一种被测物体的状态参数确定方法和系统与流程

本发明属于声波测量技术领域，特别是一种被测物体的状态参数确定方法和系统。

背景技术：

目前，主要用于定位的系统有电磁波定位系统、声波定位系统、光线定位系统等。

电磁波定位系统(gps、蓝牙、wifi等)不够精准，尤其在环境复杂的地方或者是电磁波无法覆盖的地方，几乎无法定位。

由于脉冲声波定位精度低，抗干扰能力弱，又由于多普勒效应，声波定位的定位精度也不高。

技术实现要素：

本发明实施方式提出一种被测物体的状态参数确定方法和系统。

本发明的技术方案如下：

一种被测物体的状态参数确定方法，该方法包括：

在声波发射端产生声波信号，将声波信号和扩频伪随机码进行乘积以得到声波测距信号，发出声波测距信号，并且提取声波发射端的声波特征参数；

在声波接收端捕获声波测距信号，提取声波接收端的声波特征参数；

基于声波发射端的声波特征参数和声波接收端的声波特征参数检测被测物体的状态参数。

在一个实施方式中，所述声波发射端和所述声波接收端位于同一设备以共同构成单端系统；或

所述声波发射端和所述声波接收端位于不同设备以共同构成双端系统。

在一个实施方式中，所述伪随机码为m序列或基于m序列衍生出的伪随机序列；或，

所述伪随机码基于下列方式获取：

设置长度为(2ⁿ－1)的m序列，其中n为正整数；

将长度为(2ⁿ－1)的m序列扩展为长度为2ⁿ的m序列；

基于长度为2ⁿ的m序列生成m序列，m＝fft(1－2m)，其中fft为快速傅里叶变换函数；

基于m序列生成一个长度为2ⁿ的m’序列，其中：

其中k是点数编号；abs是取绝对值函数；

对所述长度为2ⁿ的m’序列执行逆快速傅里叶变换以生成m’序列，作为所述伪随机码。

在一个实施方式中，该方法还包括：

通过上采样或下采样将在声波接收端捕获的声波测距信号的长度转换为与在声波发射端发出的声波测距信号的长度相同；

基于在声波发射端发出的声波测距信号与所述长度转换后的声波测距信号执行互相关运算以得到互相关序列；

在互相关序列中寻找最大相关值点所对应的位置；

基于最大相关值点所对应的位置、声波发射端的声波特征参数和声波接收端的声波特征参数，计算声波延迟时间。

在一个实施方式中，所述状态参数包括被测物体与声波发射端之间的距离；

当声波发射端与声波接收端位于同一设备中时，计算被测物体与声波发射端之间的距离l，其中l＝c*δt/2，δt为所述声波延迟时间，c为声波在空气中的传播速度；

当声波发射端与声波接收端位于不同设备中时，计算被测物体与声波发射端之间的距离，其中l＝c*δt，δt为所述声波延迟时间，c为声波在空气中的传播速度。

在一个实施方式中，所述状态参数还包括被测物体的坐标和被测物体运动速度；

所述声波发送端有三个且所有声波发送端与声波接收端都保持时钟同步，第一个声波发送端与被测物体之间的距离为l1，第二个声波发送端与被测物体之间的距离为l2，第三个声波发送端与被测物体之间的距离为l3，第一个声波发送端的坐标为(x1，y1，z1)，第二个声波发送端的坐标为(x2，y2，z2)，第三个声波发送端的坐标为(x3，y3，z3)，c为声波在空气中的传播速度；该方法包括：

基于下列方程组确定被测物体的坐标(x，y，z)和被测物体运动速度v；

其中tt为所述声波发射端的声波特征参数，tr为所述声波接收端的声波特征参数。

在一个实施方式中，所述状态参数还包括被测物体的坐标、被测物体运动速度和被测物体的环境温度；

所述声波发送端有四个且所有声波发送端与声波接收端都保持时钟同步，第一个声波发送端与被测物体之间的距离为l1，第二个声波发送端与被测物体之间的距离为l2，第三个声波发送端与被测物体之间的距离为l3，第四个声波发送端与被测物体之间的距离为l4，第一个声波发送端的坐标为(x1，y1，z1)，第二个声波发送端的坐标为(x2，y2，z2)，第三个声波发送端的坐标为(x3，y3，z3)，第四个声波发送端的坐标为(x4，y4，z4)，c为声波在空气中的传播速度；

该方法包括：

基于下列方程组确定被测物体的坐标(x，y，z)、被测物体运动速度v和被测物体的环境温度t：

其中tt为所述声波发射端的声波特征参数，tr为所述声波接收端的声波特征参数；c0为温度为零度时的声波速度。

在一个实施方式中，所述状态参数还包括被测物体的坐标和被测物体运动速度；

所述声波发送端有四个且不是所有声波发送端与声波接收端都保持时钟同步，第一个声波发送端与被测物体之间的距离为l1，第二个声波发送端与被测物体之间的距离为l2，第三个声波发送端与被测物体之间的距离为l3，第四个声波发送端与被测物体之间的距离为l4，第一个声波发送端的坐标为(x1，y1，z1)，第二个声波发送端的坐标为(x2，y2，z2)，第三个声波发送端的坐标为(x3，y3，z3)，第四个声波发送端的坐标为(x4，y4，z4)，c为声波在空气中的传播速度；

该方法包括：

基于下列方程组确定被测物体的坐标(x，y，z)和被测物体运动速度v：

其中tt为所述声波发射端的声波特征参数，tr为所述声波接收端的声波特征参数；r0为不时钟同步所导致的距离误差。

在一个实施方式中，所述状态参数还包括被测物体的坐标、被测物体运动速度和被测物体的环境温度；

所述声波发送端有五个且不是所有声波发送端与声波接收端都保持时钟同步，第一个声波发送端与被测物体之间的距离为l1，第二个声波发送端与被测物体之间的距离为l2，第三个声波发送端与被测物体之间的距离为l3，第四个声波发送端与被测物体之间的距离为l4，第五个声波发送端与被测物体之间的距离为l5，第一个声波发送端的坐标为(x1，y1，z1)，第二个声波发送端的坐标为(x2，y2，z2)，第三个声波发送端的坐标为(x3，y3，z3)，第四个声波发送端的坐标为(x4，y4，z4)，第五个声波发送端的坐标为(x5，y5，z5)，c为声波在空气中的传播速度；

