元的TOA軌跡進行濾波?？扇芜x地，來自所有接收單元的TOA軌跡的形狀被用于標(biāo)識對象的上/下或下/上移動。這可以通過驗證所有接收機的TOA軌跡是類似的、或者貫穿整個軌跡存在恒定的時移來進行。隨后，TOA軌跡的形狀若類似于“L”形則被用于發(fā)現(xiàn)上/下運動。也就是說，在該軌跡的開頭處，TOA的導(dǎo)數(shù)為負并且隨后具有恒定值。類似地，若TOA軌跡的形狀在開頭處具有正導(dǎo)數(shù)并以0導(dǎo)數(shù)結(jié)束，則可標(biāo)識下/上移動?？扇芜x地，可通過從兩條軌跡中標(biāo)識“U”形來從收到信號的TOA軌跡中提取從左往右或從右往左移動。此類“U”形可包括開頭處的負導(dǎo)數(shù)、繼之以0導(dǎo)數(shù)(平均而言)、并以一段正導(dǎo)數(shù)結(jié)束?？扇芜x地，在第一接收機更靠近該系統(tǒng)右手側(cè)的示例中，若第一接收機的軌跡的“U”形在源自于第二接收機的軌跡的“U”形之前，則可標(biāo)識從左往右移動?？扇芜x地，該經(jīng)調(diào)制連續(xù)波是聲波。
可任選地，該經(jīng)調(diào)制連續(xù)波是超聲波?？扇芜x地，該經(jīng)調(diào)制連續(xù)波是用于穿透除空氣以外的媒介的1-18MHZ范圍內(nèi)的超聲波?？扇芜x地，該經(jīng)調(diào)制連續(xù)波是RF波?？扇芜x地，載波信號的頻率與經(jīng)調(diào)制連續(xù)波的基帶信號的頻率在相同的量級上?？扇芜x地，該方法包括執(zhí)行發(fā)射設(shè)備與用于接收從該發(fā)射設(shè)備發(fā)射的信號的兩個接收機中的每個接收機之間的視線距離的三角測量?？扇芜x地，該方法包括發(fā)射同步信號，其中該同步信號定義飛行時間延遲的開始。
可任選地，該同步彳目號是IR彳目號?？扇芜x地，該同步彳目號是RF彳目號?？扇芜x地，反射該信號的對象的確切位置可通過話筒或揚聲器的冗余性來估計，例如通過使用三個話筒和一個揚聲器、或兩個話筒和兩個揚聲器。當(dāng)同時使用若干揚聲器時，使用信號編碼是尤其有用的，因為每個揚聲器可發(fā)射不同編碼，由此在短時段中提供關(guān)于反射環(huán)境的更多信息?？扇芜x地,可從若干揚聲器發(fā)射相同信號，在驅(qū)動這些揚聲器的信號之間存在受控延遲。該方法允許發(fā)射信號的波束轉(zhuǎn)向。該波束可被控制以便從期望方向接收到反射。使波束轉(zhuǎn)向允許創(chuàng)建圍 繞該設(shè)備的3D圖像?？扇芜x地，可與音頻有關(guān)活動(諸如音樂播放、語音呼叫等)同時地獲得反射對象的位置。可任選地，相同的音頻組件被用于超聲和語音應(yīng)用兩者。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，一些話筒(通常使用MEMS技術(shù))具有可被利用的超聲響應(yīng)，由此提供功能性而不必提供新組件。揚聲器和其他音頻發(fā)射機在超聲范圍中具有殘留響應(yīng)。替換地，這些發(fā)射機可以是專用的超聲設(shè)備，而話筒將用于音頻和超聲兩者。替換地，可使用相反的辦法。對現(xiàn)有音頻元件的使用具有一些限制，這主要是由于超聲范圍中不利的頻率響應(yīng)。由于這些組件主要是為語音應(yīng)用而制作的，因此其超聲頻率響應(yīng)將不是準許的。平坦對于TOA估計具有相當(dāng)大的益處:其允許較窄的互相關(guān)結(jié)果并且更能抵抗多徑和噪聲。存在眾多技術(shù)用于平坦化頻率響應(yīng)，諸如對發(fā)射信號整形。在接收機側(cè)，收到信號可通過均衡器以對有效頻率響應(yīng)進行整形。整體而言，對音頻和超聲兩者使用相同的組件被認為是對設(shè)備有利的，由此節(jié)省了成本和降低了向設(shè)備增加額外組件的復(fù)雜性?？扇芜x地，反射對象位置可被用于影響語音有關(guān)活動。在用于波束成形的話筒陣列的情形中，反射位置可幫助使話筒接收波束朝揚聲器轉(zhuǎn)向。在另一個實施例中，反射分析可用于消去房間回聲?？扇芜x地，反射分析可分析反射群并搜索相對快速的移動。此類情景可描述在來自其他手指和手本身的反射群內(nèi)部的正移動的手指的反射。此類清形可獲益于較早描述的基帶和載波分析的實施例，其允許準確地分離近旁反射?？扇芜x地，來自若干手指的反射可被分析，從而允許定位一個以上手指，并且允許執(zhí)行完整手指分析，以此方式可模擬音樂鍵盤。以下討論可從上述方法獲益的眾多示例。這些示例不是綜合性的，并且是作為示例來討論的。任何平坦的平面可通過發(fā)射超聲能量并分析反射來允許用戶交互?？扇芜x地，用戶可在該平坦的平面上在該設(shè)備附近移動其手。這些移動可被解讀成控制鼠標(biāo)移動。輕敲手指可被解讀為鼠標(biāo)點擊?？扇芜x地，可通過反射分析來實現(xiàn)多觸摸姿勢，從而允許兩根或多根手指執(zhí)行姿勢，比如與諸如放大、縮小等功能相關(guān)聯(lián)?？扇芜x地，可實現(xiàn)3D控制。可任選地，可使用反射來幫助自動對焦相機?？扇芜x地，可使用反射來‘收獲’視頻圖像。可任選地，可使用反射來使設(shè)備靜音。除非另行定義，否則在本文中所使用的所有技術(shù)和/或科學(xué)術(shù)語具有與本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所通常理解的相同的含義。下文描述了示例性的方法和/或材料，但類似于或等效于本文所述的那些方法和材料可用在本發(fā)明實施例的實踐或測試中。在沖突的情況下，將以包括定義的本專利說明書為準。