防盗标签技术还能用于精确测距？

RFID 技术被广泛应用于商店防盗等方面，康奈尔大学研究人员在此基础上开发出超高分辨率无线电测距技术，可用于对建筑物结构进行精确测量，或改善机器人的感知和定位功能。

借助这样的射频识别标签，康奈尔大学研究人员能够精确测量不到一根头发丝宽度的距离。图片由回晓楠提供。

来源 Cornell Chronicle

撰文 Matt Hayes

翻译 贾晓璇

审校 戚译引

是不是有什么东西移动了，哪怕只有一根头发粗细的距离？康奈尔大学（Cornell University）的工程师们开发出了一种简单可靠的测量方法。

研究人员发明了一种射频识别（radio frequency identification ，RFID）系统，可以在室内环境中以每秒 1000 次以上的采样速度进行测量，分辨率可达 50 微米，这个距离约是人类头发宽度的三分之二。在水中，同样的采样率能实现分辨率 5 微米的测量。这样的分辨率相较上一代超高频无线电测量（UHF radio measuring）提高了至少 200 倍，有望在多种设备中实现应用，例如监控建筑物和桥梁结构完整性的安全系统，和超高精度的机械反馈控制系统。

康奈尔大学电气与计算机工程系教授甘致群（Edwin Kan）表示：“目前的超高频无线电测量法仅能完成分辨率在 1 厘米及以上的测量，不能满足触摸机器人等先进技术的需求，而我们的方法提供了超出先前想象的分辨精度。”

甘致群任资深作者的论文“使用谐波射频识别系统进行超高分辨率无线电测距”（Radio Ranging with Ultra-High Resolution Using a Harmonic Radio-Frequency Identification System）于 3 月 15 日发表在《自然-电子学》杂志（Nature Electronics）上，论文第一作者是博士生回晓楠（Xiaonan Hui）。

超高频射频识别技术已广泛应用于商业场合，包括监控商店中的商品、维护自行车共享程序等方方面面。但目前这项技术还面临着许多限制，影响了它在小尺度范围内的实用性和可靠性。

此前，针对精准测距的研究多集中在提高信号频率。但是极高的信号频率，比如防撞雷达系统中 60 GHz 以上的频率，对于室内环境或建筑结构来说并不理想，因为结构内存在过多阻碍信号传播的表面。

康奈尔大学的工程师使用谐波系统解决了这个问题。这个系统可以发出频率约 1 GHz 的信号，这一无害频率已经在许多家用设备中得到应用。无源传感器标签不需要电源，可作为标记嵌入结构中，然后以两倍的频率返回信号，消除困扰传统射频识别系统的干扰和噪声问题。

该系统在 300 MHz 至 3 GHz 的超高频频段运行，可应用于室内环境中，信号能够无害地穿透墙壁、建筑材料、活组织甚至水，且信号损失在可承受范围。

甘致群表示，通过监控建筑物的结构完整性，该技术可用于保护建筑物和其生命期；它也可以应用于家庭日常生活中，达到安全监控等其他目的。

回晓楠表示：“在成本相当的前提下，我们的方法达到的分辨率和准确度远远优于其他许多方法。这些传感器可以探测各种尺寸的物体，并精确定位它们在空间中的位置。随着越来越多的日常用品通过‘物联网’相互连接，精准定位变得至关重要。这种方法为上述定位提供了可能。”

研究人员称，新系统将大大改善机器人感知及触摸物体的方式。改善定位功能后，机器人能够更准确地测量其所处环境，感知自身部件的确切位置。

目前，由于定位技术的分辨率在一厘米及以上，机器人在与物体交互时常常显得笨拙。依赖光学视觉的机器人受到和人类一样的限制：许多表面可见光是穿透不了的。并且，可见光并不能像射频识别一样自然地为机器人提供量身定制的标记路线。

回晓楠说：“如今能使用的定位方法非常有限，如果你想对什么东西进行高精度测量，就得接受昂贵的价格。我们终于改变了这一点。”

该研究由美国能源部（the U.S. Department of Energy）资助。

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论文信息

【标题】Radio ranging with ultrahigh resolution using a harmonic radio-frequency identification system

【作者】Xiaonan Hui &Edwin C. Kan

【期刊】Nature Electronics, volume 2, pages125–131(2019)

【时间】15 March 2019

【DOI】s41928-019-0219-0

【摘要】The accurate sensing of the location of specific objects in an indoor setting is critical for applications including robotic feedback control and non-intrusive structural integrity monitoring. Current optical and ultrasound approaches often suffer from insufficient accuracy, obstruction by other objects, and ambiguous identification. Alternatively, conventional radar-like radio-frequency (RF) methods can suffer from problems such as multipath ambiguity, small time of flight, and limited item recognition. Attachment of a passive RF identification (RFID) tag can provide a unique marker by modulating the backscattering signal, but current systems struggle with high interference and noise, and thus have poor ranging accuracy. Here we show that a 1 GHz harmonic RFID system can provide a ranging resolution of less than 50 micrometres with a sampling rate of greater than 1 kHz. The fundamental limits on ranging precision in our system are traced to the phase noise of the RF source and the aperture jitter of the data converter. The small passive tag required for the approach can be embedded in indoor or underwater objects, as well as within building structures.

【链接】https://www.nature.com/articles/s41928-019-0219-0