该方法包括：

基于下列方程组确定被测物体的坐标(x，y，z)、被测物体运动速度v和被测物体的环境温度t：

其中tt为所述声波发射端的声波特征参数，tr为所述声波接收端的声波特征参数；r0为不时钟同步所导致的距离误差；c0为温度为零度时的声波速度。

一种被测物体的状态参数确定系统，包括：

声波发射端，用于产生声波信号，将声波信号和扩频伪随机码进行乘积以得到声波测距信号，发出声波测距信号，并且提取声波发射端的声波特征参数；

声波接收端，用于捕获声波测距信号，提取声波接收端的声波特征参数；

计算单元，用于基于声波发射端的声波特征参数和声波接收端的声波特征参数检测被测物体的状态参数。

在一个实施方式中，所述声波发射端和所述声波接收端位于同一设备以共同构成单端系统；或

所述声波发射端和所述声波接收端位于不同设备以共同构成双端系统。

在一个实施方式中，所述伪随机码为m序列或基于m序列衍生出的伪随机序列；或，

所述伪随机码基于下列方式获取：

设置长度为(2ⁿ－1)的m序列，其中n为正整数；

将长度为(2ⁿ－1)的m序列扩展为长度为2ⁿ的m序列；

基于长度为2ⁿ的m序列生成m序列，m＝fft(1－2m)，其中fft为快速傅里叶变换函数；

基于m序列生成一个长度为2ⁿ的m’序列，其中：

其中k是点数编号；

对所述长度为2ⁿ的m’序列执行逆快速傅里叶变换以生成m’序列，作为所述伪随机码。

在一个实施方式中，计算单元，还用于通过上采样或下采样将在声波接收端捕获的声波测距信号的长度转换为与在声波发射端发出的声波测距信号的长度相同；基于在声波发射端发出的声波测距信号与所述长度转换后的声波测距信号执行互相关运算以得到互相关序列；在互相关序列中寻找最大相关值点所对应的位置；基于最大相关值点所对应的位置、声波发射端的声波特征参数和声波接收端的声波特征参数，计算声波延迟时间。

在一个实施方式中，所述状态参数包括被测物体与声波发射端之间的距离、被测物体的坐标、被测物体运动速度与被测物体的环境温度中的至少一个；

计算单元，还用于当声波发射端与声波接收端位于同一设备中时，计算被测物体与声波发射端之间的距离l，其中l＝c*δt/2，δt为所述声波延迟时间，c为声波在空气中的传播速度；

当声波发射端与声波接收端位于不同设备中时，计算被测物体与声波发射端之间的距离，其中l＝c*δt，δt为所述声波延迟时间，c为声波在空气中的传播速度。

在一个实施方式中，所述声波发送端有三个且所有声波发送端与声波接收端都保持时钟同步，第一个声波发送端与被测物体之间的距离为l1，第二个声波发送端与被测物体之间的距离为l2，第三个声波发送端与被测物体之间的距离为l3，第一个声波发送端的坐标为(x1，y1，z1)，第二个声波发送端的坐标为(x2，y2，z2)，第三个声波发送端的坐标为(x3，y3，z3)，c为声波在空气中的传播速度；计算单元，用于基于下列方程组确定被测物体的坐标(x，y，z)和被测物体运动速度v；

其中tt为所述声波发射端的声波特征参数，tr为所述声波接收端的声波特征参数；

或

所述声波发送端有四个且所有声波发送端与声波接收端都保持时钟同步，第一个声波发送端与被测物体之间的距离为l1，第二个声波发送端与被测物体之间的距离为l2，第三个声波发送端与被测物体之间的距离为l3，第四个声波发送端与被测物体之间的距离为l4，第一个声波发送端的坐标为(x1，y1，z1)，第二个声波发送端的坐标为(x2，y2，z2)，第三个声波发送端的坐标为(x3，y3，z3)，第四个声波发送端的坐标为(x4，y4，z4)，c为声波在空气中的传播速度；计算单元，用于基于下列方程组确定被测物体的坐标(x，y，z)，被测物体运动速度v和被测物体的环境温度t：

其中tt为所述声波发射端的声波特征参数，tr为所述声波接收端的声波特征参数；c0为温度为零度时的声波速度；

或

所述声波发送端有四个且不是所有声波发送端与声波接收端都保持时钟同步，第一个声波发送端与被测物体之间的距离为l1，第二个声波发送端与被测物体之间的距离为l2，第三个声波发送端与被测物体之间的距离为l3，第四个声波发送端与被测物体之间的距离为l4，第一个声波发送端的坐标为(x1，y1，z1)，第二个声波发送端的坐标为(x2，y2，z2)，第三个声波发送端的坐标为(x3，y3，z3)，第四个声波发送端的坐标为(x4，y4，z4)，c为声波在空气中的传播速度；计算单元，用于基于下列方程组确定被测物体的坐标(x，y，z)和被测物体运动速度v：

