單程飛行時間距離測量的制作方法
【專利摘要】通過由第一天線發射寬帶信號、由第二天線接收發射寬帶信號并且比較在發射和接收信號之間的時間延遲來確定相對于一個或多個點的距離和/或定位。第一和第二天線連接到定時器/處理器單元。第一或第二天線中的一個或多個可移動到待測量的未知定位，但是通過固定或已知延遲的通信鏈路來維持與定時器/處理器的連接。定時器/處理器包含用于生成發射信號的時基以及用于測量接收信號的時間延遲的偏移定時器。接收信號可以被處理以確定開始時間或前沿，其可以解決RF循環以及調制帶寬模糊性并且可以允許比操作中心頻率處的波長短得多的距離的明確確定。
【專利說明】
單程飛行時間距離測量
[0001] 相關申請 本申請是Dewberry等人于2014年9月5日提交的題為"One Way Time of Flight Distance Measurement"的US 14479236的PCT申請，14479236要求Dewberry等人于2013年9 月6日提交的題為"One Way Time of Flight Distance Measurement"的美國臨時申請61/ 847,963在35 USC 119(e)下的權益，所述美國臨時申請通過引用以其全部并入本文中； 14479236是Dewberry等人于2013年4月26 日提交的題為 "High Capacity Ranging Using Direct-path Signal Strength" 的申請13/872,030的部分繼續，所述申請13/872,030是 Dewberry于2012年4月26日提交的題為："High Capacity Ranging Network Using Ultra-Wideband Direct-path Pulse Signal Strength with Dynamic Recalibration''的臨時 申請61/639，056的非臨時申請；13/872，030也是Dewberry等人于2013年1月18日提交的題 為"Distance Measuring Quality Factor Using Signal Characterization" 的申請13/ 745，700的部分繼續，所述申請13/745,700是Dewberry等人于2012年1月18日提交的題為 "Distance Measuring Error Variance Using Signal Characterization" 的臨時申請 61 /587，912的非臨時申請。以上引用的專利文獻通過引用以其全部被并入本文中。
技術領域
[0002] 本公開內容一般地關于通過信號傳播的距離測量的領域，更特別地關于用于勘測 和工業應用的高精度測量。
【背景技術】
[0003] 在構造、制造和勘測方面存在準確地測量通過非金屬材料的距離的需要，所述非 金屬材料諸如用于建筑物構造或用于大型機械設備中的結構支撐的那些。本發明可以用于 靜態勘測、在測試和操作期間的彎曲移動或屈曲（flexture)的動態測量，或者當大量使用 時，用于精確動態定位。
[0004] 鏈接屈曲和/或末端效應器(effector)位置的直接測量可以使得能夠實現在工業 過程中使用較輕重量的構造和較快的動態性(dynami cs )。

【發明內容】

[0005] 本公開內容一般地關于一種用于確定相對于一個或多個點的距離和/或定位的系 統和方法，這通過由第一天線發射寬帶信號，由第二天線對發射寬帶信號進行接收以及比 較所發射和所接收的信號之間的時間延遲。第一和第二天線連接到定時器/處理器單元。第 一或第二天線中的一個或多個可移動到待測量的未知定位或位移，但是通過具有已知或可 確定的、優選穩定的時間延遲的通信鏈路而維持與定時器/處理器的通信。通信鏈路可以典 型地是柔性傳輸線、線纜、光纖或波導，其在存在線纜端部的相對運動的情況下維持恒定的 電氣長度(時間延遲）。通信鏈路還可以包括動態測量的RF、聲學或光學鏈路。定時器/處理 器包含用于生成發射信號的時基和用于測量接收信號的時間延遲的偏移定時器。接收信號 可以被處理以確定信號能量或前沿的精確的到達時間，其解決RF循環和調制帶寬模糊性并 且允許比操作中心頻率處的單個波長短得多的距離的明確確定。
[0006] 寬帶是指具有在兩個天線之間的距離上具有多于一個循環的通過介質的對應波 長的調制帶寬的信號。因而，可能存在關于正接收調制的哪個循環的潛在模糊性。另外，受 限的調制帶寬貢獻于對于確定當尤其是在反射表面存在的情況下確定從發射信號定時的 時間延遲時正接收RF信號的哪個循環的難度或無能為力。根據本系統的一個或多個變型， 可以克服循環模糊性，這允許距離的分辨率小于通過介質的RF中心頻率的波長。
[0007] 在一個變型中，作為掃描接收器來操作接收器和偏移定時器。掃描接收器在偏移 時間范圍上在多個偏移時間處進行接收并且生成表示在所述偏移時間范圍上的接收信號 的掃描數據集。從發射信號的時間來測量偏移時間。可以針對與精確定時和多徑 (multipath)信號的拒絕有關的特性來分析掃描數據集。可以通過隔離信號脈沖(pulse)的 前沿來針對使得能夠標識最早信號返回時間的特性來分析掃描數據集。另外，傳播路徑的 頻率選擇性吸收特性(如果已知或被測量的話)可以用于改善復雜非視線RF信道中的信號 的到達時間估計的準確性。
[0008] 本系統關于一種無線電技術，其通過測量在連接到相同基礎收發器的天線之間發 射和接收的RF信號的發射時間和到達時間之間的差異。在各種實施例中，RF信號可以是沖 擊(impulse)超寬帶(UWB)或經頻率調制的連續波信號。系統可以使用其他的現象學作為基 礎，諸如光學或聲學信令。系統允許對收發器電子裝置的單個中央集合所測量的發射和接 收之間的時間差異的精確測量。
[0009] 在UWB實施例中，基礎收發器發射RF脈沖，所述RF脈沖通過短或長的線纜而傳播到 發射天線。所發射的脈沖然后可以通過環境中的任何RF半透明材料(諸如空氣、木材、纖維 板、塑料、環氧樹脂等)而傳播。環境可以是干凈的或可以包括反射器或吸收器，所述反射器 或吸收器在多徑雜波存在的情況下產生具有未知幅度的接收信號。RF信號由接收天線元件 捕獲，所述接收天線元件可以隨著測試下的設備移動或可以被手動放置在某個位置處并且 針對靜態距離勘測而求平均。接收天線連接到線纜，所述線纜將RF能量傳播回到發源的收 發器。收發器在未知、通常頻率選擇性的衰減和多徑雜波存在的情況下相對于發射時間測 量接收信號的到達時間。發射和接收之間的時間差異，除去線纜長度(通過校準而找到），乘 以通過介質的RF的速度(經常假定為恒定），構成了距離測量。
[0010] 在一個變型中，接收器是基于相關性的掃描接收器，其被配置成確定所接收的寬 帶信號的前沿以確定時間差異。
[0011]在一個變型中，前沿處理被設置成拒絕由于其通過RF信道的較長路徑長度（相對 于直接路徑)所引起的時間上延遲到達的多徑反射信號。因而，從環境中的附近對象的具有 大于1/2波長、長于主路徑的路徑長度的反射可以被忽略并且將對距離測量沒有影響；然 而，窄帶信號將會很可能接收來自這些信號的干擾。例如，具有2GHz帶寬的典型UWB具有其 大約4.5cm的路徑長度差異。
[0012]各種實施例和特征可以包括但不限于： 1) 第一天線接收而第二天線發射，即發射和接收功能可以針對給定幾何結構而反轉； 2) 可以使用光學或聲學發射和接收，而不是RF發射和接收。 3) 窄帶RF調制（即頻率、相位或幅度調制)可以用作發射和接收定時事件。然而，較窄 的帶寬可以使定時以及距離誤差變長。 4)可以代替沖擊發射而使用頻率調制連續波(FMCW)和"啁嗽"發射和接收。
[0013] 在另外的變型中，系統可以包括一個發射天線和在各種位置處的多個同時接收天 線以用于三邊測量定位。在定位架構的另一變型中，一個接收天線和由時間或碼分離的多 個發射源用于三邊測量定位。
[0014] 在一個變型中，提供了一種路程監視系統，所述系統包括： 第一天線元件，其位于測試下的設備的移動端部處； 第二天線元件，其位于朝向測試下的設備的靜態端部，所述第一天線元件與第二天線 元件間隔開；以及 收發器， 其中收發器可操作成基于在第一和第二天線之間傳輸的信號的飛行時間來計算在第 一天線的位置和第二天線的位置之間的路程/距離， 其中用于第一天線的發射器將位于靜態參考點附近。
[0015] 由于天線驅動器或發射器可以位于與第一天線間隔開，因此這移除了對于向測量 系統的動態側提供的相對復雜的電路的需要。飛行時間是單程飛行時間，即對于信號從第 一天線通過所測量的RF信號傳播并且稍后在第二天線處被接收的時間。