此外，材料、方法和示例僅為解說性的而不旨在必然作為限制。本發(fā)明的實施例的方法和/或系統(tǒng)的實現(xiàn)可涉及手動地、自動地、或其組合地執(zhí)行或完成所選任務(wù)。此外，根據(jù)本發(fā)明的方法和/或系統(tǒng)的實施例的實際儀器和裝備，若干所選任務(wù)可通過硬件、軟件或固件或其組合使用操作系統(tǒng)來實現(xiàn)。例如，用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的實施例的所選任務(wù)的硬件可實現(xiàn)為芯片或電路。作為軟件，根據(jù)本發(fā)明的實施例的所選任務(wù)可實現(xiàn)為由使用任意合適操作系統(tǒng)的計算機執(zhí)行的多條軟件指令來實現(xiàn)。在本發(fā)明的`示例性實施例中，根據(jù)本文描述的方法和/或系統(tǒng)的示例性實施例的一個或多個任務(wù)由數(shù)據(jù)處理器來執(zhí)行，諸如用于執(zhí)行多條指令的計算平臺?？扇芜x地，數(shù)據(jù)處理器包括用于存儲指令和/或數(shù)據(jù)的易失性存儲器、和/或用于存儲指令和/或數(shù)據(jù)的非易失性存儲器，例如磁性硬盤和/或可移動介質(zhì)。可任選地，還提供了網(wǎng)絡(luò)連接。還可任選地提供了顯示器和/或用戶輸入設(shè)備，諸如鍵盤或鼠標(biāo)。附圖簡沭本文參照附圖以僅示例的方式描述本發(fā)明的一些實施例?，F(xiàn)在詳細參照附圖，需要強調(diào)的是，所示的細節(jié)是作為示例和用于對本發(fā)明實施例的解說性討論的目的。在此意義上，對附圖所作的描述使得對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言如何實踐本發(fā)明的實施例是明顯的。在附圖中:

圖1是根據(jù)本發(fā)明一些實施例的小空間定位系統(tǒng)的簡化框圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明一些實施例的用于確定反射所發(fā)射信號的對象的位置的簡化數(shù)據(jù)流圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明一些實施例的收到和期望信號的相關(guān)(correlation)曲線的絕對部分、虛部和實部的示意解說；圖4A-4C是根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的三個示例性相關(guān)曲線集，其解說了由于存在多徑信號而可能出現(xiàn)的潛在模糊性；圖5是可從重疊在LOS (視線)信號上的多個多徑信號獲得的自相關(guān)曲線的示例性絕對部分和實部的示意解說；圖6是可從對來自發(fā)射機和接收機之間的直接路徑的泄漏的接收、以及對反射信號連同重疊在LOS信號上的多個多徑信號的接收所獲得的互相關(guān)曲線的示例性絕對部分的不意解說；圖7解說了泄漏衰減方法，其中從收到信號中扣除在沒有檢測到信號時的復(fù)相關(guān)的絕對值；圖8A-8D解說了時域中的泄漏衰減方法，其中在無反射狀況期間對時域信號取平均并且隨后在檢測到或指示反射時從收到信號中扣除該平均值；圖9解說了在上/下移動期間從相同對象收到的信號的TOA軌跡的示例；圖1OA和IOB解說了由兩個接收機對從相同對象反射的信號接收到的信號的從左往右移動的TOA軌跡的示例；圖1lA和IlB解說了圖1Oa和IOb的經(jīng)濾波版本；圖12A和12B解說了指示上/下運動的到達時間軌跡；圖13A、13B和13C解說了本實施例用于檢測手指位置(包括姿勢)、用于軟屏幕使用(作為鼠標(biāo))以及用于檢測接近度的應(yīng)用；圖14解說了本實施例用于多手指檢測的應(yīng)用；以及圖15解說了本實施例用于根據(jù)來自用戶面部的反射來檢測用戶存在性的應(yīng)用。一 @示例件實施例的描沭

本發(fā)明在其一些實施例中涉及定位系統(tǒng)和方法，尤其但不排他地涉及小空間定位系統(tǒng)和方法。根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，提供了一種小空間定位系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，小空間定位系統(tǒng)朝無源對象發(fā)射經(jīng)調(diào)制連續(xù)信號，該無源對象反射所發(fā)射信號并且該反射被間隔開的至少兩個接收機接收。該經(jīng)調(diào)制連續(xù)信號包括嵌入在載波信號上的預(yù)定義基帶信號?？苫趯υ撔盘柕幕鶐Р糠趾洼d波部分的分析、或使用在期望經(jīng)調(diào)制信號與收到經(jīng)調(diào)制信號之間計算出的互相關(guān)(cross-correlation)來確定TOF和/或LOS距離。如本文所使用的，術(shù)語互相關(guān)意指能比較信號的任何比較函數(shù)，例如最小方差、最小絕對誤差等。可任選地，同步信號隨該經(jīng)調(diào)制連續(xù)信號一起被發(fā)射以定義TOF延遲的開始。根據(jù)本發(fā)明的實施例，用載波和基帶信號兩者執(zhí)行互相關(guān)，例如不必移除和/或執(zhí)行下變頻，并且對載波信號進行或不進行低通濾波。期望載波波形與收到載波波形的互相關(guān)可促進執(zhí)行對載波信號的相位分析。基帶(BB)信號可提供具有對應(yīng)于載波信號的波長的量級內(nèi)的準確度的定位，而載波信號的相位分析可通過提供關(guān)于該波長內(nèi)的位置的信息來改善該準確度。