其中tt为所述声波发射端的声波特征参数，tr为所述声波接收端的声波特征参数；r0为不时钟同步所导致的距离误差；或

所述声波发送端有五个且不是所有声波发送端与声波接收端都保持时钟同步，第一个声波发送端与被测物体之间的距离为l1，第二个声波发送端与被测物体之间的距离为l2，第三个声波发送端与被测物体之间的距离为l3，第四个声波发送端与被测物体之间的距离为l4，第五个声波发送端与被测物体之间的距离为l5，第一个声波发送端的坐标为(x1，y1，z1)，第二个声波发送端的坐标为(x2，y2，z2)，第三个声波发送端的坐标为(x3，y3，z3)，第四个声波发送端的坐标为(x4，y4，z4)，第五个声波发送端的坐标为(x5，y5，z5)，c为声波在空气中的传播速度；计算单元，基于下列方程组确定被测物体的坐标(x，y，z)、被测物体运动速度v和被测物体的环境温度t：

其中tt为所述声波发射端的声波特征参数，tr为所述声波接收端的声波特征参数；r0为不时钟同步所导致的距离误差；c0为温度为零度时的声波速度。

从上述技术方案可以看出，在本发明实施方式中，在声波发射端产生声波信号，将声波信号和扩频伪随机码进行乘积以得到声波测距信号，发出声波测距信号，并且提取声波发射端的声波特征参数；在声波接收端捕获声波测距信号，提取声波接收端的声波特征参数；基于声波发射端的声波特征参数和声波接收端的声波特征参数检测被测物体运动速度。本发明将扩频技术应用于声波测量，可以更准确地测量被测物体的状态参数。

而且，本发明中提出扩频技术应用于声波定位系统，不仅可以实现码分多址通信和提高系统抗噪性能，还可以检测声波信号延迟时间。在测距信号选择过程中，通过对m序列进行改进，得到具有较好自相关性并且便于数字信号处理的扩频码序列，使得定位系统对移动物体的定位、测速更精确。本发明可应用于多种声波定位系统。

本发明包括能够获取一个物体在空气中相对于一个参考点的运动学信息(距离，速度等)的方法和设备。如果参考点的数量超过三个，相对这些参考点的运动学信息就能组成被测物体的运动矢量，从而完整地获取该物体的运动状态。如果有更多的参考点，该方法和设备也能测量影响声波速度的环境参数(温度等)

另外，本发明提出的一种新颖的伪随机码生成方法，在m序列的基础上做了很好的改进，改进后的序列自相关性更好，并且不影响码分多址通信。

附图说明

图1为根据本发明被测物体的状态参数确定方法流程图。

图2为根据本发明的单端系统示意图。

图3为根据本发明的双端系统示意图。

图4为根据本发明的单端系统测量被测物体的状态参数示意图。

图5为根据本发明的双端系统测量被测物体的状态参数示意图。

图6为根据本发明的被测物体的状态参数确定方法的示范性流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

为了描述上的简洁和直观，下文通过描述若干代表性的实施方式来对本发明的方案进行阐述。实施方式中大量的细节仅用于帮助理解本发明的方案。但是很明显，本发明的技术方案实现时可以不局限于这些细节。为了避免不必要地模糊了本发明的方案，一些实施方式没有进行细致地描述，而是仅给出了框架。下文中，“包括”是指“包括但不限于”，“根据……”是指“至少根据……，但不限于仅根据……”。由于汉语的语言习惯，下文中没有特别指出一个成分的数量时，意味着该成分可以是一个也可以是多个，或可理解为至少一个。

扩频技术的一种用途是提高系统的抗噪性能，由香农定理，在恶劣(低信噪比时)的通讯条件下，需要提高信号带宽来维持或提高通讯的性能。扩频技术将信号扩展到很宽的频带上，在接收端采用相关检测，使有用信号恢复成窄带信号。对于干扰信号而言，由于与扩频码不相关，在被扩展成宽带信号通过窄带滤波后，使得进入有用信号频带内的干扰功率降低，相应地也增加了相关器输出端的信噪比。

本发明实施方式将扩频技术应用到声波定位系统中，不仅可以提高系统抗噪性能，还可以将一种改进的扩频码用于检测声波延迟时间，从而实现对移动物体的精确定位和测速。

扩频技术中所用的扩频码实际上是一种伪随机序列，这种伪随机序列可以人为产生与复制，它是一种确定但“随机”产生的序列。现在使用时间较长，频次较高的伪随机序列是m序列，它较容易产生，规律性强，因此最早得到广泛应用。以m序列为基础衍生而来的伪随机序列有gold序列、m序列等。

现有的扩频码m序列没有完全理想的自相关性质，并且在码分多址通信中要求不同地址的扩频码的互相关性要小。本发明提出的改进的随机序列，是在m序列的基础上做了很好的改进，改进后的序列自相关性更好，并且不影响码分多址通信。

本发明提出了一种用扩频码的声波测距和测速方法。该方法可以应用于移动或固定设备及其关联人的位置检测。

更优选地，本发明还提出了一种改进的扩频码，因为具有很好的自相关性，能够准确的检测出声波定位系统中的声波延迟时间，提高声波定位系统对移动物体的定位精度。

图1为根据本发明被测物体的状态参数确定方法流程图。

如图1所示，该方法包括：

步骤101：在声波发射端产生声波信号，将声波信号和扩频伪随机码进行乘积以得到声波测距信号，发出声波测距信号，并且提取声波发射端的声波特征参数。

步骤102：在声波接收端捕获声波测距信号，提取声波接收端的声波特征参数。

步骤103：基于声波发射端的声波特征参数和声波接收端的声波特征参数检测被测物体的状态参数。

在这里，被测物体的状态参数可以包括：被测物体的运动速度、被测物体与声波发射端之间的距离、被测物体的坐标或被测物体的环境温度，等等。

其中，声波发射端的声波特征参数可以为声波发射端发出的声波测距信号的频率或周期；声波接收端的声波特征参数可以为声波接收端捕获的声波测距信号的频率或周期。声波发射端的声波特征参数和声波接收端的声波特征参数应该具有相同的声波特征属性，比如同时为频率或同时为周期。