[0016] 發射器可以通過第一(優選有線的）通信鏈路而耦合到第一天線，并且接收器通過 第二通信鏈路而耦合到第二天線，其中第一通信鏈路的傳播延遲和第二通信鏈路的傳播延 遲通過先前的校準而已知，或者如果從測量到測量的增量(delta)時間/距離是期望的則被 忽略。收發器可操作成測量在從發射器發送信號和信號到達接收器處之間的時間T，和/或 從一個測量到下一個測量的增量時間dT。
[0017] 由于反射路徑（多徑信號）比直接路徑長，所以接收的第一、最直接的能量信號的 到達時間（Τ0Α)的精確測量，減去由于有線鏈路所引起的靜態偏置，并且乘以傳播速度，產 生準確的距離測量。
[0018] 收發器可以進一步可操作成從所測量的時間T中減去第一通信鏈路的傳播延遲以 及第二通信鏈路的傳播延遲，以找到在第一和第二天線之間傳輸的信號的飛行時間。
[0019] 收發器可以進一步可操作成將第一和第二天線之間傳輸的信號的飛行時間乘以 所傳輸的信號的速度來確定第一天線和第二天線之間的距離。
[0020] 發射器可以位于鄰近于第二天線或緊密接近第二天線，以最小化從天線驅動器處 的信號的初始生成到由第一天線對所傳輸的信號的最終接收的傳輸長度。
[0021] 發射器和/或接收器可以與第二天線的位置間隔開，以最小化將定位在距離測量 的動態側上的路程監視系統的組件數目和功率要求。
[0022] 當柔性鏈路的兩側都在移動時，本系統也可以是有益的，并且端點之間的精確動 態距離指示構件的屈曲。
[0023]第一和/或第二通信鏈路可以包括物理通信鏈路，例如傳輸線或線纜、諸如RF線 纜、同軸線纜、波導、帶狀線、光纖或其它物理通信鏈路。
[0024]第一線纜和/或第二線纜或其它通信鏈路可以被適配用于在存在所述第一天線位 置相對于所述第二天線位置的相對運動的情況下維持固定長度。柔性線纜可以具有松弛、 彎曲、曲線、線圈或其它技術以允許運動而不改變線纜的長度以及因而線纜的功能RF傳播 時間。
[0025]在一個變型中，將在第一和第二天線之間傳輸的信號可以包括脈沖信號并且收發 器可以發送多個脈沖以通過相干信號整合來形成較高保真度的接收信號。
[0026]在一個變型中，接收器、發射器、信號處理和控制組件可以被提供為單個模塊(例 如收發器模塊、發射器-接收器模塊)的部分。附加地或可替換地，信號處理器和控制器可以 與接收器和/或發射器集成，或者可以被提供為分離的信號處理和控制模塊的部分。
[0027] 距離測量的準確性典型地受發射器和接收器之間的同步精度所影響。通過提供單 個時鐘信號來同步發射器和接收器，在發起將由第一天線發射的信號的觸發事件和接收器 處信號的到達的測量事件之間的時間的測量的準確性得以增加。這導致在第一和第二天線 之間的路程測量的增加的準確性。優選地，通過使用單個時鐘晶體和單個事件觸發電路來 同步發射器和接收器，這可以大大降低時鐘抖動對系統的影響。
[0028] 可以通過被布置成生成用于發射信號生成和接收信號采樣二者的同步精確事件 觸發的任何合適的模塊或電路(例如，發射器模塊、接收器模塊、收發器模塊、發射器-接收 器模塊、控制器模塊、專用時鐘生成器等等)來提供單個時鐘。
[0029] 在可替換的配置中，接收器和發射器的位置可以反轉，即，使得位于動態系統的靜 態側附近的第二天線耦合到發射器以將信號發射到位于朝向動態側的第一天線，所述信號 然后經由第一通信鏈路而發送到接收器。然后可以基于從第二天線向第一天線發射的信號 的飛行時間來計算第一和第二天線之間的距離。在另外的方面中，系統可以被配置使得發 射器被提供為可切換的發射器/接收器模塊，其中相關聯的天線可以被配置成基于模塊選 擇而發射或接收。
[0030] 進一步提供了一種用于對如所描述的用以測量測試下的設備的兩個點之間的距 離的路程監視系統進行操作的方法。
[0031] 特別地，提供了一種用于路程監視的方法，所述方法包括以下步驟： 朝向測試下的設備上的第一位置而提供第一天線； 朝向測試下的設備上的第二位置而提供第二天線，所述第一天線將與第二天線間隔 開； 提供與第一天線相關聯的發射器或接收器或發射器-接收器或收發器； 在第一天線和第二天線之間傳輸信號；以及 基于在第一和第二天線之間傳輸的信號的飛行時間來計算在第一天線的位置和第二 天線的位置之間的路程， 其中與第一天線相關聯的發射器或接收器或發射器-接收器或收發器與第一天線間隔 開，優選地位于朝向測試下的設備上的第一位置，優選地位于具有充足容積和功率源的靜 態側中。
[0032]發射器優選地通過較長的有線通信信道而被連接，以允許發射器使用較高的功率 來克服線纜損耗，從而允許在發射天線處的最大化的經調節的發射功率。
[0033]發射側還可以被選擇成嵌入在測試下的設備內部，以便減少測量系統的自由空間 發射。
[0034] 所述方法還可以包括以下步驟： 提供與第二天線相關聯的相應的發射器或接收器或發射器-接收器或收發器，以及 將與相應的第一和第二天線相關聯的相應的發射器或接收器或發射器-接收器或收發 器同步到單個時鐘。
[0035] 在另外的變型中，所述方法還可以包括以下步驟： 應用掃描接收器掃描窗口以針對信號接收而進行監視。
[0036] 使用掃描窗口允許減少獲取接收信號所花費的時間。因此，能夠有針對路程監視 系統的待處理的數據量方面的減少，從而導致更快速和/或更準確的路程監視系統。這樣的 掃描窗口可以由如上所述的設備的路程監視系統的控制器來應用，或者可以被應用為分離 的信號處理模塊的部分。
[0037] 掃描窗口可以具有可配置的持續時間和采樣分辨率。可以在發射觸發事件之后的 可配置的開始時間處應用掃描窗口。可以基于通信鏈路的傳播延遲和基于在測試下的設備 或測量路徑基礎上的直接路徑能量延遲的最大動態性的知識來配置掃描窗口開始和停止 時間。
[0038]直接采樣的掃描窗口的時間分辨率可以被配置以便最大化信號飛行時間測量準 確性而同時最小化對于每個距離測量所需的持續時間。在動態過程控制應用中，小的持續 時間和快速的更新速率是特別重要的。
[0039] 在另外的方面中，沿著測試下的設備的多個天線，其與多個掃描窗口相組合，在時 間上延遲以圍繞返回信號并且具有充足的跨度來覆蓋距離動態的完整范圍，將允許利用單 個發射信號的同時距離測量。
[0040] 校準 對于一些應用而言，可能沒有必要測量總延遲。僅僅測量天線之間延遲方面的相對改 變可能是足夠的。例如，控制系統可以僅通過確保時間延遲保持固定來成功地操作。換言 之，控制系統可以提供一種響應于時間延遲測量而操作的反饋控制機制。如果時間延遲增 加，則控制實現減少延遲的某種改變。如果延遲減少，則控制實現相反的改變。
[0041] 可替換地，可能期望的是知道天線之間的絕對距離。在這樣的情況下，可能有益的 是不僅知道從一個天線到另一個天線的行進時間，而且還知道剩余的系統延遲。例如，一些 系統延遲可以包括但不限于： ?從寬帶信號離開最終輸出晶體管以及行進到集成封裝上的出口引腳的時刻的延遲， ?從引腳通過印刷電路板跡線、通過濾波器、其它組件到與通信鏈路的印刷電路板連 接的延遲， ?從通信鏈路的一端到天線基底的延遲， ?從天線基底到天線的相位中心的延遲， ?從發射天線的相位中心到接收天線的相位中心的延遲的客觀測量， ?從接收天線相位中心到接收通信鏈路的延遲， ?接收通信鏈路到接收印刷電路板， ?其它電子延遲以及 ?軟件延遲。
[0042] 許多延遲是如此小以至于是不相關的。一些可以是固定的。一些隨著時間或溫度 而變化。對于其而言這些信號是已知的準確性確定所得到的天線到天線時間延遲測量的總 體準確性。基于聲學的系統可能還必須補償由于溫度和濕度所引起的聲速方面的改變。
[0043] 具有合理可接受的系統所需的準確性可以隨著應用而變化。一些系統可能通過僅 僅一般地知道延遲的幅度而是成功的。這可以通過分析或利用對照已知距離的非常簡單的 一次校準來實現。其它應用可能要求已知的延遲有高準確性，這使包括在線校準上連續的 甚至更精細的校準過程成為必要。
[0044] 例如，連續校準的一種方法可以涉及使用收發器以用于發射和接收天線二者結合 組合器。例如，發射信號可以通過環形器而離開發射器使得環形器的輸出將會驅動通信鏈 路并且來自系統中阻抗失配的任何反射將會返回到環形器和本地接收器。該本地接收器然 后可以測量返回反射的時間偏移并且從而測量從發射脈沖的發射到來自發射天線的基底 的反射的接收的時間延遲。類似方法可以使用在接收天線上。
[0045] 在另外的方面中，提供了一種針對材料或設備校準路程監視系統的方法，所述系 統包括： 在設備中的第一位置處提供天線； 提供從第一位置延伸到第二位置的通信鏈路(典型地RF傳輸線）； 沿著通信鏈路從第二位置向第一位置處的天線發送將由天線發射的信號； 在第二位置處，由于第一位置處的天線處的能量的部分反射而接收到沿著通信鏈路來 自所述天線的信號；以及 基于第二位置處接收到的信號來校準路程監視系統。
[0046] 在一個變型中，校準步驟可以包括針對沿著通信鏈路發送的信號來確定通信鏈路 的傳播延遲。校準可以被執行以計及動態構造內所提供的通信鏈路上的彎曲效應和/或溫 度效應。