本發(fā)明的實施例可促進改善對于聲學(xué)定位系統(tǒng)可獲得的準確度。可達成載波信號的波長的大約千分之一的數(shù)量級上的準確度。通常情況下，該準確度受信噪比(SNR)限制；在無限SNR下，準確度也可以是無限的。在實踐中，SNR可高達20dB，并且在準確度方面仍可允許良好的結(jié)果。發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，本文描述的系統(tǒng)的準確度的限制因素不是SNR(若其足夠高，比如通常高于15dB)。限制因素是音速的重復(fù)性，其甚至在辦公/家里環(huán)境也略微地變化。音速的較小波動(比如說由于溫度變化)可限制系統(tǒng)準確度。然而，可基于測量揚聲器與話筒之間的直接信號路徑(這是已知距離)的TOF來作出對溫度的直接測量。由此，本發(fā)明的實施例可校正此類溫度變化。載波信號和基帶信號可被選擇成使得載波信號落在基帶信號的頻率范圍內(nèi)和/或在與基帶信號相同的量級上。載波和基帶信號可以是聲學(xué)的并且在超聲(US)頻率范圍中。在其他示例性實施例中，載波和基帶信號是電磁的并且在RF范圍中。各實施例可解決在存在多徑信號的情況下確定LOS距離或反射距離時的模糊性。模糊性可能是由于相關(guān)曲線(例如原始信號或最近反射與多徑信號的相關(guān)曲線)的交迭，使得能以標(biāo)識原始LSO峰值或反射對象的最近反射點?？捎嬎阋粋€或多個參數(shù)以確定在暴露于多徑期間的最可能定位?？墒褂迷u分系統(tǒng)基于各種所定義參數(shù)來確定最可能的定位。對相關(guān)的包絡(luò)和實部中的峰值分析可解決模糊性，或者歷史跟蹤或速度跟蹤或在每個接收機中接收到的信號之間的比較、或上述任何組合可用于解決模糊性?，F(xiàn)在參照圖1，其是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的小空間反射定位系統(tǒng)的簡化示意框圖。由揚聲器123提供在固定的已知位置處的發(fā)射元件，其發(fā)射經(jīng)調(diào)制連續(xù)波130。波130包括連續(xù)載波信號部分和調(diào)制到該載波上的基帶信號。發(fā)射元件123被定位成在其中可能預(yù)期出現(xiàn)要定位的對象的范圍上發(fā)射該經(jīng)調(diào)制連續(xù)波，諸如在屏幕上方、在計算設(shè)備前方的表面上，如下文將更詳細地討論的。接收元件RXl接收由該發(fā)射元件發(fā)射并由對象140反射的信號。位置檢測元件包括處理器160及其組成部分和附件(諸如存儲器151)，并使用該反射信號(通常通過分析反射信號中的載波信號部分和基帶信號兩者)來確定該對象的位
置。 定位系統(tǒng)120通常包括發(fā)射機123、和接收機121，用于拾取由該發(fā)射機發(fā)射、從對象140反射并由這些接收機接收的信號。系統(tǒng)120基于對接收到的反射信號的TOF分析來估計反射對象在所定義空間內(nèi)的位置。通常情況下，系統(tǒng)120是靜止的。根據(jù)本發(fā)明的實施例，發(fā)射設(shè)備123發(fā)射預(yù)定義的經(jīng)調(diào)制連續(xù)信號170。一個或更多個接收機(例如，來自系統(tǒng)120的接收機121和接收機122)可拾取由發(fā)射機123發(fā)射的信號。使用載波和基帶相關(guān)器152將收到信號與期望信號(例如預(yù)存在接收機端的該預(yù)定義的經(jīng)調(diào)制連續(xù)信號的副本、或在接收機端計算出的信號或由接收機捕獲的信號)作比較。通常情況下，載波和基帶相關(guān)器被整合到處理單元160中。該預(yù)定義的經(jīng)調(diào)制連續(xù)信號的模板、模型和/或特征通常被預(yù)存在存儲器151 (例如，非易失性存儲器)中。如本文所使用的模板是期望信號從數(shù)學(xué)級數(shù)到數(shù)字化輸入數(shù)據(jù)的完整模型。模板表示包括例如話筒響應(yīng)、發(fā)射機響應(yīng)、電路系統(tǒng)、反射器、空氣間隙等在內(nèi)的總模型。模板可用作計算出的參考的起始點。不同示例在發(fā)射機與接收機之間的傳遞函數(shù)方面可能有一定程度的差異。接收機可例如通過在工作中或在特殊校準模式中調(diào)整模板來容適這些差異?？沙鲇诖祟惸康亩鴮崿F(xiàn)對收到信號的質(zhì)量的量化度量。此類量化度量可以是相關(guān)評分，并且可實現(xiàn)對該相關(guān)評分的預(yù)定義閾值以限定信號的質(zhì)量。例如，當(dāng)相關(guān)評分高于該預(yù)定義閾值時，收到信號可被系統(tǒng)用來調(diào)整模板。接收機121和122可接收來自發(fā)射機123的一個或更多個信號。通常情況下，接收機121、122和發(fā)射機123是靜止的、間隔開的、并且定位在預(yù)定義位置處。在一個示例性實施例中，接收機121和122沿與計算設(shè)備(例如，個人計算機、移動電話設(shè)備、個人數(shù)字助理(PDA))相關(guān)聯(lián)的顯示單元的邊緣定位。接收機121和122可以是話筒。與接收機121和接收機122處于電通信或邏輯通信中的載波和基帶相關(guān)器152可包括用于將收到經(jīng)調(diào)制信號與期望經(jīng)調(diào)制信號進行互相關(guān)而不從其載波提取基帶信號和/或用于將基帶信號連同載波信號一起執(zhí)行互相關(guān)的電路系統(tǒng)。通常情況下，可實現(xiàn)期望經(jīng)調(diào)制信號的模板以用于與收到信號進行互相關(guān)。