在一个实施方式中，声波发射端和所述声波接收端位于同一设备以共同构成单端系统。

在一个实施方式中，所述声波发射端和所述声波接收端位于不同设备以共同构成双端系统。

在一个实施方式中，所述伪随机码为m序列或基于m序列衍生出的伪随机序列；或，

所述伪随机码基于下列方式获取：

设置长度为(2ⁿ－1)的m序列，其中n为正整数；

将长度为(2ⁿ－1)的m序列扩展为长度为2ⁿ的m序列；

基于长度为2ⁿ的m序列生成m序列，m＝fft(1－2m)，其中fft为快速傅里叶变换函数；

基于m序列生成一个长度为2ⁿ的m’序列，其中：

其中k是点数编号；

对所述长度为2ⁿ的m’序列执行逆快速傅里叶变换以生成m’序列，作为所述伪随机码。

在一个实施方式中，该方法还包括：

通过上采样或下采样将在声波接收端捕获的声波测距信号的长度转换为与在声波发射端发出的声波测距信号的长度相同；

基于在声波发射端发出的声波测距信号与所述长度转换后的声波测距信号执行互相关运算以得到互相关序列；

在互相关序列中寻找最大相关值点所对应的位置；

基于最大相关值点所对应的位置、声波发射端的声波特征参数和声波接收端的声波特征参数，计算声波延迟时间。

在这里，当声波接收端与声波发射端时钟同步时，声波延迟时间是声波接收端接收到声波测距信号的时刻与声波发射端发送声波测距信号的时刻之间的差值。当声波接收端与声波发射端时钟不同步时，可以利用上述方法所确定的声波延迟时间来确定接收端与发射端之间的伪距。

在一个实施方式中，当声波发射端与声波接收端位于同一设备中时，计算被测物体与声波发射端之间的距离l，其中l＝c*δt/2，δt为所述声波延迟时间，c为声波在空气中的传播速度；

当声波发射端与声波接收端位于不同设备中时，计算被测物体与声波发射端之间的距离，其中l＝c*δt，δt为所述声波延迟时间，c为声波在空气中的传播速度。

在一个实施方式中，所述声波发送端有三个且所有声波发送端与声波接收端都保持时钟同步，第一个声波发送端与被测物体之间的距离为l1，第二个声波发送端与被测物体之间的距离为l2，第三个声波发送端与被测物体之间的距离为l3，第一个声波发送端的坐标为(x1，y1，z1)，第二个声波发送端的坐标为(x2，y2，z2)，第三个声波发送端的坐标为(x3，y3，z3)，c为声波在空气中的传播速度；该方法包括：

基于下列方程组确定被测物体的坐标(x，y，z)和被测物体运动速度v；

其中tt为所述声波发射端的声波特征参数，tr为所述声波接收端的声波特征参数。

在一个实施方式中，所述声波发送端有四个且所有声波发送端与声波接收端都保持时钟同步，第一个声波发送端与被测物体之间的距离为l1，第二个声波发送端与被测物体之间的距离为l2，第三个声波发送端与被测物体之间的距离为l3，第四个声波发送端与被测物体之间的距离为l4，第一个声波发送端的坐标为(x1，y1，z1)，第二个声波发送端的坐标为(x2，y2，z2)，第三个声波发送端的坐标为(x3，y3，z3)，第四个声波发送端的坐标为(x4，y4，z4)，c为声波在空气中的传播速度；

该方法包括：

基于下列方程组确定被测物体的坐标(x，y，z)、被测物体运动速度v和被测物体的环境温度t：

其中tt为所述声波发射端的声波特征参数，tr为所述声波接收端的声波特征参数；c0为温度为零度时的声波速度。

在一个实施方式中，所述声波发送端有四个且不是所有声波发送端与声波接收端都保持时钟同步，第一个声波发送端与被测物体之间的距离为l1，第二个声波发送端与被测物体之间的距离为l2，第三个声波发送端与被测物体之间的距离为l3，第四个声波发送端与被测物体之间的距离为l4，第一个声波发送端的坐标为(x1，y1，z1)，第二个声波发送端的坐标为(x2，y2，z2)，第三个声波发送端的坐标为(x3，y3，z3)，第四个声波发送端的坐标为(x4，y4，z4)，c为声波在空气中的传播速度；

该方法包括：

基于下列方程组确定被测物体的坐标(x，y，z)和被测物体运动速度v：

其中tt为所述声波发射端的声波特征参数，tr为所述声波接收端的声波特征参数；r0为不时钟同步所导致的距离误差。

在一个实施方式中，所述声波发送端有五个且不是所有声波发送端与声波接收端都保持时钟同步，第一个声波发送端与被测物体之间的距离为l1，第二个声波发送端与被测物体之间的距离为l2，第三个声波发送端与被测物体之间的距离为l3，第四个声波发送端与被测物体之间的距离为l4，第五个声波发送端与被测物体之间的距离为l5，第一个声波发送端的坐标为(x1，y1，z1)，第二个声波发送端的坐标为(x2，y2，z2)，第三个声波发送端的坐标为(x3，y3，z3)，第四个声波发送端的坐标为(x4，y4，z4)，第五个声波发送端的坐标为(x5，y5，z5)，c为声波在空气中的传播速度；

该方法包括：

基于下列方程组确定被测物体的坐标(x，y，z)、被测物体运动速度v和被测物体的环境温度t：

其中tt为所述声波发射端的声波特征参数，tr为所述声波接收端的声波特征参数；r0为不时钟同步所导致的距离误差；c0为温度为零度时的声波速度。

本发明提出了一种扩频技术的声波精准测距测速方法。系统根据声波发生器和声波接收器的数量和所在设备不同，可以分为单端系统和双端系统。

图2为根据本发明的单端系统示意图。

单端系统是只有一个设备的系统。单端系统含有至少一个声波发生器和至少一个声波接收器。声波发生器和声波接收器位于同一个设备上。

在图2中，声波发生器用于产生声波；述声波接收器用于接收声波；声波发生器与声波接收器具有同步时钟；声波发生器单元包括：测距信号发声器、信号放大器和电声转换器件；声波接收器单元包括：声电转换器件、信号放大器、adc及数字信号处理器。