[0047] 在一個變型中，校準方法可以被執行為單個初始的校準過程。附加地或可替換地， 校準方法可以被執行為正在進行的路程監視過程的部分，例如作為在設備操作期間所執行 的動態重新校準技術的部分。
[0048] 通常，在動態反饋控制過程中，需要測量之間距離方面的改變，而不是絕對距離。 這些應用通常不需要絕對校準。
[0049] 在一個變型中，校準可能需要對于通過測試下的設備的信號的頻率選擇性衰減的 評定以便計及制造變化。
[0050] 在另一變型中，校準可能需要對于與傳播通過動態柔性材料或結構相關聯的改變 的RF直接路徑和反射信道的評定。
[0051] 該方法支持在沿著設備的長度的任何點處的多個動態位置處、或支持定位系統的 幾何學上不同的位置處的評定。
[0052] 風力渦輪機葉片感測和控制 在一個變型中，提供了一種用于風力渦輪機葉片的路程監視系統，所述系統包括： 第一天線，其將位于朝向風力渦輪機葉片的尖端(具有相關聯的發射器）； 第二天線，其將位于朝向風力渦輪機葉片的根端(具有相關聯的接收器），所述第一天 線將與所述第二天線間隔開;以及 控制器， 其中所述控制器可操作成基于在所述第一和第二天線之間傳輸的信號的飛行時間來 計算在第一天線的位置和第二天線的位置之間的路程/距離， 其中用于所述第一天線的發射器將位于朝向風力渦輪機葉片的根端。
[0053]還提供了一種用于操作如所述的路程監視系統來測量風力渦輪機葉片的多個點 之間的距離的方法。
[0054]特別地，提供了一種用于風力渦輪機葉片路程監視的方法，包括以下步驟： 在風力渦輪機葉片的根端處提供第一天線； 在沿著風力渦輪機的不同位置處提供多個天線； 將所述多個天線連接到單個共享的通信鏈路； 在第一天線處提供接收器并且為共享的通信鏈路提供發射器;以及 從發射器向通信鏈路向所述多個天線中的每一個向同步接收器傳送發射信號，使得接 收器可以計算在每個發射天線與接收天線之間的相對或絕對時間延遲。由于天線驅動器或 發射器可以位于與第一天線間隔開(例如在葉片的根半部內），這移除了對于向第一天線的 位置處的葉片尖端提供相對復雜的電路的需要，從而簡化了所需要的閃電保護電路。另外， 這消除了在風力渦輪機葉片的外側位置處提供遠程功率供給以用于從第一天線發射信號 的問題。飛行時間將被理解為單程飛行時間，即信號從第一天線發射以在第二天線處被接 收的時間。
[0055] 優選地，發射器和/或接收器與第二天線的位置間隔開，例如在風力渦輪機轂或機 艙內，以最小化將定位在風力渦輪機葉片內部的路程監視系統的組件的數目。
[0056] 在可替換的配置中，接收器和發射器的位置可以反轉，即，使得位于葉片的根端附 近(即在葉片的根半部內）的第二天線耦合到發射器以向第一天線發射信號，所述第一天線 位于朝向葉片的尖端，即在葉片的尖半部內，所述信號然后經由第一通信鏈路而發送到接 收器。于是可以基于從第二天線發射到第一天線的信號的飛行時間來計算在第一和第二天 線之間的距離。在另外的方面中，系統可以被配置使得發射器被提供為可切換的發射器/接 收器模塊，其中相關聯的天線可以被配置成基于模塊選擇而發射或接收。
[0057]還提供了一種具有如所描述的路程監視系統的風力渦輪機葉片。進一步提供了一 種具有至少一個這樣的風力渦輪機葉片的風力渦輪機。
[0058] 進一步提供了一種用于操作如所描述的路程監視系統以測量風力渦輪機葉片的 兩個點之間的距離的方法。
[0059] 在一個變型中，通過利用掃描接收器，掃描接收器采樣率可以準許每個樣本之間 的多徑的衰退，即，樣本時間間隔可以大于針對附近環境特征的反射時間。例如，在尖部中 具有發射天線并且在葉片的根部處具有接收天線的風力渦輪機系統可以接收離開塔的反 射。所述樣本時間間隔可以允許來自塔的反射在開始另一樣本之前衰退。此外，每個掃描接 收器樣本例如可以包括以下的積分:來自沖擊寬帶信號的多個脈沖，或使用其它寬帶技術 而形成符號的多個啁嗽。
[0060] 特別地，提供了一種用于風力渦輪機葉片路程監視的方法，所述方法包括以下步 驟： 朝向風力渦輪機葉片的尖端而提供第一天線； 朝向風力渦輪機葉片的根端而提供第二天線，所述第一天線將與所述第二天線間隔 開； 提供與所述第一天線相關聯的發射器或接收器或發射器-接收器或收發器； 在所述第一天線和所述第二天線之間傳輸信號；以及 基于在所述第一和第二天線之間傳輸的信號的飛行時間來計算在第一天線的位置和 第二天線的位置之間的路程， 其中與所述第一天線相關聯的所述發射器或接收器或發射器-接收器或收發器與所述 第一天線間隔開，優選地位于朝向風力渦輪機葉片的根端，優選地位于風力渦輪機的轂中。 [0061 ]優選地，所述方法還包括以下步驟： 提供與所述第二天線相關聯的相應的發射器或接收器或發射器-接收器或收發器；以 及 將與相應的第一和第二天線相關聯的相應的發射器或接收器或發射器-接收器或收發 器同步到單個時鐘。
[0062] 在另外的方面中，提供了一種對用于風力渦輪機葉片的路程監視系統進行校準的 方法，所述系統包括： 在風力渦輪機葉片中的第一位置處提供天線； 提供從所述第一位置延伸到第二位置的通信鏈路； 沿著所述通信鏈路從所述第二位置向所述第一位置處的天線發送將由所述天線發射 的信號； 在所述第二位置處，接收沿著所述通信鏈路的來自所述天線的所述信號的反射;以及 基于在所述第二位置處接收的反射信號來校準所述路程監視系統。
[0063] 將理解的是，校準步驟可以包括針對沿著所述通信鏈路發送的信號而確定所述通 信鏈路的傳播延遲。校準可以被執行以計及風力渦輪機葉片內所提供的通信鏈路上的彎曲 效應和/或溫度效應。優選地，信號是簡單脈沖信號。
[0064]將理解的是，校準方法可以被執行為一次校準過程，例如在風力渦輪機上的路程 監視系統的安裝期間。附加地或可替換地，校準方法可以被執行為正在進行的路程監視過 程的部分，例如作為在風力渦輪機操作期間執行的動態重新校準技術的部分。例如，這樣的 重新校準方法的步驟可以被執行為如上所述的路程監視方法的部分，其中用于路程監視系 統的重新校準的步驟在所定義的數目的路程測量之后實施，例如對于路程監視測量的每 10、20、100、1000等等個實例，執行重新校準過程。校準典型地發生在系統是靜態的并且可 以通過其它方法估計距離時。
[0065]如果測試下的設備按其性質具有靜止狀態或平均/松弛的距離，則可以執行動態 校準。通過測量系統的飛行時間度量的運行平均和/或中值可以用作動態校準測量。
[0066]如果監視/控制系統具有用于確定靜止的可替換裝置，那么它可以觸發RF測量系 統來在這些模式期間重新校準。例如，風力葉片控制系統主動監視風車的旋轉速度。該系統 典型地調整葉片的俯仰以便將旋轉速度保持在受控的設定點處。通常，屈曲模型用于估計 作為速度和俯仰的函數的風力葉片的彎曲。該監視系統可以提供校準事件信號以及測量點 之間的估計距離以允許聯機重新校準。
[0067] 將理解的是，第一位置可以是沿著風力渦輪機葉片的長度的任何點，例如朝向葉 片尖端，朝向葉片根端。將理解的是，第二位置可以被提供在風力渦輪機葉片的根端處、風 力渦輪機轂中、風力渦輪機機艙中。
[0068] 另外，沿著葉片的各種長度處的任何數目的天線可以用作沿風力葉片的長度往下 的多個測量點，以用于復雜屈曲的動態估計。
[0069] 還描述了一種用于感測針對風力渦輪機葉片的升程(lift)值的方法，包括： 測量針對第一對天線之間傳輸的信號的向風飛行時間，所述第一對天線中的至少一個 布置在所述風力葉片的向風(高壓)側，所述向風飛行時間響應于由于氣動負載所引起的風 力葉片的彎曲；測量針對第二對天線之間傳輸的信號的背風(低壓）飛行時間，所述第二對 天線中的至少一個布置在風力葉片的背風側;并且基于將向風飛行時間與背風飛行時間進 行比較來確定升程值。
【附圖說明】
[0070] 參照附圖來描述本發明。在附圖中，同樣的參考標號指示相同或功能上類似的元 件。另外，參考標號的（多個)最左數位標識在其中參考標號首次出現的附圖。
[0071] 圖1是根據本公開內容的距離測量系統的示例性框圖。
[0072] 圖2是圖示了所述距離測量系統中的接收信號的若干特征的示例性定時圖和掃描 波形。
[0073]圖3示出了用于標識前沿信號到達時間的示例性掃描連同處理特征。
[0074] 圖4圖示了示例性的系統框圖，其包括具有分離的信號處理器和控制器組件的收 發器的掃描接收器部分的定時和掃描控制。
[0075] 圖5A和5B圖示了根據本公開內容的示例性風力葉片偏轉測量系統。
[0076]圖6A;^;出了圖5A的不例性系統的框圖。
[0077]圖6B描繪了如圖6A中所測量的升程與比較延遲的示例性函數。
[0078]圖7圖示了耦合到線性致動器702的示例性位置傳感器。
[0079] 圖8圖示了示例性的室內勘測應用。
[0080] 圖9圖示了被配置用于效應器定位的示例性距離傳感器。
