一种基准时间优化的手机声波到达时间差测量方法

一种基准时间优化的手机声波到达时间差测量方法属于室内定位。

背景技术：

1、室内定位与服务因其具有重大的应用背景而备受关注，但又因其技术难度大而远未尽如人意。目前，室内定位技术从两个方面同步发展。一方面，就技术原理而言主要包括声波、红外、超宽带、射频等定位技术，其中声波定位是用于室内定位的最为精确的解决方案。另一方面，就系统硬件实现方案而言又分为两个途径，专门硬件途径尽管在生产领域取得了较大进展，但单独携带一个定位设备极其不便，给生活中的室内定位及服务带来障碍；利用现有设备的途径成为民众自然的选择，手机作为普遍拥有又功能强大的移动设备，毋庸置疑地成为首选，而且手机能收发声波、可实现声波定位方案，又成为必然的选择。

2、手机室内定位的诱人前景，吸引了研究者开始采用手机进行测距的研究。目前，普遍采用基于到达时间差测量法的手机声波室内定位技术方案，其原理是用手机扬声器发射声波信号，并将手机扬声器所处位置作为被测点，设置k个非共面且位置固定的麦克风来接收声波信号，而且k≥5，选定其中一个麦克风作为基准，并将手机所发射声波信号到该基准麦克风的传播时间作为基准时间，测量得到该声波信号到其它麦克风的传播时间与该基准时间之间的差值即到达时间差，这称之为到达时间差测量法；再利用到达时间差和室内介质声波传播速度，根据测距交会原理进行运算确定出被测点位置。显然，定位依赖于到达时间差的测量，定位误差主要取决于到达时间差的测量误差，因此准确测量到达时间差是至关重要的。

3、智能手机可以直接实现基于互相关分析的到达时间差测量，而且互相关分析依据信号的波形进行到达时间差测量，能避免单点幅值判断导致的抗干扰能力低的问题。然而，在到达时间差测量法中，所选基准麦克风其位置固定不变，则基准时间长短随被测点的不同而变化，手机所发射声波信号的功率却随基准时间变长而严重衰减，致使互相关分析中总含有衰减严重的麦克风信号，那么互相关函数极大值判断出错概率明显变大，结果带来到达时间差的测量误差变大的问题。因此，始终保持基准时间最短就保证了互相关分析始终含有一路声波信号衰减最小的高信噪比麦克风信号，这有益于减小到达时间差的测量误差。

技术实现思路

1、为了保持基准时间最短，本发明公开了一种基准时间优化的手机声波到达时间差测量方法，相比于到达时间差测量法，本发明方法不是采用固定不变的基准麦克风，而是通过优化选择基准麦克风将手机扬声器到各个麦克风的声波传播时间中的最短时间作为基准时间，始终保持了基准时间最短，明显地减小了到达时间差的测量误差。

2、本发明的目的是这样实现的：

3、一种基准时间优化的手机声波到达时间差测量方法，包括以下步骤：

4、步骤a、根据使用要求，设定一个三维空间坐标系x-y-z-o；设定手机扬声器位于被测点(x,y,z)；设定麦克风n位于已知点(xn,yn,zn)，其中n＝1,2,3,…,n且n≥5；

5、步骤b、根据手机性能指标，设定啁啾信号其中，a0为幅值、为初始相位、b为频率范围且b＝f2-f1、f1为开始频率、f2为截止频率、k为频率变化速率且k＝b/te、te为信号持续时间、t为时间变量，手机生成并通过扬声器发射所述啁啾信号x0(t)；

6、步骤c、所有麦克风同步接收相同时长的手机扬声器所发射的所述啁啾信号x0(t)，得到麦克风n的啁啾信号其中，an、f1和k分别为麦克风n的啁啾信号xn(t)的幅值、初始相位、开始频率和频率变化速率；

7、步骤d、选定麦克风i为基准麦克风，将声波从手机扬声器到麦克风i的传播时间作为基准时间初值，得到麦克风i的啁啾信号xi(t)与麦克风n的啁啾信号xn(t)之间的互相关函数其中，i∈{1,2,3,…,n}，τ为啁啾信号xn(t)与啁啾信号xi(t)之间的时间差变量；再求取互相关函数zni(τ)的最大值zni(τni)＝max[zni(τ)]，其中，max[]为取最大值函数，τni为啁啾信号xn(t)与啁啾信号xi(t)之间的时间差；那么，τni就是声波信号从手机扬声器到麦克风n的传播时间与基准时间初值之间的差值，得到相对于基准时间初值的到达时间差为τni；

8、步骤e、求取τni的最小值τmi＝min[τni]，其中，min[]为取最小值函数，m∈{1,2,3,…,n}；那么，对于声波从手机扬声器到麦克风n的传播时间而言，声波从手机扬声器到麦克风m的传播时间最短，将该最短传播时间作为基准时间优化值，将麦克风m作为优化后的基准麦克风；

9、步骤f、得到麦克风m的啁啾信号xm(t)与麦克风n的啁啾信号xn(t)之间的互相关函数其中，τ′为啁啾信号xn(t)与啁啾信号xm(t)之间的时间差变量；再求取互相关函数znm(τ′)的最大值znm(τ′nm)＝max[znm(τ′)]，其中，max[]为取最大值函数，τ′nm为啁啾信号xn(t)与啁啾信号xm(t)之间的时间差；那么，τ′nm就是声波信号从手机扬声器到麦克风n的传播时间与基准时间优化值之间的差值，得到相对于基准时间优化值的到达时间差为τ′nm。

10、有益效果：在到达时间差测量法中，基准时间长短随被测点位置的不同而变化，而手机所发射声波信号的功率却随基准时间变长而严重衰减，结果导致了到达时间差的测量误差大的问题；相比之下，本发明方法始终保持了基准时间最短，结果明显地减小了到达时间差的测量误差。

技术特征：

1.一种基准时间优化的手机声波到达时间差测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明一种基准时间优化的手机声波到达时间差测量方法属于室内定位技术领域；该方法包括以下步骤：首先，设置系统和设定系统参数；然后，设计、生成和发射啁啾信号；第三，麦克风接收得到啁啾信号；第四，进行互相关运算，得到相对于基准时间初值的到达时间差；第五，针对基准时间进行优化，得到基准时间优化值；最后，进行互相关运算，得到相对于基准时间优化值的到达时间差。本发明相比到达时间差测量法，有益效果在于能够始终保持基准时间最短，明显地减小了到达时间差的测量误差。

技术研发人员：于双,于贵龙,赵烟桥,杨明极,于晓洋
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15