图3为根据本发明的双端系统示意图。

双端系统是含有至少两个设备的系统。双端系统的一端含有至少一个声波发生器，另一端含有至少一个声波接收器。对于双端系统，声波发生器和声波接收器位于不同设备上。双端系统的声波发生器和接收器之间可以具备时钟同步机制，也可以不具备时钟同步机制。

在图3中，声波发生器用于产生声波；声波接收器用于接收声波；声波发生器单元包括：测距信号发声器、信号放大器和电声转换器件；声波接收器单元包括：声电转换器件、信号放大器、adc及数字信号处理器。

根据单端系统和双端系统的特点，计算两个物体之间的距离分别有如下算法：

(1)、在参考点处设置一个单端系统时，该系统同时具备声波发生器和接收器，该装置发出的声波到达被测物体后产生回波，回波最终到达接收器被系统检测到，系统计算声波发出至回波到达这个过程的时间δt。由于整个过程中声波以声波速度c传播，两者间的距离l，即可算出l＝(c*δt)/2。

(2)、当实施为双端系统时，参考点处设声波发生器，被测物体上设置接收器，声波发生器发出的声波经过一段时间后到达被测物体。系统检测声波传播过程的时间δt，两者间的距离即可算出：l＝c*δt。

(3)、在另一种双端系统中，被测物体上设声波发生器，参考点处设声波接收器。与(2)情况类似，系统检测声波传播过程的时间δt，两者间的距离是l＝c*δt。

对于单端系统和双端系统，接收端相对声波发生端静止时，接收端观察到的声波频率不变，但是接收端相对声波发生端有运动，距离减小时接收频率变高，距离增大时接收频率变低，这就是多普勒(doppler)效应。doppler效应直接反映在接收端的载波频率变化，其频率变化程度与接收端相对运动速度成正比。当移动物体运动方向靠近发射端时，观测到的频率增加，波长变短，频偏减小，频偏的变化增大；当移动物体的运动方向远离发射端时结果相反，观测到频率减小，波长变长，频偏增大，频偏的变化减小。当移动物体频繁改变与发射端之间的距离，频移现象非常严重，相对运动速度越快影响越大。

根据多谱勒效应，被测物体发生移动时，被测物体相对参考点的速度v有如下算法：

在上述声波信号中植入一个表征特定信号段时长的参数(周期信号的周期、扩频码持续时间等)。如果接收端获取的信号中反映该时长的参数与原值相等，则说明发射端与接收端之间没有相对运动。如果两者之间有相对运动，doppler效应就会导致发射端与接收端所观察到的该值有所不同，可根据其偏移量计算出被测物体相对于参考点的运动速度。

以tt表示该特征参数在发射端的观察值，tr表示其在接收端的观察值，这里所说的特征参数一般为周期或者频率，本发明实施方式中的特征参数用频率表示。v表示被测物体相对参考点的运动速度(两点靠近的运动为正，两点远离为负)。

最后可以算出被测物体相对于参考点的速度c为声波在空气中传输速率，为常数。

在检测被测物体相对声波发射端的运动速度时，接收端所用到的特征参数tr可通过检测声波频率偏移得到。检测频率偏移可通过锁相环pll(phaselockedloop)或闭环自动调整系统costasloop实现。

根据上述单端系统和双端系统测距计算方法，两个物体间的距离与声波传输速率、声波传输时间成正比，声波传输速率为常数c，声波发出到再检测到声波信号的延迟时间有如下算法：

发射端将时间长度为n0的声波测距信号x0通过电声转换器件循环发出，接收端捕捉一段时长为n1>n0的信号x01，其中(n1-n0)/n0的选择取决于doppler效应的覆盖范围。

数字信号处理器进行下面的计算以获取延迟信息：

1.根据doppler频偏信息从x01中摘取一段对应于的信号x02。通过上采样(upsampling)或下采样(downsampling)的方法将x02的长度转换为n0，获得x03；

如果n1<n0，运用上采样方法对信号x02进行采样，得到信号长度n1＝n0的x03，如果n1>n0，运用下采样方法对信号x02进行采样，得到信号长度n1＝n0的x03。

所谓上采样(upsampling)就是对一个样值序列做内插值的过程，这样得到新序列就是原序列的上采样。下采样(downsampling)就是对一个样值序列间隔几个样值取样一次，这样得到新序列就是原序列的下采样。

2.将x0和x03转换为基带信号，获得x0和x1；

3.通过傅立叶变换获得x0和x1的信号谱

f0＝fft(x0)；

f1＝fft(x1)；

4.对以上信号谱f0、f1进行广义互相关运算(gcc)，获得x0与x1的互相关序列corr(x0,x1)

corr(x0,x1)＝ifft(w*conj(f0)*f1)

其中conj()是共轭运算，w是一个实值加权函数用于增强互相关序列中的峰值和以上算法的抗噪声能力。

5.在corr(x0,x1)中寻找最大相关值对应的位置nmax(约定nmax＝0对应于最大值处于首位)。声波信号延迟时间是：

其中是修正因子，目的是使δt更精确。tt表示声波信号特征参数在发射端的观察值，tr表示声波信号特征参数在接收端观察值，fs表示声波信号采样率。

为提高信号传输的抗干扰能力，采用扩频技术对传输的声波测距信号进行处理，可以采用如下方法：

声波测距信号x[n]采用扩频码与声波信号的乘积，声波信号为一频率为fo的正弦函数。

x[n]＝p[n]*sin(2π*f0*t[n])；

其中p[n]是扩频伪随机码，可采用如下几种：

1、m序列及其衍生出的伪随机序列(goldcodes等)，m序列是工程中常用的输入信号。

2、改进型的m序列

m本身不具备完全理想的自相关性质，同时其长度也不便于信号的数字处理运算(fft要求序列的长度是2ⁿ，而m序列的长度是(2ⁿ－1)。

本发明实施方式提出的改进扩频码通过以下步骤获得：

第一步：根据实际应用设定m的长度((2ⁿ－1))，再扩展m长度为(2ⁿ)；

第二步：以第一步中扩展后的m序列为基础做傅立叶变换：m＝fft(1-2m)；

第三步：基于m序列做出一个新的长度为2ⁿ的m’：

m′[1]＝abs(m[1])

m′[2^n-1]＝abs(m[1])