[0081]圖10圖不了不例性的醫學應用。
[0082]圖11圖示了示例性的動力錘操作。在該示例中，三個距離被同時測量，其允許多維 定位。
[0083]圖12描繪了示例性的高爾夫球桿屈曲測量應用。
[0084]圖13更詳細地示出了圖12的高爾夫球桿測量系統。
[0085] 圖14描繪了針對圖12的應用的從把手到球桿的距離相對于時間的圖表。
[0086] 圖15描繪了隨時間的加速度的圖表。
[0087] 圖16圖示了使用兩個發射天線和單個接收天線的示例性變型。
[0088]圖17圖示了使用被組合到單個線纜并且饋送到兩個發射天線的兩個收發器的示 例性系統。
[0089] 圖18圖示了使用兩個接收天線和兩個發射天線的另外的示例性系統。
[0090] 圖19圖示了使用兩個接收天線和兩個發射天線的另外的示例性系統。
[0091] 圖20圖示了使用天線饋送反射來校準系統延遲的示例性系統。
[0092] UWB基礎知識 以下是超寬帶(UWB)無線電的概述，作為對于理解本發明的益處的幫助。
[0093]超寬帶是一種新興的RF技術，其具有在通信、雷達、定位和感測應用方面的顯著益 處。在2002年，聯邦通信委員會(FCC)向消費者認可了這些潛在益處并且發布了首個規則制 定，其使得能夠實現基于超寬帶技術的產品在美國的商業銷售和使用。FCC采用了超寬帶的 以下定義：即占用任何中心頻率處的至少0.25的分數帶寬或400MHz帶寬。分數帶寬更準確 地被定義為：
其中FBW是分數帶寬，fh是上頻帶邊緣，并且h是下頻帶邊緣，頻帶邊緣被定義為頻譜 密度中的10dB下降點。
[0094] 存在對于UWB的許多方法，包括沖擊無線電、直接序列CDMA、超寬帶噪聲無線電、超 高速數據的直接調制、以及其它方法。本公開內容包括超寬帶脈沖無線電（比沖擊更長的脈 沖，但是比窄帶短），并且可以在該處具有顯著應用，但是可以具有超過沖擊無線電到其它 形式的超寬帶以及也超過超寬帶到常規無線電系統的潛在益處和應用。雖然如此，描述關 于沖擊無線電的示例性變型來理解基礎知識并且然后將描述擴展到技術的延伸是有用的。
[0095] 沖擊無線電已經在一系列專利中被描述，包括給Larry W. Fullerton的美國專利 號4,641,317(1987年2 月3 日授權的）、4,813,057(1989年3 月 14 日授權的）、4,979,186(1990 年12月18日授權的）以及5,363,108(1994年11月8日授權的）。第二代沖擊無線電專利包括 給Fullerton等人的美國專利號5,677,927(1997年10月14日授權的）、5,687,169(1997年11 月11日授權的）、5,764,696(1998年6月9日授權的）、5,832,035(1998年11月3日授權的）以 及5,969,663(1999年10月19日授權的）以及給Fullerton的5，812,081(1998年9月22日授權 的）以及5,952,956(1999年9月14日授權的），所述專利通過引用被并入本文中。
[0096] 沖擊無線電系統的使用在題為"System and Method for Intrusion Detection using a Time Domain Radar Array" 的美國專利號6,177,903(2001年1 月23 日授權的）、題 為"Wide Area Time Domain Radar Array" 的美國專利號6,218,979(2001 年4月17 日授權 的）以及美國專利號6,614,384(2003年9月2日授權的）中被描述，所述專利通過引用被并入 本文中。
[0097] 關于脈沖發生器電路的附加細節可以在以下中找到：由Fullerton等人于2000年3 月29 日提交的題為"Apparatus, System and Method for Flip Modulation in an Impulse Radio Communication System" 的美國專利申請09/537,692以及由Fitzpatrick 等人于2004年9月30 日提交的題為 "A Bi-Phase Modulator For Ultra Wideband Signals"的申請10/712,271，所述申請通過引用被并入本文中。
[0098]關于接收器電路的附加細節可以在2002年7月16日授權給Jett等人的題為 "Baseband Signal Converter Device for a Wideband Impulse Radio Receiver" 的美 國專利6,421，389中找到。此外的UWB功率節約技術可以在以下中找到：2002年12月10日授 權給Richards的題為 "Method and system for coordinating timing among ultrawide band transmissions" 的美國專利6,492,90 4、以及2 003 年5 月 27 日授權給 Richards等人的題為"Method and apparatus for moderating interference while effecting impulse radio wireless control of equipment" 的美國專利6,571，089、以 及由Brethour等人于2003年11月14日提交的序列號為10/712，269的題為"System And Method For Processing Signals In UWB Communications"的美國專利申請。所有以上引 用的美國專利和美國專利申請由此通過引用以其全部被并入本文中。
[0099] UWB傳輸之間的定時協調此外在2002年12月10日授權給Richards的題為"Method and System for Coordinating Timing Among Ultrawideband Transmissions" 的美國專 利6，492,904中被描述。利用定時的安全系統此外在以下中被描述:2003年9月2日授權給 Hall等人的題為 "System and Method for Detecting an Intruder Using Impulse Radio Technology"的美國專利6,614,384以及2001年1月23日授權給Fullerton等人的題 為"System and Method for Intrusion Detection Using a Timing Domain Radar Array"的美國專利6,177,903。對象位置定位此外在2001年10月9日授權給Richards等人的 題為"System and Method for Person or Object Position Location Utilizing Impulse Radio"的美國專利6，300,903中被解釋。位置確定此外在2000年10月17日授權給 Fullerton等人的題為"System and Method for Position Determination by Impulse Radio"的美國專利6,133，876中被解釋。基于定位信息的功能控制此外在由Taylor等人于 2000年2月24 日提交的題為 "System and Method for Information Assimilation and Functionality Control Based on Positioning Information Obtained by Impulse Radio Techniques"的美國專利申請序列09/511，991中被描述。延遲編碼技術此外在以下 中被描述：由Roberts于2001年6月13日提交的題為"System and Method for Applying Delay Codes to Pulse Train Signals"的美國專利申請序列09/878,923以及2004年9月7 日授權給Richards等人的題為 "Method and apparatus for applying codes having pre-defined properties"的美國專利6,878,730。以上所列的美國專利和美國專利申請由 此通過引用以其全部被并入本文中。
