[發(fā)明專利]基于聲波相位的測距方法、測距系統(tǒng)及三維空間定位系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810361878.6
• 申請日: 2018-04-20
• 公開（公告）號: CN110389343B
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉洋;張武雄;房衛(wèi)東;郜偉偉;楊旸
• 申請（專利權(quán)）人: 上海無線通信研究中心;福州物聯(lián)網(wǎng)開放實驗室有限公司
• 主分類號: G01S15/08
• 分類號: G01S15/08
• 代理公司: 北京汲智翼成知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11381
• 代理人: 陳曦;董燁飛

本發(fā)明公開了一種基于聲波相位的測距方法、測距系統(tǒng)及三維空間定位系統(tǒng)。該測距方法中，首先在移動設(shè)備與聲源之間實現(xiàn)聲波的相位同步；然后測量移動設(shè)備與聲源之間的聲波相位差，獲得兩者之間的距離。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有測量精度高、測距范圍大等優(yōu)點，能夠在存在多徑干擾的情況下，計算相位在移動過程中的卷繞次數(shù)和接收端接收到的當前相位和初始相位之差，實現(xiàn)高精度的距離測量，在無線通信、虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實以及無人機等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于聲波相位的測距方法，同時涉及一種基于聲波相位的測距系統(tǒng)，還涉及一種基于該測距方法實現(xiàn)的三維空間定位系統(tǒng)，屬于無線定位技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

無線定位技術(shù)根據(jù)定位方式的不同，可以分為基于測距和無需測距兩種方法。基于測距的方法主要是通過測量節(jié)點之間的距離或者角度，使用三邊測量法、三角測量法或最大似然法等定位算法來估算未知節(jié)點的位置；無需測距的方法主要利用空間幾何關(guān)系或者網(wǎng)絡(luò)多跳路由來完成定位，例如質(zhì)心算法、凸規(guī)劃算法等。

現(xiàn)有基于移動設(shè)備(包括但不限于智能手機、智能手表、個人電腦等)的測距技術(shù)主要可以分為三類：第一類是基于Wi-Fi信號的測距，例如基于Wi-Fi信號的信號強度進行測距，或者基于Wi-Fi信號的信道狀態(tài)信息(Channel?State?Information)進行測距等；第二類是基于聲波的反射波進行測距，即首先計算發(fā)射信號與目標物體的反射信號的時間差或者相位差，然后計算目標物體的距離；第三類是基于聲波的多普勒效應(yīng)進行測距，即利用聲源發(fā)送頻率變化的聲波，接收端通過計算每個聲源的多普勒效應(yīng)，并結(jié)合接收端內(nèi)部的傳感器，判斷接收端的移動方向和距離。

上述的各類測距技術(shù)都存在一定的局限性。例如，基于多普勒效應(yīng)的測距技術(shù)受到多普勒效應(yīng)的分辨率的影響，只有速度較快的移動才能被識別，因此測量的精度有限，并且聲源發(fā)送頻率變化的聲波，容易產(chǎn)生噪聲。又如，在基于聲波的反射波的測距技術(shù)中，由于受到音頻采集模塊的采樣頻率限制，精確度較低，同時受到音頻采集模塊的功率限制與多徑反射噪聲的影響，測距范圍也不能滿足用戶多元化的需求。另外，基于相位同步原理的測距技術(shù)要求接收端對發(fā)射端有反饋信號，以便構(gòu)成穩(wěn)定的閉環(huán)鏈路。然而在生活中，常用的移動設(shè)備，例如智能手機，與聲源之間并不存在某種反饋。這使得基于相位同步原理的測距技術(shù)不能直接應(yīng)用在使用移動設(shè)備進行測距的場景中。

Mao?W,He?J,Qiu?L等在論文《CAT:high-precision?acoustic?motion?tracking》(發(fā)表于International?Conference?on?Mobile?Computing?and?NETWORKING.ACM,2016:69-81.)中，提出了利用揚聲器陣列實現(xiàn)手機位置測量的技術(shù)方案。該論文中利用多普勒效應(yīng)，接收手機的內(nèi)部傳感器，實現(xiàn)智能手機與揚聲器之間位置的相位測量。但是，該論文只是將手機與音響之間進行了粗同步，并且多普勒的分辨率較低，精度受到了明顯限制。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明所要解決的首要技術(shù)問題在于提供一種基于聲波相位的測距方法。

本發(fā)明所要解決的另一技術(shù)問題在于提供一種基于聲波相位的測距系統(tǒng)。

本發(fā)明所要解決的又一技術(shù)問題在于提供一種基于上述測距方法實現(xiàn)的三維空間定位系統(tǒng)。

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用下述的技術(shù)方案：

根據(jù)本發(fā)明實施例的第一方面，提供一種基于聲波相位的測距方法，包括如下步驟：

⑴在移動設(shè)備與聲源之間實現(xiàn)聲波的相位同步；

⑵測量所述移動設(shè)備與所述聲源之間的聲波相位差，獲得兩者之間的距離。

其中較優(yōu)地，所述步驟⑴中，利用信號傳輸線直接連接移動設(shè)備與聲源，實現(xiàn)所述移動設(shè)備與所述聲源之間的相位同步。