于是有：

第四步：计算m′＝ifft(m′)；

由此得到伪随机序列p(n)＝m′，序列长度为2ⁿ，得到传输测距声波信号x[n]。

通过上述算法，声波测距精度非常高，抗干扰能力强，可以广泛应用于定位系统中。

在以下说明中，被定位的一端将被称为移动设备，另一端称为固定设备，虽然本发明在应用中并不限制设备的运动状态。应用中除一维之外都要求固定设备有多个声波发射或接收单元，二维定位需要两个，三维定位需要三个。如果固定设备端与移动设备端无时钟同步，还需要附加一个。

两端点间的距离和速度检测可直接应用上述方法实现。在三维空间中，一种情况是固定端发射信号，移动端接收信号，可以计算移动端的具体位置、速度、及环境温度。由于环境温度与声速有一个确定的关系，从而环境温度可以从声速得出。

(1)、当发射端与接收端同步时：

实施(1)、计算移动端的具体位置：

固定端至少三颗发射单元处于固定位置，接收单元计算相对发射单元的伪距离，再通过triangulation(三角测量)算法获得自己的位置。具体算法如下：

发射单元的位置：(xi,yi,zi)其中i＝1,2,3；

接收单元的位置：(x,y,z)；

信号延迟时间：δt；

声波传输速率：c为常数，室温下声波的传输速率；

接收单元相对发射单元的伪距：li＝c*δt；

伪距与物理距离的关系：其中i＝1,2,3

上述三个方程解出(x,y,z)，即可以得出被测物体的具体位置信息。

实施(2)、计算移动端的运动速度：

声波传输速率：c为常数，室温下声波的传输速率；

声波信号特征参数在发射端的观察值：tt；

声波信号特征参数在接收端观察值：tr；

移动端相对参考点运动速度：

实施(3)、计算环境温度：

固定端至少四颗发射单元处于固定位置，根据triangulation算法，发射单元的位置：(xi,yi,zi)其中i＝1,2,3,4；接收单元的位置：(x,y,z)；信号延迟时间：δt；声波传输速率：c为未知数；环境温度：t；接收单元相对发射单元的伪距：li＝c*δt。

伪距与物理距离的关系包括下列四个方程：其中i＝1,2,3,4。

环境温度与声波速度的关系具有如下方程：c＝c0+0.607*t，其中c0为零度时声波速度332m/s。

上述5个方程即可以解出环境温度t的值。

(2)、发射端与接收端不同步时：

固定端至少四颗发射单元处于固定位置，接收单元计算相对发射单元的伪距离，再通过triangulation算法获得自己的位置。一旦这个位置已知后，移动端与固定端的坐标关系就称为已知，从而可以算出移动端相对一个选定的坐标系的速度矢量。

实施(1)、计算移动端的具体位置：

发射单元的位置：(xi,yi,zi)其中i＝1,2,3,4；接收单元的位置：(x,y,z)；信号延迟时间：δt；声波传输速率：c为常数，室温下声波的传输速率；接收单元相对发射单元的伪距：li＝c*δt。

伪距与物理距离的关系：

其中i＝1,2,3,4，上式中ro为一未知量，源于系统两端不共用同一时钟。

上述方程组中共有4个待定变量(x,y,z,ro)，在获得4个信号延迟的情况下可以一并解出，从而获得所有未知量。由此可以得出移动物体的具体位置信息(x,y,z)。

实施(2)、计算移动端的运动速度：

声波传输速率：c为常数，室温下声波的传输速率；声波信号特征参数在发射端的观察值：tt；声波信号特征参数在接收端观察值：tr；移动端相对参考点运动速度：

实施(3)、计算环境温度：

发射单元的位置：(xi,yi,zi)其中i＝1,2,3,4,5；接收单元的位置：(x,y,z)；信号延迟时间：δt；声波传输速率：c这里c为未知数；环境温度：t

接收单元相对发射单元的伪距：li＝c*δt；

伪距与物理距离的关系：其中i＝1,2,3,4,5。

环境温度与声波速度的关系：c＝c0+0.607*t，其中c0为零度时声波速度332m/s。

上式中其中ro为一未知量，源于系统两端不共用同一时钟。

上述方程组中共有5个待定变量(x,y,z,ro,t)，在获得5个信号延迟的情况下可以一并解出，从而获得所有未知量。

三维空间中，另一种情况是移动端发射信号，固定端接收信号，计算移动端的位置、速度、和环境参数。固定端至少有5颗接收单元处于固定位置，移动端发声波定位信号，固定端接收该信号计算相对发射单元的伪距，再通过上述triangulation算法获得移动端的位置。