[0?00] 距離測量此外在以下中被描述：2000年10月17日授權給Fullerton等人的題為 "System and Method for Position Determination By Impulse Radio" 的美國專利6， 133,876、以及2001 年9月25 日授權給Richards等人的題為 "System and Method for Distance Measurement by Inphase and Quadrature Signals in a Radio System"的美 國專利6,295,019、以及2004年3月2日授權給1?;!_(31^『(18的題為"378七6111311(11116七11〇(1：[ >(^ estimating separation distance between impulse radios using impulse signal amplitude"的美國專利6，700,538。以上列出的美國專利和美國專利申請由此通過引用以 其全部被并入本文中。
[0101] 全雙工通信此外在1997年11月11日授權給Fullerton的題為"Full Duplex Ultrawide-Band Communication System and Method" 的美國專利5,687,169中被描述。 [0102] 精確定時生成器此外在2001年10月16日授權給Richards等人的題為"Precision Timing Generator System and Method"的美國專利6,304,623以及2003年6月10日授權給 Richards等人的題為 "Precision timing generator apparatus and associated methods"的美國專利6,577,691中被描述。
[0103] 獲取此外在2003年4月29日授權給Richards等人的題為"System for Fast Lock and Acquisition of Ultra-Wideband Signals"的美國專利6,556,621、以及2012年2月7 日授權給Barnes等人的題為 "Enhanced system and method for detecting the leading edge of a waveform" 的8,11，797中被描述。
[0104] 所有以上提及的美國專利和專利申請由此通過引用以其全部被并入本文中。
【具體實施方式】
[0105] 圖1是根據本公開內容的距離測量系統的示例性框圖。參考圖1，收發器102耦合到 第一天線106和第二天線110以用于測量在兩個天線106、110之間的距離108。天線106可以 典型地是通過相對長的線纜104連接到收發器的可移動或移動天線，而天線110可以典型地 通過可選的線纜112而連接到接收器。天線106可以優選地連接到收發器102的發射部分。通 過將較長的線纜連接到發射側允許增加發射功率以克服線纜損耗而同時在天線處維持指 定的發射場強度。另外，該配置允許發射天線被安置在測試下的設備的內部，這促進增加的 發射功率而同時在測試下的設備的表面處維持指定的發射場強度。
[0106] 更一般地，線纜104可以是具有已知或可確定的、優選地穩定的時間延遲的通信鏈 路104。通信鏈路104可以將發射信號從發射器102傳送到天線106。可替換地，定時信號可以 通過通信鏈路104傳送并且發射信號可以鄰近于通信鏈路104的天線106端而被生成。
[0107] 可替換地，發射和接收連接可以反轉，即，天線106用于接收并且天線110用于發 射。在另外的可替換方案中，線纜112和104可以是任何期望的長度并且天線中任一個或二 者可以根據應用而是移動的或固定的。在一些應用中，接收天線可以是定向天線以增加路 程和干擾抑制而不增加所輻射的功率。
[0108] 在操作中，信號通過線纜104而被發射到天線106。發射信號通過路徑108傳播到接 收天線110和通過線纜112到接收器。接收器被配置成測量在信號的發射和接收之間的時間 差異。從總延遲中減去線纜延遲以確定傳播延遲以及因而確定通過路徑108的距離。
[0109] 典型地，線纜長度針對假脫機(spooling)或溫度中的變化是恒定的;然而，對于特 殊情況或為了更大的準確性，可以通過測量溫度和/或應力并且基于實驗性或理論的線纜 表征來確定校正因子而對溫度和應力進行校正。
[0110] 在一個變型中，收發器是超寬帶沖擊收發器并且所接收的信號通過使用時間掃描 接收器而被處理以確定信道響應波形。信道響應波形然后被處理以找到脈沖信號的前沿。 前沿定時然后用于精確地確定接收信號定時。前沿信號產生于兩個天線之間的最短直接傳 播路徑。多徑信號將從直接路徑延遲并且因而將被接收器處理所拒絕。因而，圖1的系統可 以在存在包括靜態和動態多徑的多徑干擾的情況下遞送精確的距離測量一一對于動態系 統而言合期望的特性。
[0111] 圖2是由掃描接收器產生的示例性定時圖和掃描波形，其圖示了圖1的距離測量系 統的若干特征。參考圖2,針對整個發射到接收時間的掃描波形被示出為沿著時間軸226的 間隔202。縮短的掃描窗口被示出為間隔204。在時間206處發射脈沖。發射典型地在接收信 號中產生干擾，這是由于在收發器208內部的雜散耦合。所發射的脈沖通過有線通信信道 104傳播并且在時間210處到達發射天線106。信號通過介質（空氣和/或RF半透明材料)傳播 并且然后通過接收天線110和接收器而被接收。
[0112]接收器可以在間隔204上定義掃描窗口224,以用于重復測量期間的較快處理。所 述窗口具有跨越測試下的設備的最大動態距離的開始時間212和結束時間214。如所示出 的，在窗口 204中接收脈沖信號222。信號222具有峰值220,其可以用于確定信號強度。脈沖 222之前的第一噪聲218可以用于確定前沿閾值。窗口的掃描分辨率也可以被調整以優化前 沿準確性，而同時最小化掃描和處理時間。
[0113] 距離可以如下計算： 距離
其中， 距離是天線之間的距離108， c是介質中的光(或聲)速， Tw是從掃描窗口 212的開始到前沿(第一、最直接的能量路徑)228的檢測的時間差異， Ts_start是掃描窗口 212的開始時間， Tcallb是Tscanstart和To之間的經校準的時間延遲，其包括在無線電電子器件中共同的系 統電氣延遲以及通過接收天線和線纜的傳播延遲，以及 To是從發射天線206的發射的時間的時間。
[0114] 圖3示出了用于標識前沿定時的示例性掃描連同處理特征。圖3示出了圖2的處理 窗口 224中的更多細節。參考圖3,噪聲測量間隔用于確定脈沖222到達之前的噪聲水平。平 均噪聲可以用于建立用于確定前沿的閾值。閾值302可以例如是基于噪聲間隔306中的RMS 噪聲的RMS噪聲的三倍。接收脈沖222被示出為具有絕對值包絡304。前沿時間228被確定為 接收脈沖包絡304超過閾值302的時間。
[0115] 可以通過將背景噪聲測量乘以預定因子來找到閾值302。典型地，可以通過測量掃 描窗口開始處的噪聲窗口 306中的噪聲來發現背景噪聲。噪聲平均值或RMS值可以被確定并 且噪聲值(其被假定為恒定的無線電噪聲)可以乘以例如三的因子以確定前沿閾值302。實 驗可以用于找到最佳因子。
[0116]包絡304可以被計算為信號222的絕對值。可替換地，絕對值可以經濾波。可替換 地，可以使用信號的希爾伯特變換。其它技術可以用于提供信號的包絡的估計。
[0117]另一技術使用基于通過傳輸信道而修改的發射信號的（一個或多個)匹配濾波器 來估計接收信號的到達時間。在該技術中，基于頻率選擇性動態RF信道性質的一個或多個 預配置的信號模板可以對照接收信號而相關。全過程將確定在接收信號和(一個或多個)模 板之間的所有相位處的相關性。具有最高全局相關性的模板將會把前沿指示為具有最高相 關性系數的相位偏移。該技術還可以用于此外指示介入的RF信道的動態配置和/或材料性 質。
[0118]該系統使用信號的信道沖擊響應(CIR)分析來最大化對信道和測量準確性的評 定。通常，提供伴隨每次測量的可靠的準確性評定可能是遞歸最優加權定位濾波器的重要 特征。
[0119]圖4圖示了示例性的系統框圖，其包括收發器的掃描接收器部分的定時控制。參考 圖4,收發器包括RF和定時部402以及處理部404、406、408。處理部包括用于處理掃描數據的 處理器404與相關聯的存儲器408。距離結果可以可選地通過濾波器406來濾波。濾波器可以 是低通濾波器、帶通濾波器、卡爾曼濾波器或典型地用于導航或追蹤的其它濾波器。這些濾 波器利用飛行時間或隨時間的距離位置的新近歷史來增加每個新評定的可靠性。
[0120]在操作中，定時控制410提供精確的定時信號結構以用于觸發發射器414和掃描接 收器412、416。定時控制410使用公共的時基(典型地為基于晶體的參考振蕩器)來提供所有 定時信號，從而保持所有定時信號同步。發射器414發射脈沖的序列。典型地，脈沖的序列可 以以時間和/或極性來編碼，從而擴展頻譜。不同碼還可以提供在緊密接近地操作的若干單 元之間的信道分離。定時控制410還提供用于掃描接收器的定時信號。掃描接收器構建其中 樣本在一系列延遲的上延遲的接收信號樣本的數據集。典型地，一個脈沖可以導致一個或 僅僅幾個樣本，因此需要許多脈沖來構建完整的掃描。例如，l〇〇ns的時間間隔的掃描可以 每50ps進行采樣。因而，可能需要20,000個樣本來構建完整的掃描。因此，對于發射的每個 脈沖，由接收器獲取對應的遞增偏移樣本。所得到的信號值被記錄在順序的存儲器陣列中 以產生掃描數據集，或"掃描"。圖2和圖3示出了示例性的掃描。
