一种用于地下线缆探测的低频无源RFID定位方法及设备技术

本发明专利技术属于定位相关技术领域，其公开了一种用于地下线缆探测的低频无源RFID定位方法及设备，包括以下步骤：(1)采用RFID读写器的电磁波能量对低频无源RFID标签进行供电，根据RFID读写器和RFID标签间的电感耦合等效电路推导RFID标签工作所需的最小感应电压，以构建RFID标签工作所需要的RFID读写器天线最小工作电流与标签深度之间的定量映射关系，进而得到基于工作电流的测距模型；(2)在土壤介质中测得测距模型参数估计所需的数据，采用高斯

【技术实现步骤摘要】
一种用于地下线缆探测的低频无源RFID定位方法及设备


[0001]本专利技术属于定位相关
，更具体地，涉及一种用于地下线缆探测的低频无源RFID定位方法及设备。

技术介绍

[0002]目前，现代化城市电网建设离不开电力线缆的应用，其可靠性高、节约空间、美化城市等优点让缆化率越来越高，同时成本的降低也大大提高了电力线缆在城市配网系统中的使用率，城市供电方式逐渐从架空线路转向电力线缆地埋铺设。作为电力系统最重要的基础设施，地下线缆愈发成为保障城市正常运转的生命线。由于地下线缆本身的较高隐蔽性，线缆通道图纸资料的遗失，以及更新不及时等问题，线缆路径寻踪给配网运维带来较大困难，因此迫切需要一种地下线缆定位技术。
[0003]由于受地层地基的影响，常见的金属探测设备难以实现地下线缆的精确定位。通过电子标签对线缆进行无线标识的RFID(Radio Frequency Identification)有望为地下线缆的快速、准确、方便探测提供一种全新的途径，如CN202110098873.0，其利用地面RFID读写器与地埋RFID标签之间的射频通信获取线缆的类型、历史维护记录等信息，能够有效克服传统金属探测设备受地质等条件影响的局限性，但仍然存在无法精确获得地下线缆深度信息的问题。超高频RFID定位技术现已得到了广泛的研究和应用，但超高频以及微波频率的RFID信号穿透能力太弱，无法应用于地下环境的定位中。对于适用于地下环境的无源低频RFID技术，其可用的定位信息主要是接收信号强度(RSSI)，然而RSSI值对环境干扰较为敏感，精度也很难得到进一步提升，将其应用于近场地下无源RFID定位会存在定位精度不高的问题。
[0004]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0005](1)受地层地基的影响，常见的金属探测设备难以实现地下线缆的精确定位；
[0006](2)现有的地下RFID标识方法存在无法精确获得地下线缆深度信息的问题；
[0007](3)无源低频RFID技术，其可用的定位信息主要是接收信号强度(RSSI)，然而RSSI值对环境干扰较为敏感，精度也很难得到进一步提升，将其应用于近场地下无源RFID定位会存在定位精度不高的问题。