在本實施例中可通過對發(fā)射機和接收機使用相同的時鐘源來達成發(fā)射機和接收機的同步。TOF測量包括測量經(jīng)調(diào)制信號130的發(fā)射與對收到信號的最可能延遲的估計之間的時間，如上文所解釋的。處理器160基于載波和基帶信號的互相關(guān)結(jié)果來確定定位。每個系統(tǒng)可與專用的載波和基帶相關(guān)器152相關(guān)聯(lián),并且發(fā)射機123可發(fā)射一系列可能信號之一。以此方式,若干發(fā)射機可同時從相同的系統(tǒng)進行發(fā)射而不產(chǎn)生干擾。若干系統(tǒng)可在相同的鄰域中使用，每個系統(tǒng)使用不同的信號集以避免干擾其他近旁系統(tǒng)?？扇芜x地，在發(fā)射之前，系統(tǒng)偵聽周圍環(huán)境，從而動態(tài)地選取信號以避免干擾。在本發(fā)明的替換實施例中，載波和基帶相關(guān)器和/或其功能被整合到(例如，與該定位系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的個人計算機或計算設(shè)備中的)處理單元160。處理器160可包括快速傅里葉變換(FFT)能力并且可用于對收到信號執(zhí)行相位和振幅分析。存儲器單元151可包括存儲器能力，例如用于存儲來自收到信號的信息、期望經(jīng)調(diào)制連續(xù)信號的參數(shù)和/或其他信息的存儲器能力。存儲器單元151可包括易失性和非易失性存儲器。存儲器單元151可存儲一個或更多個校準參數(shù)，這些參數(shù)被實現(xiàn)成用于基于諸特征來調(diào)整模板，這些特征例如是具體硬件集合(例如發(fā)射機和接收機)的傳遞函數(shù)。示例性校準參數(shù)可包括模板的相位、振幅、和群延遲以及其他參數(shù)中的差異。經(jīng)調(diào)制連續(xù)信號源170可以是聲學(xué)信號源(例如，在超聲范圍中)。例如，經(jīng)調(diào)制連續(xù)信號源170的信號 范圍可在約20與80KHz和/或高達200KHz之間變動。盡管高于200KHZ的頻率也可用于聲學(xué)信號，但發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)隨著聲學(xué)信號的頻率增加，對LOS損失的敏感性也增大。頻率增加可能由于尺寸比波長更大或在波長附近的較小人造物而對總體聲學(xué)響應(yīng)產(chǎn)生影響或?qū)Πl(fā)射信號的衰落速率產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致該系統(tǒng)有較小的有效范圍。 根據(jù)本發(fā)明的其他實施例，信號源112可以是RF信號源。在一些示例性實施例中，RF信號源可在超高頻率(UHF)范圍中(例如433MHz、868MHz、900MHz、915MHz、和2.4GHz)和/或在超寬帶(UWB范圍中(例如，3.1-10.6GHz)發(fā)射信號。發(fā)射/接收系統(tǒng)與反射對象之間的距離可基于來自發(fā)射機的、從對象反射并由接收機拾取的經(jīng)調(diào)制連續(xù)信號的TOF來確定。收到信號可包括通常情況下的最短路徑、一般而言的L0S、或發(fā)射機與接收機之間的最短距離、來自反射對象的反射群、以及來自該設(shè)備自身和環(huán)境的反射。一個接收機可以能夠確定到反射對象的距離。兩個接收機可允許確定可能的反射體位置的子空間。反射對象在三維中的位置可基于從三個接收機中的每個接收機確定的距離的三角測量來確定?；谑盏叫盘?，處理器160基于載波和基帶信號來計算T0F，并且通常執(zhí)行三角測量以確定作為時間函數(shù)的發(fā)射設(shè)備位置。
發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，對于聲學(xué)定位，使用US頻率范圍中的發(fā)射信號存在諸優(yōu)點。US波處于聲學(xué)頻譜的較高端。通常情況下，對于較高頻率的載波信號，可獲得較高的準確性。另一優(yōu)點在于US波通常較不容易受到來自環(huán)境噪聲的干擾,因為US發(fā)射機與其他聲學(xué)發(fā)射機相比和/或與RF發(fā)射機相比在我們的典型環(huán)境中較不突出。對于附加的US發(fā)射機和/或US信號可能出現(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，因為衰落速率對于較高頻率會增大。US定位系統(tǒng)的另一優(yōu)點在于，對于所需量的發(fā)射能量，US發(fā)射機和/或接收機通常小于其他信號發(fā)射機和/或接收機。另外，由于US頻率范圍是人類不可聽到的，對于用戶交互而言，它比聲學(xué)定位系統(tǒng)中使用的其他聲學(xué)范圍更切合實際。由于對于較高范圍信號，對短暫LOS損失的敏感性較大，所實現(xiàn)的聲學(xué)頻率的范圍可被限制。盡管已主要針對范圍在20-100KHZ之間的聲學(xué)信號描述了諸系統(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)，例如對諸如肝臟和腎臟之類的深處組織應(yīng)用1-6MHZ或者對肌肉、肌腱、睪丸、胸部和新生兒腦之類的組織應(yīng)用7-18MHzο另外，本文描述的系統(tǒng)和方法也可應(yīng)用于RF系統(tǒng)。本文描述的系統(tǒng)和方法可容易地適用于多個用戶，例如在彼此附近工作的用戶群。