[0121]定時分析處理器404在掃描數據上執行波形分析以確定背景噪聲、前沿閾值、前沿 時間、信號強度和其它有關的計算。所得到的距離測量然后可以被濾波以用于更好的穩定 性和魯棒性，特別是在存在噪聲的情況下。定時分析塊404還可以基于信號強度來產生測量 置信度值以幫助濾波器406。
[0122] 在一些實施例中，可以添加過程反饋控制塊以利用貫穿掃描歷史的距離測量或距 離中的改變。該塊還可以直接在掃描前沿到達時間上進行操作。具有相關聯的信號處理元 件的眾多收發器可以與一個控制塊相關聯以用于多維定位。可替換的存儲、裝置和異常值 過濾器以及用戶顯示器可以被集成以用于精確勘測應用。
[0123] 校準 當系統首次置于操作中時，各種特性、特別地時間延遲可能是未知的。因而，可以有益 的是執行校準來建立固定的系統延遲，諸如線纜延遲、觸發和閾值延遲。一個示例性的校準 過程可以如下： 1) 利用發射器天線和接收天線之間的已知距離來建立操作中的系統。 2) 記錄平均距離測量、系統(偏移)誤差和隨機(標準偏差)誤差。 3) 發起收發器中的校準模式。 4) 將偏移誤差存儲為校準設置中的固定偏移因子。 5) 將隨機誤差存儲為測試下的設備的該配置(諸如彎曲配置)期間的質量因子。 6) 返回到操作模式并且驗證正確的所報告的距離測量。 7) 在必要時重復。
[0124] 應用 該技術適用于在有限距離處需要精確（~1_)測量的任何領域，其中線纜可以延伸在 兩個感興趣的點之間。在灰塵、降水和污染的環境中，該系統相對于光學系統具有優勢。RF 信號可以穿透大多數墻壁材料、塑料、碳纖維或環氧樹脂。
[0125] 示例性的應用包括但不限于： 用于風力發電機的風力葉片偏轉， 制造過程中的線性致動器運動測量， 穿墻式(室內）勘測測量， 鏟、拾取及安放機器人上的效應器定位， 醫學裝置上的效應器的精確定位，以及 錘振動速度的多普勒測量。 通過擺動的高爾夫球桿的屈曲的動態估計。
[0126] 用于風電發電機的風力葉片偏轉 圖5A和圖5B圖示了根據本公開內容的示例性風力葉片偏轉測量系統。示出了單個風力 葉片。典型的風力發電機可以使用兩個、三個或更多的葉片以用于每個安裝。每個風力葉片 可以是例如但是不限于在長度方面為30到60米。風力葉片裝配在轂(未示出）上并且能夠繞 葉片旋轉軸而旋轉以使相對于風的葉片的迎角變化。根據控制算法來調整葉片旋轉角以提 供最大效率、最大功率，調節速度，或為了強風中的安全性和可生存性。控制方面的一個因 素涉及響應于風速、方向、葉片速度和定位的風力葉片偏轉。準確的風力葉片偏轉允許使用 具有較輕材料的較長風力葉片構造。
[0127] 圖5A示出了風力葉片的邊視圖，其示出了偏轉測量系統。圖5B示出了風力葉片的 前視圖，其示出了天線位置。參考圖5A，風力葉片502被示出為具有葉片旋轉軸504和轂旋轉 軸506。示例性的葉片偏轉測量系統被示出為包括具有接收天線的第一收發器508、具有接 收天線的第二接收器514、發射線纜524以及兩個發射天線510和516。線纜524可以典型地終 止于分配器(splitter)處，所述分配器將功率分配給兩個天線512和516。可替換地，切換器 可以用于在天線512和天線516之間替換。可替換地，在尖部516處可以存在一個天線，其向 根部處的兩側514和508都進行發射。前側（向風側)感測鏈路512包括前側發射天線510和前 側接收器508和接收天線。示出了視線感測路徑512。同樣，后側(背風側)感測鏈路被示出為 包括后側發射天線516和后側接收器514以及接收天線。在操作中，風520將壓力施加到前側 (向風側)并且使得葉片彎曲。當葉片彎曲時，葉片尖部沿著弧522移動，這引起傳播路徑512 的輕微延長以及傳播路徑518的減小。路徑距離方面的改變的靈敏度量可以用于基于葉片 502的結構彎曲模型來確定沿著路徑522的偏轉。前側天線508和后側天線514可以從弧522 的中心位移，以增加對于尖部516的運動的靈敏性。在一個變型中，三角測量可以用于確定 尖部定位或運動。在另外的變型中，沿著路徑512的延遲方面的改變可以與沿著路徑518的 延遲方面的改變相組合以根據彎曲模型或根據實驗來確定葉片的彎曲。
[0128] 圖5B示出了葉片的前側。葉片被示出為具有前側接收器508和前部天線。線纜524 可以被構建到葉片502中。在一個變型中，線纜可以集成到葉片的閃電保護系統中。例如，同 軸線纜的屏蔽也可以用作閃電保護導體。線纜的屏蔽可以連接到葉片的尖部526處的閃電 電極并且還通過轂506連接到葉片的根部528處的接地路徑。轂軸506垂直于圖的平面并且 由圓圈506指示。
[0129] 寬帶系統的另外的優點在于多徑的抑制中，例如來自塔的多徑反射。脈沖重復率 可以被保持得足夠低以允許來自塔結構的多徑的衰退，例如在接收后續脈沖之前大體上衰 退1 OdB。編碼和脈沖積分也可以用于減少多徑。
[0130] 圖6A示出了圖5A的示例性系統的框圖。參考圖6,系統包括單個發射器602和兩個 接收器508、514。發射器602和兩個接收器從單個時基而同步地操作。發射器602通過線纜 514向兩個發射天線510和516發射脈沖的序列。發射信號被相應的天線604和606以及接收 器508和514所接收。每個接收器處理延遲的返回以確定相應的距離。在一個變型中，發射信 號在時間上彼此位移，這通過如圖5A中所示的那樣沿著葉片使天線位移或者通過提供不同 長度的線纜。結果，相應的脈沖在時間上位移并且可以被相應的接收器所分離。例如，每個 接收器可以通過使用覆蓋針對相應發射天線的范圍的掃描窗口（圖2,224)而進行操作。掃 描窗口可以覆蓋非重疊的時間跨度。
[0131] 在另一變型中，兩個分離的發射器和相關聯的分離的接收器可以用于形成用于前 側和后側的鏈路。兩個系統可以是同步的，或者可以是非同步的。兩個鏈路可以通過使用不 同的碼、脈沖重復率、時分或超寬帶所使用的其它信道化技術來被分離。
[0132] 再次參考圖6A，從前部(高壓側接收器508)到后部(低壓側接收器514)的兩個距離 測量被饋送到控制計算機608,所述控制計算機608確定葉片偏轉并且然后確定必要的控 制。必要的控制然后被饋送到反饋處理器610,所述反饋處理器610驅動葉片伺服612以將葉 片旋轉到期望的迎角。葉片偏轉典型地是由于氣動力所引起的葉片的升程的函數。
[0133] 在一個變型中，葉片偏轉測量可以在一個葉片上進行并且相同渦輪機的所有葉片 可以基于一個葉片測量而被控制。可替換地，每個葉片可以具有獨立的葉片偏轉測量以及 相關聯的獨立控制。
[0134] 如所圖示的，進行前部和后部測量來確定葉片偏轉。可替換地，可以進行單個測量 (前部或后部)并且控制可以基于單個測量。
[0135] 圖6B描繪了如圖6A中所測量的升程相對于比較延遲的示例性函數。參考圖6A，點 616表示靜止的原點，即沒有風的情況下的靜止葉片。來自高壓側（向風側）的延遲和來自低 壓側（背風側）的延遲被比較。任何差異是將被減去以產生原點616處的零比較延遲的參考 延遲。當存在風時，高壓側彎曲以延長天線604和天線510之間的距離，這增加延遲。低壓側 彎曲以縮短天線606和天線516之間的距離，這減小延遲。因而，差異增加，生成圖6B的函數 614。注意到，可能沒有必要顯式地計算距離或距離方面的改變。函數可以被生成，其將定時 直接與葉片升程相關聯。葉片升程然后可以被輸入到控制計算機以如所期望的那樣調整葉 片迎角或調整葉片俯仰。
[0136] 制造過程中的線性致動器運動測量 在制造過程中頻繁地使用線性致動器。相關聯的位置傳感器通常是齒輪或馬達上的間 接讀取編碼器或其它傳感器。存在其中彎曲效應、大長度或幾何結構需要直接測量的場合。
[0137] 圖7圖示了耦合到線性致動器702的示例性的位置傳感器。位置傳感器包括發射器 414、接收器416和信號處理器418。發射信號通過柔性線纜104耦合到被布置在待測量的可 移動物品704上的發射天線106。位置然后可以被饋送到控制器706。發射信號可以被處理以 確定對于多徑雜波(參見圖2)耐抗的前沿并且可以提供在復雜和污染環境中的準確測量。
[0138] 穿墻式(室內）勘測測量 圖8圖示了示例性的室內勘測應用。圖8示出了具有墻、走廊806、房間804和門808的示 例性建筑物810。部署了示例性的系統。發射器414、接收器416和處理器418駐留在拐角房間 中。發射天線106由線纜104連接并且被承載到遠處的房間中。信號從發射天線106發射回到 接收器11〇、1〇6。在多徑干擾存在的情況下，直接穿過墻來測量距離108。可以根據與表示直 線信號路徑108的直接路徑信號分量有關的接收信號來確定前沿。結果然后可以被顯示802 給用戶。在光學上不透明的墻存在的情況下，系統可以勘測空間。