本发明还提出了一种被测物体的状态参数确定系统，包括：

声波发射端，用于产生声波信号，将声波信号和扩频伪随机码进行乘积以得到声波测距信号，发出声波测距信号，并且提取声波发射端的声波特征参数；

声波接收端，用于捕获声波测距信号，提取声波接收端的声波特征参数；

计算单元，用于基于声波发射端的声波特征参数和声波接收端的声波特征参数检测被测物体的状态参数。

在一个实施方式中，声波发射端和所述声波接收端位于同一设备以共同构成单端系统；或，所述声波发射端和所述声波接收端位于不同设备以共同构成双端系统。

在一个实施方式中，所述伪随机码为m序列或基于m序列衍生出的伪随机序列；或，

所述伪随机码基于下列方式获取：

设置长度为(2ⁿ－1)的m序列，其中n为正整数；

将长度为(2ⁿ－1)的m序列扩展为长度为2ⁿ的m序列；

基于长度为2ⁿ的m序列生成m序列，m＝fft(1－2m)，其中fft为快速傅里叶变换函数；

基于m序列生成一个长度为2ⁿ的m’序列，其中：

其中k是点数编号；abs是取绝对值函数；

对所述长度为2ⁿ的m’序列执行逆快速傅里叶变换以生成m’序列，作为所述伪随机码。

在一个实施方式中，状态参数包括被测物体与声波发射端之间的距离、被测物体的坐标、被测物体运动速度与被测物体的环境温度中的至少一个；

计算单元，还用于通过上采样或下采样将在声波接收端捕获的声波测距信号的长度转换为与在声波发射端发出的声波测距信号的长度相同；基于在声波发射端发出的声波测距信号与所述长度转换后的声波测距信号执行互相关运算以得到互相关序列；在互相关序列中寻找最大相关值点所对应的位置；基于最大相关值点所对应的位置、声波发射端的声波特征参数和声波接收端的声波特征参数，计算声波延迟时间。

在一个实施方式中，计算单元，还用于当声波发射端与声波接收端位于同一设备中时，计算被测物体与声波发射端之间的距离l，其中l＝c*δt/2，δt为所述声波延迟时间，c为声波在空气中的传播速度；

当声波发射端与声波接收端位于不同设备中时，计算被测物体与声波发射端之间的距离，其中l＝c*δt，δt为所述声波延迟时间，c为声波在空气中的传播速度。

在一个实施方式中，所述声波发送端有三个且所有声波发送端与声波接收端都保持时钟同步，第一个声波发送端与被测物体之间的距离为l1，第二个声波发送端与被测物体之间的距离为l2，第三个声波发送端与被测物体之间的距离为l3，第一个声波发送端的坐标为(x1，y1，z1)，第二个声波发送端的坐标为(x2，y2，z2)，第三个声波发送端的坐标为(x3，y3，z3)，c为声波在空气中的传播速度；计算单元，用于基于下列方程组确定被测物体的坐标(x，y，z)和被测物体运动速度v；

其中tt为所述声波发射端的声波特征参数，tr为所述声波接收端的声波特征参数；

或

所述声波发送端有四个且所有声波发送端与声波接收端都保持时钟同步，第一个声波发送端与被测物体之间的距离为l1，第二个声波发送端与被测物体之间的距离为l2，第三个声波发送端与被测物体之间的距离为l3，第四个声波发送端与被测物体之间的距离为l4，第一个声波发送端的坐标为(x1，y1，z1)，第二个声波发送端的坐标为(x2，y2，z2)，第三个声波发送端的坐标为(x3，y3，z3)，第四个声波发送端的坐标为(x4，y4，z4)，c为声波在空气中的传播速度；计算单元，用于基于下列方程组确定被测物体的坐标(x，y，z)、被测物体运动速度v和被测物体的环境温度t：

其中tt为所述声波发射端的声波特征参数，tr为所述声波接收端的声波特征参数；c0为温度为零度时的声波速度；

或

所述声波发送端有四个且不是所有声波发送端与声波接收端都保持时钟同步，第一个声波发送端与被测物体之间的距离为l1，第二个声波发送端与被测物体之间的距离为l2，第三个声波发送端与被测物体之间的距离为l3，第四个声波发送端与被测物体之间的距离为l4，第一个声波发送端的坐标为(x1，y1，z1)，第二个声波发送端的坐标为(x2，y2，z2)，第三个声波发送端的坐标为(x3，y3，z3)，第四个声波发送端的坐标为(x4，y4，z4)，c为声波在空气中的传播速度；计算单元，用于基于下列方程组确定被测物体的坐标(x，y，z)和被测物体运动速度v：

其中tt为所述声波发射端的声波特征参数，tr为所述声波接收端的声波特征参数；r0为不时钟同步所导致的距离误差；或

所述声波发送端有五个且不是所有声波发送端与声波接收端都保持时钟同步，第一个声波发送端与被测物体之间的距离为l1，第二个声波发送端与被测物体之间的距离为l2，第三个声波发送端与被测物体之间的距离为l3，第四个声波发送端与被测物体之间的距离为l4，第五个声波发送端与被测物体之间的距离为l5，第一个声波发送端的坐标为(x1，y1，z1)，第二个声波发送端的坐标为(x2，y2，z2)，第三个声波发送端的坐标为(x3，y3，z3)，第四个声波发送端的坐标为(x4，y4，z4)，第五个声波发送端的坐标为(x5，y5，z5)，c为声波在空气中的传播速度；计算单元，基于下列方程组确定被测物体的坐标(x，y，z)、被测物体运动速度v和被测物体的环境温度t：

其中tt为所述声波发射端的声波特征参数，tr为所述声波接收端的声波特征参数；r0为不时钟同步所导致的距离误差；c0为温度为零度时的声波速度。

图4为根据本发明的单端系统测量被测物体的状态参数示意图。

在图4中，声波发射端和所述声波接收端位于同一设备以共同构成单端系统。而且，声波发射端产生声波信号，将声波信号和扩频伪随机码进行乘积以得到声波测距信号，发出声波测距信号，并且提取声波发射端的声波特征参数；声波接收端捕获由被测物体反射的声波测距信号，提取声波接收端的声波特征参数；计算单元基于声波发射端的声波特征参数和声波接收端的声波特征参数检测被测物体运动速度。计算单元还可以基于上述描述计算被测物体的距离、环境温度、坐标等其他的状态参数。