每個發(fā)射設(shè)備110可發(fā)射 唯一的經(jīng)調(diào)制連續(xù)信號，其可被專用的檢測器151和152(圖1)識別。不同發(fā)射設(shè)備中的載波信號可由用于不同用戶的不同基帶信號來調(diào)制。每個接收機和/或檢測器可識別對應(yīng)于其相關(guān)發(fā)射機的基帶模式。例如，識別可通過對基帶信號的信號分析來實現(xiàn)。具體地，使用正交基帶級數(shù)、或幾乎正交的基帶級數(shù)可能具有顯著益處。術(shù)語“幾乎正交”意味著兩個不同基帶級數(shù)的互相關(guān)參照于每個級數(shù)自相關(guān)可具有低值。不擁有期望基帶信號的所定義性質(zhì)的收到信號可從TOF分析中忽略和/或排除。由于TOF是由基帶和載波信息兩者確定的，可實現(xiàn)不同信號而不會犧牲對TOF的檢測和/或估計的準確性?，F(xiàn)在參照圖2，其示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于確定反射位置的簡化概念性數(shù)據(jù)流圖。由兩個或更多個接收機(例如，接收機121和接收機122)拾取的信號可經(jīng)歷FFT210，從而可在預(yù)定義頻帶內(nèi)執(zhí)行對收到信號的延遲分析。由接收機拾取的信號可在執(zhí)行FFT之前被濾波和放大?；谑盏浇?jīng)調(diào)制信號和所發(fā)射經(jīng)調(diào)制信號之間的檢出時移在頻域中執(zhí)行從接收機121和122接收到的信號的定時校正。通常情況下，經(jīng)校正信號被保存在存儲器220中以用于進一步處理，從而確定定位?？赏ㄟ^分析收到信號的位置來在工作中補償接收電路與發(fā)射電路之間的延遲。發(fā)射機與接收機之間的直接路徑主要取決于幾何分布，即發(fā)射機和接收機的位置，這是恒定的。該已知距離可被用于為缺少接收機與發(fā)射機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，其中至少一個接收機輸入和一個發(fā)射機輸出被電連接。存儲器220被整合到如圖1中所示的存儲器151。相關(guān)器執(zhí)行存儲在223中的模板與在定時校正之后的輸入數(shù)據(jù)之間的互相關(guān)。相關(guān)器152可被實現(xiàn)成用于對期望經(jīng)調(diào)制連續(xù)信號(例如，保存在存儲器223中的預(yù)定經(jīng)調(diào)制連續(xù)信號)進行互相關(guān)。相關(guān)器152可計算相關(guān)曲線的包絡(luò)(絕對)和實部。隨后，基于包絡(luò)峰值和實部峰值的位置，可確定T0F。相關(guān)器152可將泄漏信號納入考慮，并且可從收到信號中衰減(例如，通過減去)泄漏估計，這將在下文更詳細地討論。隨后可在濾波和移動方向塊221中對衰減操作的輸出進行濾波并估計移動方向，這將在下文更詳細地討論。在確定TOF和/或LOS距離時可以考慮從先前采樣存儲的信息、和/或來自其他接收機的輸出信號。所存儲的數(shù)據(jù)可包括在確定TOF中有用的一個或更多個所定義參數(shù)值、閾值和/或其他信息。所存儲的數(shù)據(jù)可包括例如期望信號、預(yù)存信號和/或參考信號的表?？捎勺鴺?biāo)和速度估計器222基于根據(jù)從接收機121和122接收到的信號確定的TOF來確定所發(fā)射或反射的聲學(xué)信號的起源位置。起源位置可在預(yù)定義的坐標(biāo)系內(nèi)相對于接收機的位置來定義。位置和速度估計器(222)輸出可將隨時間的某些反射行為映射為姿勢，從而允許例如上/下姿勢或左/右姿勢。更精確的反射分析允許鎖定某些反射(諸如來自定向手指的反射)以跟蹤該手指的移動。該手指跟蹤可例如被用作鼠標(biāo)以控制光標(biāo)移動。處理器160可使用模板來構(gòu)造參考信號和/或期望信號的查找表，可將收到信號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采樣，并且采樣點之間的任何定時失配可通過外推函數(shù)來克服以披露距離。技術(shù)人員將領(lǐng)會，聲學(xué)信號具有不同的角傳遞函數(shù)，并且可將均衡器添加到接收機以補償該現(xiàn)象。由模糊性檢測器獲得的最可能的信號被用于標(biāo)識與模板信號的最可能的非零距離。坐標(biāo)估計器222可包括最大似然檢測器，其類似于所納入的國際專利申請公開N0.W003088136中所描述的最大似然檢測器。連續(xù)信號170可由具有傅里葉變換&(ω)的復(fù)低通時域信號sjt)來表示，從而:SL(co)=0，I ω | > Β/2，否則 SL(co)幸 O。該信號在頻域中的自相關(guān)函數(shù)為:
權(quán)利要求
1.一種用于小空間定位的系統(tǒng)，包括: 在固定已知位置處的發(fā)射元件，其配置成用于發(fā)射經(jīng)調(diào)制連續(xù)波，其中所述經(jīng)調(diào)制連續(xù)波包括連續(xù)載波信號部分和調(diào)制到所述載波信號部分上的基帶信號，所述發(fā)射元件配置成在其中可能出現(xiàn)要定位的對象的范圍上發(fā)射所述經(jīng)調(diào)制連續(xù)波；以及 接收元件，其配置成用于接收由發(fā)射設(shè)備發(fā)射并由所述對象反射的信號；以及 位置檢測元件，其配置成根據(jù)對從所述反射信號接收到的所述載波信號部分和所述基帶信號兩者的分析來確定所述對象的位置。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，對所述載波信號和所述基帶信號兩者的所述分析包括對所述載波信號的相位分析。