[0139] 鏟、拾取及安放機器人上的效應器定位 圖9圖示了被配置用于效應器定位的示例性位置傳感器。效應器可以例如是但不限于 制造機器人、建設起重機、拾取和安放機器人或其它效應器。圖8圖示了位于效應器904的根 部處或附近的收發器414 416,其在根部附近具有接收天線110。發射線纜104沿著效應器的 臂的結構延伸到效應器的端部906處的發射天線106。因而，距離108測量到效應器的端部。 實際上，可能期望的是將接收器安置在工件上或附近。還可以合期望的是使用多個接收器 或多個系統來提供多軸定位(未示出）。精確定位可以允許使用較輕的材料和較長的效應器 臂。較輕的結構可以導致較快的操作。
[0140]醫學裝置上的效應器的精確定位 圖10圖示了示例性的醫學應用。圖10示出了具有導管探測器的示例性患者。探測器包 括小型同軸線纜104和發射天線106。多個接收器416被示出為處理發射的信號以用于三維 位置信息。結果可以被顯示1002給用戶。技術可以用于導管和植入物的定位。
[0141]錘振動速度的多普勒測量 圖11圖示了示例性的動力錘操作。圖11示出了液壓臂架上的示例性的碎石機錘1104。 單個發射器天線106位于錘1104上并且三個接收器416被示出用于確定錘的三維位置。結果 可以用于錘1104的精細控制1102。快速并行掃描以及掃描與掃描相關性可以用于開發多普 勒速度信息。
[0142] 其中兩端都移動的差分距離測量，高爾夫球桿示例 圖12描繪了示例性的高爾夫球桿屈曲測量應用。感興趣的是測量擺動期間的高爾夫球 桿的彎曲。圖12示出了為了清楚而具有夸大的彎曲的高爾夫球桿1202連同打高爾夫球的人 (以虛線示出，指示打高爾夫球的人不是本發明的部分）。高爾夫球桿可以或可以不是本發 明的部分，這取決于權利要求或其它上下文。
[0143] 圖13更詳細地示出了圖12的高爾夫球桿測量系統。圖13示出了以彎曲配置和以直 線配置1203的高爾夫球桿1202。以虛線示出了替換的直線配置1203。高爾夫球桿安裝了發 射天線106和接收天線110,所述發射天線106通過固定長度的柔性線纜104而連接到發射器 414,所述接收天線110通過固定長度的柔性線纜112而連接到接收器416。線纜104可以延伸 通過高爾夫球桿以到達球桿的端部，在該處線纜連接到發射天線106。接收天線110安裝在 把手處并且通過線纜112連接到接收器。發射器414發射脈沖串并且接收器416接收脈沖串 并且鎖定到脈沖串上。從發射天線106到接收天線110的距離1302方面的小差異可以在追蹤 環路中被觀察到。
[0144 ]圖14描繪了針對圖12的應用的從把手到球桿的距離相對于時間的圖表。圖表14 0 2 描繪了在高爾夫球桿的一次擺動的時間間隔上的路程測量。隨著擺動開始并且球桿加速， 球桿軸彎曲。彎曲導致從球桿到把手的距離的縮短。作為時間的函數的距離可以相對于高 爾夫球桿的計算機模型而被分析以確定擺動期間在任何點處的彎曲的量。在擺動的開始期 間，球桿加速并且彎曲增加。在擺動中間處，球桿擊球，這引起輕微的球擊干擾1404。在擺動 的后面部分中，球桿減速并且返回到原始形狀。
[0145] 高爾夫球桿示例示出了用于當對象上的兩個點都相對于用戶參照系(高爾夫球桿 的參照系）處于運動中時測量這兩個點之間的可變距離的系統。該示例說明了對相對距離 以及因而對其中兩個端點都處于運動中的設備的屈曲的測量能力。其它這樣的設備可以包 括被集成在較大機械裝置中的單獨聯接。
[0146] 圖15描繪了隨時間的加速度的圖表(假定加速度計被用作球桿頭部中的輔助源）。 比較圖表1402和1502在該示例中示出了在距離和加速度之間的逆相關，因而改善了時間 1404和1504處的擊打力和效果的估計和表征。相關性信號或追蹤信號然后可以通過與用于 系統的校準測試有關而與距離方面的改變有關。相關性圖表1502示出了初始加速度、球擊 1504和減速度特征。
[0147] 另外的變型 圖16圖示了使用兩個發射天線和單個接收天線的示例性變型。參考圖16,收發器102通 過通信構件104向分配器1602發射信號，所述分配器1602將信號分開給第一天線1604和第 二天線1606。每個天線1604和1606將相應的信號發射到天線110,所述天線110將接收信號 耦合到收發器102的接收器部。如所示的，天線1604比天線1606更近。距離差異可以用于分 離接收器處的信號。收發器102可以使用預期的定時來分離相同頻帶中的兩個接收信號。例 如，掃描窗口可以形成以用于來自天線1604的信號的預期定時，并且信號然后可以處理以 用于天線1604。然后，掃描窗口可以被設置用于預期針對天線1606的附近的信號，然后信號 可以被處理以用于天線1606。可替換地，兩個接收器部可以被構造成并行處理兩個時間窗 □ 〇
[0148] 圖17圖示了使用被組合到單個線纜并且饋送到兩個發射天線的兩個收發器的示 例性的系統。參考圖17,收發器102和收發器1702具有分離的發射和接收端口。發射端口被 組合1704并且通過通信構件104發送到發射位置。兩個發射信號被分配1602并且饋送到兩 個發射天線1604和1606,每個天線被饋送這兩個信號。信號然后由接收天線110和1710接 收。接收天線110和1710可以彼此間隔開，并且發射天線1604和1606可以彼此間隔開。幾何 結構給出了發射-接收天線對的四個組合，其給出了能夠被測量的四個時間延遲和對應的 距離，即天線1604到天線110、天線1604到天線1710、天線1606到天線110、以及天線1606到 天線1710。因而，可以通過三角測量或通過包括幾何約束來組合四個長度以確定對象的運 動。
[0149] 監視多個天線和多個接收天線之間的時間延遲可以提供冗余并且還可以用于提 供波束的2維或3維的定位，這允許不僅監視彎曲而且還監視設備、例如風力葉片的扭曲。 [0150]圖18圖示了使用兩個接收天線和兩個發射天線的另外的示例性系統。參考圖18， 接收器1802從收發器102接收同步信號，以使得接收器1802能夠計算從發射天線1604和 1606的發射-接收延遲時間。因而，圖18的系統可以測量四個長度并且提供如關于圖17所描 述的益處。
[0151] 圖19圖示了使用兩個接收天線和兩個發射天線的另外的示例性系統。參考圖19， 雙輸入收發器1902可以包括在兩個天線110和1910之間進行切換的切換器。因而，圖19的系 統可以測量四個長度并且提供如關于圖17所描述的益處。
[0152] 在圖16直到圖19中，分配器1602可以是RF無源功率分配器，其將功率插入到兩個 天線中。可替換地，分配器可以是切換器，其按預定的調度來選擇一個天線(例如1604)以及 替換地選擇另一個天線（例如1606)，因而允許對于距每個發射天線的距離的獨立測量，盡 管距離可能彼此非常接近。切換器1602可以通過通信構件104而被控制，例如但不限于通信 構件104上的DC或脈沖信號。在沒有切換器的情況下，通過使用功率分配器，天線1604和 1606應當分離得對于從第一天線的多徑而言足夠遠以在來自第二天線1606的第二脈沖到 達之前衰退，從而避免干擾。
[0153] 圖20圖示了使用天線饋送反射來對系統延遲進行校準的示例性系統。參考圖20， 系統包括三輸入收發器2002。如在19中那樣，兩個輸入耦合到天線110和1910。第三輸入 2008耦合到環形器2006。收發器的發射輸出2004饋送到環形器2006并且然后耦合到鏈路 104,所述鏈路104饋送到兩個天線1604和1606。例如，來自天線1604的阻抗的輕微失配的反 射將會反射回到環形器并且出現在收發器2002的第三輸入2008處、反射接收器輸入2008。 第三輸入處的反射的定時可以用于針對系統內部延遲方面的改變而進行校正。例如，長度 方面的改變以及所得到的鏈路104的延遲將會導致第三輸入2008處的所接收反射的延遲方 面的雙改變。所述改變可以用于細化從天線1604和1606到天線110和1910的延遲的測量，這 通過例如從每個天線鏈路的所測量的延遲中減去所觀察到的反射延遲方面的改變的一半。
[0154] 結論 以上已經借助于功能構建塊而描述了本發明，所述功能構建塊圖示所指定的功能及其 關系的執行。這些功能構建塊的邊界在本文中被任意地限定以用于描述的便利。可以限定 替換邊界，只要所指定的功能及其關系被適當地實現。任何這樣的替換邊界因而在所要求 保護的本發明的范圍和精神內。本領域技術人員將認識到，這些功能構建塊可以由分立的 組件、專用集成電路、執行適當軟件的處理器等等或其任何組合來實現。