技术实现思路

[0008]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种用于地下线缆探测的低频无源RFID定位方法及设备，其是一种有效的地下线缆精确定位模型，结构简单，成本低廉，部署方便，能够实现实时定位，可在大多数介质环境中提供精确定位服务。
[0009]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种用于地下线缆探测的低频无源RFID定位方法，该方法主要包括以下步骤：
[0010](1)采用RFID读写器的电磁波能量对低频无源RFID标签进行供电，根据RFID读写器和RFID标签间的电感耦合等效电路推导RFID标签工作所需的最小感应电压V
actmin
，以构
建RFID标签工作所需要的RFID读写器天线最小工作电流与标签深度之间的定量映射关系，进而得到基于工作电流的测距模型；所述测距模型的表达式为：
[0011][0012]式中，N为标签线圈的匝数，r为标签线圈的半径，f为地下RFID系统工作频率，μ为真空磁导率，ε
s
为信号穿过介质的相对介电常数，c为真空中的光速，R为读写器天线半径，读写器天线最小工作电流I
min
和标签深度Z视为变量；
[0013](2)在土壤介质中测得测距模型参数估计所需的数据，采用高斯
‑
牛顿法对得到的数据进行处理以估计得到所述测距模型的最小工作电流的最优解，进而将估计得到的最小工作电流的最优解输入到所述测距模型，以计算得到RFID标签深度，实现地下线缆的低频无源RFID定位。
[0014]进一步地，当所述标签接收到信号时所产生的感应电压V
act
达到一个阈值V
min
后，标签才被激活并返回信息给读写器；标签工作所需要的最小感应电压V
actmin
≈V
min
。
[0015]进一步地，对于给定的天线，若改变读写器天线和标签天线之间的距离Z，激活RFID标签所需的读写器天线的最小电流I
min
也应随之改变。
[0016]进一步地，在土壤介质中选取不同的距离，测量标签信号临近消失时读写器天线的最小工作电流，测得M组实验数据；然后，采用基于高斯模型的离群点剔除法筛选出数据，并利用统计均值模型对筛选的数据进行修正；最后，利用高斯
‑
牛顿法得到所述测距模型参数的最优解。
[0017]进一步地，首先，实验数据经过预处理后还有m组数据，那么这m组数据的残差为r
i
＝Z
i
‑
Z(I
imin
；V
actmin
；ε
s
)，则目标函数为：
[0018][0019]其中，i∈[1,m]；
[0020]之后，将计算取得的参数的平均值作为所述高斯
‑
牛顿法迭代的待估计系数集V(I
imin
；V
actmin
；ε
s
)的初始值V
(0)
(I
imin(0)
；V
actmin(0)
；ε
s(0)
)；
[0021]接着，非线性回归模型线性化得到：
[0022]Z(I
imin
；V
actmin
；ε
s
)＝Z(I
imin(0)
；V
actmin(0)
；ε
s(0)
)+J(I
imin(0)
；V
actmin(0)
；ε
s(0)
)
V＝V(0)
(V
‑
V
(0)
)
[0023]接着，用最小平方法来对H
(k)
进行估计修正，则ΔV
(k)
＝(J
(k)T
J
(k)
)
‑1J
(k)T
L
i(k)
，设V(0)为第一个迭代值，那么V
(k+1)
＝V
(k)
+ΔV
(k)
；
[0024]之后，当迭代次数达到m次时，修正因子为ΔV
(m)
＝(J
(m)T
J
(m)
)
‑1J
(m)T
L
i(m)
；当ΔV
(m)
<ε时停止重复迭代，否则继续更新；第(m+1)次迭代值为V
(m+1)
＝V
(m)
+ΔV
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于地下线缆探测的低频无源RFID定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)采用RFID读写器的电磁波能量对低频无源RFID标签进行供电，根据RFID读写器和RFID标签间的电感耦合等效电路推导RFID标签工作所需的最小感应电压V
actmin
，以构建RFID标签工作所需要的RFID读写器天线最小工作电流与标签深度之间的定量映射关系，进而得到基于工作电流的测距模型；所述测距模型的表达式为：式中，N为标签线圈的匝数，r为标签线圈的半径，f为地下RFID系统工作频率，μ为真空磁导率，ε
s
为信号穿过介质的相对介电常数，c为真空中的光速，R为读写器天线半径，读写器天线最小工作电流I
min
和标签深度Z视为变量；(2)在土壤介质中测得测距模型参数估计所需的数据，采用高斯
‑
牛顿法对得到的数据进行处理以估计得到所述测距模型的最小工作电流的最优解，进而将估计得到的最小工作电流的最优解输入到所述测距模型，以计算得到RFID标签深度，实现地下线缆的低频无源RFID定位。2.如权利要求1所述的用于地下线缆探测的低频无源RFID定位方法，其特征在于：当所述标签接收到信号时所产生的感应电压V
act
达到一个阈值V
min
后，标签才被激活并返回信息给读写器；标签工作所需要的最小感应电压V
actmin
≈V
min
。3.如权利要求1所述的用于地下线缆探测的低频无源RFID定位方法，其特征在于：对于给定的天线，若改变读写器天线和标签天线之间的距离Z，激活RFID标签所需的读写器天线的最小电流I
min
也应随之改变。4.如权利要求1所述的用于地下线缆探测的低频无源RFID定位方法，其特征在于：在土壤介质中选取不同的距离，测量标签信号临近消失时读写器天线的最小工作电流，测得M组实验数据；然后，采用基于高斯模型的离群点剔除法筛选出数据，并利用统计均值模型对筛选的数据进行修正；最后，利用高斯
‑
牛顿法得到所述测距模型参数的最优解。5.如权利要求4所述的用于地下线缆探测的低频无源RFID定位方法，其特征在于：首先，实验数据经过预处理后还有m组数据，那么这m组数据的残差为r
i
＝Z
i
‑
Z(I
imin
；V
actmin
；ε
s
)，则目标函数为：其中，i∈[1,m]；之后，将计算取得的参数的平均值作为所述高斯
‑
牛顿法迭代的待估计系数集V(I
imin
；V
actmin

【专利技术属性】
技术研发人员：卢仰泽，柯姗姗，武翀，朱钦淼，梁继涵，朱晓辉，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：