3.如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述位置檢測元件配置成用于執(zhí)行由接收單元接收到的經(jīng)調(diào)制連續(xù)波與期望經(jīng)調(diào)制連續(xù)波之間的相關(guān)。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述經(jīng)調(diào)制連續(xù)波是預(yù)定的并且所述期望經(jīng)調(diào)制連續(xù)波包括由所述發(fā)射設(shè)備發(fā)射的所述經(jīng)調(diào)制連續(xù)波的副本。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述經(jīng)調(diào)制連續(xù)波的所述副本包括信道模型，其用于建模所述波形從所述定位元件到所述波形解碼單元的通道，由此提供參考信號以對照該參考信號來標(biāo)識所述最可能距離。
6.如權(quán)利要求3或4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述接收單元配置成用于從所述收到經(jīng)調(diào)制連續(xù)波與所述期望經(jīng)調(diào)制連續(xù)波之間的所述相關(guān)來確定基帶和載波信號相關(guān)曲線。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述相關(guān)曲線包括相應(yīng)的絕對曲線、實曲線和虛曲線，并且所述接收單元配置成用于確定相應(yīng)的絕對相關(guān)曲線中的至少一個峰值和相應(yīng)的實相關(guān)曲線中的至少一個峰值。
8.如前述任一項權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，進一步配置成使用包括以下各項的組中的一個成員: 所述發(fā)射元件與所述接收元件之間的已知距離，以及 固定鏈路。
9.如前述任一項權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述位置檢測元件配置成使用差分檢測來移除直接信號路徑的泄漏和靜態(tài)人造物的泄漏。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述差分檢測包括含以下各項的組中的一個成員:從前一采樣中扣除每個輸入采樣并隨后應(yīng)用包括相繼幀之間的復(fù)相關(guān)和互相關(guān)的組的至少一個成員，所述差分檢測被執(zhí)行以確定行進時間。
11.如權(quán)利要求1-7中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述位置檢測元件配置成使用復(fù)相關(guān)扣除來移除直接信號路徑的泄漏。
12.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述位置檢測元件配置成: 確定檢測區(qū)域中沒有放置對象的第一時間以計算和取平均在所述第一時間的復(fù)相關(guān)，所述相關(guān)的絕對值被保存； 在所述檢測區(qū)域中放置有要定位的對象時的第二時間，確定在所述第二時間獲得的相關(guān)結(jié)果的第二絕對值并從所保存的絕對值中扣除所述第二絕對值，由此提取所述反射信號的絕對相關(guān)而沒有所述直接路徑泄漏； 使用所述絕對相關(guān)來提取所述反射信號的行進時間。
13.如權(quán)利要求1-7中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述位置檢測元件配置成使用時域扣除來移除直接信號路徑的泄漏。
14.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述位置檢測元件配置成: 確定檢測區(qū)域中沒有放置對象的第一時間以針對N個幀的周期取平均并保存信號，其中每一幀是發(fā)射序列的歷時； 在所述檢測區(qū)域中放置有要定位的對象時的第二時間，從在所述第一時間計算出的所述時域信號的所保存平均值中扣除收到信號的時域值，由此提取所述反射信號的時域值而沒有所述直接路徑的泄漏；以及 執(zhí)行復(fù)相關(guān)以提取所述反射信號的行進時間。
15.如權(quán)利要求9至14中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述位置檢測元件配置成使用所述泄漏的到達時間連同所述發(fā)射元件與所述接收元件之間的已知距離來由此計算空氣溫度。
16.如權(quán)利要求11至14中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，通過檢測包括能量和信噪比的組中的至少一個成員的改變來獲得關(guān)于對象存在性的指示。
17.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，能量檢測包括將輸入信號與已知模板相關(guān)并隨后在所有可能的時間距離上對相關(guān)輸出的能量進行積分。
18.如權(quán)利要求16或17所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述信噪比計算包括在可能距離范圍中的相關(guān)的所有可能值的能量的積分，并除以遠端時移處的相關(guān)輸出處的噪聲估計的平均。