[0155] 雖然以上已經描述了本發明的各種實施例，但是應當理解的是，它們僅僅作為示 例而非限制地被呈現。因而，本發明的寬度和范圍不應當由任何以上描述的示例性實施例 限制，而是應當僅僅根據以下權利要求及其等同物來限定。
【主權項】
1. 一種路程監視系統，所述系統包括： 第一天線，其被配置成位于第一位置處； 第二天線，其被配置成位于第二位置處，第一天線將與第二天線間隔開； 以及收發器，所述收發器通過第一通信鏈路耦合到所述第一天線并且所述收發器通過 第二通信鏈路耦合到所述第二天線;所述第一通信鏈路被適配用于在存在相對于所述第二 位置的所述第一位置的相對運動的情況下維持已知或固定的時間延遲； 所述收發器被配置用于通過使用所述第一天線來對發射寬帶信號進行發射并且響應 于所述發射寬帶信號、通過使用所述第二天線來對接收寬帶信號進行接收，所述收發器被 配置成測量在所述發射寬帶信號和所述接收寬帶信號之間的第一時間差異，所述第一時間 差異指示所述路程。2. 根據權利要求1所述的路程監視系統，其中所述收發器包括基于相關性的掃描接收 器，所述基于相關性的掃描接收器被配置成確定接收寬帶信號的前沿，以確定所述第一時 間差異。3. 根據權利要求2所述的路程監視系統，其中所述收發器可操作成基于在所述發射寬 帶信號和所述接收寬帶信號之間的所述第一時間差異來計算在第一天線的所述第一位置 和第二天線的所述第二位置之間的第一路程。4. 根據權利要求3所述的路程監視系統，其中所述收發器可操作成計算在第一天線的 所述第一位置和第二天線的所述第二位置之間的參考路程，并且所述收發器可操作成計算 在所述參考路程和所述第一路程之間的路程差異。5. 根據權利要求1所述的路程監視系統，其中所述收發器包括電子裝置并且所述收發 器被配置成基于所述第一時間差異以及由于所述電子裝置所引起的已知延遲來計算經校 正的時間差異。6. 根據權利要求1所述的路程監視系統，其中所述收發器被配置成基于所述第一時間 差異以及由于所述第一通信鏈路所引起的已知延遲來計算經校正的時間差異。7. 根據權利要求1所述的路程監視系統，其中所述第一位置和所述第二位置通過柔性 構件來連接，所述第一路程響應于所述柔性構件的屈曲；并且其中所述系統被配置成在第 一天線和第二天線二者都能夠相對于所述收發器而運動時計算所述第一路程。8. 根據權利要求1所述的路程監視系統，其中所述發射寬帶信號包括啁嗽或掃描的正 弦波。9. 根據權利要求1所述的路程監視系統，其中所述收發器進一步包括至少一個附加接 收器以及連接到所述至少一個附加接收器的至少一個附加天線;所述至少一個附加接收器 接收所述發射信號并且計算第二時間差異和第二路程； 所述系統通過使用三邊測量來組合所述第一路程和所述第二路程以確定所述第一位 置的定位。10. 根據權利要求1所述的路程監視系統，進一步包括風電葉片；其中所述第一天線定 位在所述風電葉片的尖半部上并且所述第二天線定位在所述風電葉片的根半部上。11. 根據權利要求10所述的路程監視系統，進一步包括風電葉片控制器;其中所述風電 葉片控制器被配置成基于所述第一時間差異來控制所述風電葉片的俯仰或迎角。12. 根據權利要求1所述的路程監視系統，其中所述收發器被配置成確定從所述第一天 線到所述第二天線的信道沖擊響應，并且所述收發器被配置成基于所述信道沖擊響應來確 定所述第一時間差異。13. 根據權利要求12所述的路程監視系統，其中所述收發器被配置成基于所述信道沖 擊響應來確定前沿，并且所述收發器基于所述前沿來確定所述第一時間差異。14. 根據權利要求13所述的路程監視系統，其中所述收發器被配置成應用掃描接收器 掃描窗口來針對所述前沿的確定進行監視。15. 根據權利要求1所述的路程監視系統，進一步包括風力葉片結構，并且其中第一接 收器是沖擊寬帶接收器;其中脈沖重復率足夠低以允許從塔結構的多徑的衰退在接收到后 續脈沖之前衰退至少10dB。16. -種用于路程監視的方法，所述方法包括以下步驟： 在第一位置處提供第一天線； 在第二位置處提供第二天線，第一天線與第二天線間隔開； 提供通過第一通信鏈路耦合到所述第一天線的發射器； 提供通過第二通信鏈路耦合到所述第二天線的第一接收器;所述第一接收器與所述第 一發射器同步； 從第一天線發射信號并且通過第二天線接收信號以生成接收信號； 針對所述第一天線和所述第二天線的已知配置來確定所述信號的參考飛行時間； 針對所述第一天線和所述第二天線的未知配置來確定所述信號的第一飛行時間； 通過比較所述第一飛行時間和所述參考飛行時間來確定針對所述未知配置的所述信 號的飛行時間方面的第一改變；以及 基于從第一天線發射的所述信號的飛行時間的所述第一改變來計算在第一天線和第 二天線之間的第一路程改變。17. 根據權利要求16所述的方法，其中第一接收器包括基于相關性的掃描接收器，進一 步包括步驟:確定接收信號的前沿以確定所述第一飛行時間。18. 根據權利要求17所述的用于路程監視的方法，其中第一接收器被配置成應用掃描 接收器掃描窗口以用于所述前沿的所述確定。19. 根據權利要求16所述的用于路程監視的方法，進一步包括連接在所述第一位置和 所述第二位置之間的柔性構件，所述第一飛行時間響應于所述柔性構件的屈曲；進一步包 括以下步驟:相對于所述第一接收器而移動第一天線和第二天線。20. 根據權利要求19所述的用于路程監視的方法，進一步包括第二接收器和連接到所 述第二接收器的第三天線;所述第三天線響應于所述發射信號而生成第二接收信號;所述 第二接收器基于所述第二接收信號來計算第二飛行時間；并且所述第二接收器通過比較所 述第二飛行時間與第二參考飛行時間來計算第二路程改變;所述方法進一步包括以下步 驟： 通過使用三邊測量來組合所述第一路程改變和所述第二路程改變，以確定所述第一天 線的定位的改變。21. 根據權利要求20所述的用于路程監視的方法，進一步包括風電葉片，所述風電葉片 具有在所述風電葉片的尖半部上的所述第一天線并且具有在所述風電葉片的根半部上的 所述第二天線；并且定位的改變是與所述第二天線的定位相比的所述第一天線的相對定 位。22. 根據權利要求21所述的用于路程監視的方法，進一步包括以下步驟:基于所述第一 天線的所述相對定位來控制風電葉片的俯仰或迎角。23. -種用于控制風電葉片的升程傳感器，包括： 第一天線，其被布置在所述風電葉片上的第一位置處； 第二天線，其被布置在所述風電葉片上的第二位置處，所述第二位置沿著所述風電葉 片縱向間隔開； 收發器，其通過第一通信鏈路耦合到所述第一天線以用于對發射信號進行發射； 所述收發器被配置成響應于所述發射寬帶信號而對接收寬帶信號進行接收； 所述收發器被配置成相對于所述發射寬帶信號而確定所述接收寬帶信號的到達時間； 所述收發器被配置成基于所述到達時間來計算升程值。24. 根據權利要求23所述的升程傳感器，其中所述收發器被配置用于 測量沿著所述第一通信鏈路回到所述收發器的反射的反射到達時間； 所述收發器進一步被配置用于比較所述反射到達時間與針對所述反射的參考反射到 達時間以得出校正時間；以及 所述收發器進一步被配置用于基于所述校正時間來校正所述到達時間。25. 根據權利要求24所述的升程傳感器，其中所述收發器包括反射接收器并且所述反 射從所述第一通信鏈路通過環形器而耦合到所述反射接收器以用于確定所述反射到達時 間。26. 根據權利要求25所述的升程傳感器，其中第一接收器包括基于相關性的掃描接收 器，所述第一接收器被配置用于確定接收寬帶信號的前沿以確定所述到達時間。27. -種用于感測針對風力渦輪機葉片的升程值的方法，包括： 測量針對在一對天線之間傳輸的信號的飛行時間，所述天線對中的至少一個天線被布 置在所述風力渦輪機葉片的尖半部上，所述飛行時間響應于由于氣動負載而引起的所述風 力渦輪機葉片的彎曲；以及 基于所述飛行時間來確定所述升程值。28. 根據權利要求27所述的方法，其中所述確定步驟包括： 比較所述飛行時間與預定的參考飛行時間以生成比較值并且基于所述比較值而確定 所述升程值。29. 根據權利要求27所述的方法，其中所述天線對中的至少一個天線被布置成朝向所 述風力渦輪機葉片的低壓側。30. 根據權利要求27所述的方法，其中第一接收器包括基于相關性的掃描接收器，進一 步包括以下步驟:確定接收信號的前沿以確定所述飛行時間。31. 根據權利要求30所述的用于路程監視的方法，其中第一接收器被配置成應用掃描 接收器掃描窗口以用于所述前沿的所述確定。32. 根據權利要求31所述的用于路程監視的方法，其中所述發射信號包括超寬帶信號。
【文檔編號】B64C11/30GK105873822SQ201480060600
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2014年9月6日
【發明人】B.S.杜貝里, G.F.彼得森, P.C.F.埃格斯
【申請人】Tdc收購控股公司