优选地，可以将计算单元内置到声波发射端和声波接收端所在的同一设备中。

图5为根据本发明的双端系统测量被测物体的状态参数示意图。

在图5中，声波发射端和声波接收端位于不同设备以共同构成双端系统。声波发射端产生声波信号，将声波信号和扩频伪随机码进行乘积以得到声波测距信号，发出声波测距信号，并且提取声波发射端的声波特征参数；声波接收端捕获由被测物体反射的声波测距信号，提取声波接收端的声波特征参数；计算单元基于声波发射端的声波特征参数和声波接收端的声波特征参数检测被测物体运动速度。计算单元还可以基于上述描述计算被测物体的距离、环境温度、坐标等其他的状态参数。

优选地，可以将计算单元内置到声波发射端中，或者内置到声波接收端中。

图6为根据本发明的被测物体的状态参数确定方法的示范性流程图。

根据本发明，精准声波定位方法进一步阐述具体实施步骤如下：

第一步：声波发射端产生声波信号，本文中声波信号s(n)用一频率为f0的正弦波sin(2*pi*f0*t)表示；

第二步：将第一步中声波信号s(n)和扩频伪随机码p(n)进行乘积，得到测距信号，其中扩频伪随机码p(n)的产生方式有两种：(1)、m序列及其衍生出的伪随机序列，例如：gold序列；(2)、改进的m序列，这种改进的m序列具有较好的自相关性，改进过程如下：

2-1、根据实际应用设定m序列的长度为(2ⁿ－1)

2-2、将m序列扩展成长度为2ⁿ的序列

2-3、以2-2中的m序列为基础，通过fft变换形成新的m序列，m＝fft(1-2m)

2-4、基于2-3中m序列做一个长度仍为2ⁿ的新序列m’，变换过程是：

2-5、m’＝ifft(m’).

这两种方法产生的序列都可以作为扩频伪随机码p(n)。

第三步：声波发射端通过电声转换将长度n＝n0的声波测距信号x0循环发出，并且提取声波在发射端的频率特征参数tt。

第四步：声波接收端捕获一段长度n1>n0的信号x01，运用pll或者costasloop方法检测doppler频偏，提取声波在接收端的特征参数tr，由此可以检测出被测物体运动速度如果被测物体向参考点靠近v为正，相反远离参考点v为负。

第五步：通过上采样或下采样将第四步中信号x01转换成长度为n1＝n0的信号x03。

第六步：由第三步中信号x0和第五步中信号x03，计算超声信号延迟时间，具体过程包括：(1)、将第三步中的信号x0和第五步中的信号x03转换成基带信号，分别是x1、x2；(2)、通过fft变换获得x0、x1的信号谱f0、f1，f0＝fft(x0)，f1＝fft(x1)；(3)、对第七步中的f0、f1进行广义互相关运算(gcc)，获得x0、x1的互相关序列corr(x0,x1)＝ifft(w*conj(f0)*f1)；(4)、在互相关序列corr(x0,x1)中寻找最大相关值点所对应的位置nmax，(约定nmax＝0对应于最大值处于首位)；(5)、计算声波信号延迟时间这里tt表示声波信号特征参数在发射端的观察值，tr表示声波信号特征参数在接收端观察值，fs是信号采样率。

然后，当为单端系统时，执行第七步，之后再执行第九步及其后续步骤；当为双端系统时，执行第八步，之后再执行第九步及其后续步骤。

第七步：对于单端系统，被测物体和单端系统两者之间的距离l＝c*δt/2，这里的c为声波在空气中的传播速度。

第八步：对于双端系统，不管被测物体上固定的是声波发射系统还是声波接收系统，声波都是经过发射系统发出，经过一段时间被声波接收系统接收，系统检测声波信号延迟时间为δt。如果被测物体上固定的是声波发射设备，那么被测物体和声波接收设备两者之间的距离l＝c*δt；如果被测物体上固定的是声波接收设备，那么被测物体和声波发射设备两者之间的距离为l＝c*δt。这里的c为声波在空气中的传播速度。

第九步：根据系统时钟同步情况和被测物体需要检测的状态参数，重复第一步到第八步，得到被测物体到参考点的伪距li。

第十步：运用triangulation算法最终得出被测物体位置、运动速度、环境温度等状态参数。

其中：

(1)、当发射端与接收端同步时计算被测物体的位置、速度需要三个发射单元，此时的c为室温下的声波传输速率是常数，方程如下：

通过上式方程得出被测物体状态参数(x,y,z,v)。

如果需要计算环境温度t，需要4个发射单元，此时c为未知量，c0为零度时声波速度332m/s，方程如下：

通过上式方程得出被测物体状态参数(x,y,z,v,t)。

(2)、被测物体与接收端不同步时计算被测物体的位置、速度需要四个发射单元，此时的c为室温下的声波传输速率是常数，ro为一未知量，源于系统两端不共用同一时钟，方程如下：

通过上式方程得出被测物体状态参数(x,y,z,v,r0)。如果需要计算环境温度t，需要5个发射单元，此时c为未知量，c0为零度时声波速度332m/s，方程如下：

通过上式方程得出被测物体状态参数(x,y,z,v,t,r0)。

本发明中提出扩频技术应用于声波定位系统，不仅可以实现码分多址通信和提高系统抗噪性能，还可以检测声波信号延迟时间。在测距信号选择过程中，通过对m序列进行改进，得到具有较好自相关性并且便于数字信号处理的扩频码序列，使得定位系统对移动物体的定位、测速更精确。本发明可应用于多种声波定位系统。

本发明包括能够获取一个物体在空气中相对于一个参考点的运动学信息(距离，速度等)的方法和设备。如果参考点的数量超过三个，相对这些参考点的运动学信息就能组成被测物体的运动矢量，从而完整地获取该物体的运动状态。如果有更多的参考点，该方法和设备也能测量影响声波速度的环境参数(温度等)。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。