19.如前述任一項權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述位置檢測元件配置成從每幀計算出的復(fù)相關(guān)值來計算每接收機的到達時間軌跡，其中所述幀等于發(fā)射序列或模板的歷時。
20.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于，由所述復(fù)相關(guān)提取的所述到達時間是使用已通過設(shè)定閾值的復(fù)相關(guān)的絕對值的最大值來計算的。
21.如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述設(shè)定閾值被設(shè)置成有噪相關(guān)的平均值的M倍或比所述有噪相關(guān)的平均值大M，其中M是預(yù)定常數(shù)。
22.如前述任一項權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述位置檢測元件配置成使用二維搜索以實現(xiàn)對第一路徑到達時間的微調(diào)提取。
23.如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述二維搜索包括搜索相同起源信號的多個反射，所述多個反射以相應(yīng)的復(fù)相關(guān)的相應(yīng)時間、振幅和相位中的至少一者的方式來表征。
24.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述位置檢測元件配置成通過取高于預(yù)設(shè)閾值的相關(guān)的絕對值并使用質(zhì)心等式進行積分來從所述復(fù)相關(guān)提取所述到達時間。
25.如權(quán)利要求19至24中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述位置檢測元件進一步配置成使用包括以下各項的組中的一個成員對所提取的到達時間軌跡進行濾波:線性濾波器、IIR濾波器、FIR濾波器、非線性濾波器、中值濾波器、以及線性和非線性濾波器的組合。
26.如前述任一項權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述位置檢測元件進一步配置成使用第二接收機并比較來自每個接收機的到達時間蹤跡。
27.如權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述位置檢測元件配置成分別從每個接收機提取蹤跡方向，由此區(qū)分從上往下移動與從下往上移動。
28.如權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述區(qū)分包括: 估計相應(yīng)的蹤跡的第一導(dǎo)數(shù)； 取平均并與O作比較； 若平均值大約O，則確定所述方向是從下往上；以及若該值低于O，則確定所述方向是從上往下。
29.如權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述確定是排除其中導(dǎo)數(shù)等于O的蹤跡部分來作出的。
30.如權(quán)利要求27至29中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，從區(qū)分出的TOA蹤跡的平均值提取速度。
31.如權(quán)利要求26至30中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述位置檢測元件進一步配置成分別使用每個接收機處的相應(yīng)到達時間軌跡來區(qū)分從左往右和從右往左移動。
32.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述區(qū)分包括尋找到達時間的減小、繼之以常數(shù)、繼之以增大的三部分構(gòu)成。
33.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述區(qū)分包括比較各個接收機處的所述三部分構(gòu)成。
34.如前述任一項權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)射元件配置成使用正交編碼來提供信號，所述信號能與由至少一個其他發(fā)射元件產(chǎn)生的信號區(qū)分開。
35.如前述任一項權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)射元件是使用所述系統(tǒng)的現(xiàn)有揚聲器元件來提供的，并且其中所述接收機元件是使用所述系統(tǒng)的現(xiàn)有話筒元件來提供的。
36.一種用于空氣音速測量的系統(tǒng),包括: 在第一固定已知位置處的發(fā)射元件，其配置成用于發(fā)射經(jīng)調(diào)制連續(xù)波，其中所述經(jīng)調(diào)制連續(xù)波包括連續(xù)載波信號部分和調(diào)制到所述載波信號部分上的基帶信號；以及 在第二固定已知位置處的接收元件，其配置成用于接收由發(fā)射設(shè)備發(fā)射的信號以及來自周圍環(huán)境的泄漏，所述接收元件包括檢測元件，所述檢測元件配置成根據(jù)所述泄漏的到達時間結(jié)合所述發(fā)射元件與所述接收元件之間的距離來確定所述音速。
37.如權(quán)利要求36所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述檢測元件配置成根據(jù)所述音速測量來確定空氣溫度。
38.一種用于小空間定位的系統(tǒng),包括: 在第一固定已知位置處的發(fā)射元件，其配置成用于發(fā)射經(jīng)調(diào)制連續(xù)波，其中所述經(jīng)調(diào)制連續(xù)波包括連續(xù)載波信號部分和調(diào)制到所述載波信號部分上的基帶信號，所述發(fā)射元件配置成在其中可能出現(xiàn)要定位的對象的范圍上發(fā)射所述經(jīng)調(diào)制連續(xù)波；以及 在第二固定已知位置處的接收元件，其配置成用于接收由發(fā)射設(shè)備發(fā)射并由所述對象反射的信號，所述接收元件包括位置檢測元件，其配置成根據(jù)對從所述反射信號接收到的所述經(jīng)調(diào)制連續(xù)波的反射的分析來確定所述對象的位置。
39.如權(quán)利要求38所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述位置檢測元件配置成使用差分檢測來移除直接信號路徑的泄漏。
40.如權(quán)利要求39所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述差分檢測包括從前一采樣中扣除每個輸入采樣并隨后執(zhí)行應(yīng)用復(fù)相關(guān)以確定到達時間。
41.如權(quán)利要求38所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述位置檢測元件配置成使用復(fù)相關(guān)扣除來移除直接信號路徑的泄漏。
42.如權(quán)利要求41所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述位置檢測元件配置成: 確定接收區(qū)域中沒有放置對象的第一時間以計算和取平均在所述第一時間的復(fù)相關(guān)，所述相關(guān)的絕對值被保存； 在所述接收區(qū)域中放置有要定位的對象時的第二時間，確定在所述第二時間獲得的相關(guān)結(jié)果的第二絕對值并從所保存的絕對值中扣除所述第二絕對值，由此提取所述反射信號的絕對相關(guān)而沒有所述直接路徑泄漏； 使用所述絕對相關(guān)來提取所述反射信號的行進時間。
43.如權(quán)利要求38所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述位置檢測元件配置成使用時域扣除來移除直接信號路徑的泄漏。
44.如權(quán)利要求43所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述位置檢測元件配置成: 確定接收區(qū)域中沒有放置對象的第一時間以針對N個幀的周期取平均并保存信號，其中每一幀是發(fā)射序列的歷時； 在所述接收區(qū)域中放置 有要定位的對象時的第二時間，從在所述第一時間計算出的所述時域信號的所保存平均值中扣除收到信號的時域值，由此提取所述反射信號的時域值而沒有所述直接路徑的泄漏；以及 執(zhí)行復(fù)相關(guān)以提取所述反射信號的行進時間。
45.如前述任一項權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其用于包括以下各項的應(yīng)用組中的一個成員:對象存在性檢測、光標(biāo)操縱、多對象跟蹤、音樂鍵盤、以及與軟屏幕的跟蹤交互。
46.一種用于小空間定位的系統(tǒng),包括: 至少三個發(fā)射元件，每個發(fā)射元件配置成發(fā)射經(jīng)調(diào)制連續(xù)波形； 中央控制器，用于提供每個發(fā)射元件處的信號之間的受控延遲以提供波束轉(zhuǎn)向，以便接收來自期望方向的反射，由此提供圍繞所述發(fā)射元件的三維定位。
47.—種用于小空間定位的方法,包括: 從固定位置發(fā)射經(jīng)調(diào)制連續(xù)波，其中所述經(jīng)調(diào)制連續(xù)波包括連續(xù)載波信號部分和調(diào)制到所述載波信號部分上的基帶信號，所述發(fā)射是發(fā)射到在其中可能出現(xiàn)要定位的對象的范圍中； 接收由發(fā)射設(shè)備發(fā)射并由對象反射的信號；以及 根據(jù)對從所述對象反射的所述載波信號部分和所述基帶信號兩者的分析來確定所述對象的位置。
48.—種用于小空間定位的方法,包括: 從第一固定位置發(fā)射經(jīng)調(diào)制連續(xù)波，其中所述經(jīng)調(diào)制連續(xù)波包括連續(xù)載波信號部分和調(diào)制到所述載波信號部分上的基帶信號，所述發(fā)射是發(fā)射到在其中可能出現(xiàn)要定位的對象的范圍中； 在第二固定位置處接收由發(fā)射設(shè)備發(fā)射并由對象反射的信號；以及 根據(jù)對來自所述對象的所述反射的分析來確定所述對象的位置。
全文摘要
一種用于小空間定位的系統(tǒng)，包括在固定已知位置處的發(fā)射元件，其發(fā)射具有連續(xù)載波信號部分和調(diào)制到其上的基帶信號的經(jīng)調(diào)制連續(xù)波，例如超聲波。該發(fā)射元件在其中可能出現(xiàn)要定位的對象的范圍上發(fā)射經(jīng)調(diào)制連續(xù)波。接收元件接收由發(fā)射設(shè)備發(fā)射并由對象反射的信號；以及位置檢測元件根據(jù)對從反射信號接收到的載波信號部分和基帶信號兩者的分析來確定該對象的位置。
文檔編號G01S13/00GK103229071SQ201180054916
公開日2013年7月31日 申請日期2011年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月16日
發(fā)明者N·阿爾特曼, Y·茲法蒂, A·阿格西 申請人:高通股份有限公司