聲音測距方法綜述

【摘要】隨著手機計算能力的逐年提高以及手機上的傳感器的種類越來越豐富，原有的傳感方法正逐步應(yīng)用到超出其原有用途。手機上的聲音信號傳感器，即手機的揚聲器和聽筒，最初僅僅被用于播放和記錄聲音，現(xiàn)在卻可以被應(yīng)用到語音識別，聲通信、聲音定位等領(lǐng)域。現(xiàn)有的基于聲音原理的應(yīng)用主要分為三個方面：情景感知、人機交互，以及聲通信。本篇文章將主要對手機作為音頻設(shè)備在聲音測距領(lǐng)域——即情景感知的細分領(lǐng)域中的前沿應(yīng)用，作了簡要的綜述?！娟P(guān)鍵詞】聲音;測距方法距離是一種應(yīng)用性非常廣泛的信息，它可以被應(yīng)用于物體測量、室內(nèi)室外定位等領(lǐng)域。而基于手機上聲音信號的測距方法，擁有無需額外的硬件設(shè)備、較為經(jīng)濟實用的優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用前景?，F(xiàn)有的聲音測距方法可以分為協(xié)作測距方法和被動測距方法。協(xié)作測距方法通過設(shè)備與設(shè)備之間的協(xié)作來獲取距離信息，而被動測距方法通過被動的檢測聲音的回聲來獲取距離信息。一、協(xié)作測距協(xié)作測距，主要通過測量聲波信號從一個設(shè)備傳輸?shù)搅硪粋€設(shè)備所需要的時間，來獲得設(shè)備與設(shè)備之間的相對距離。由于聲音傳播的速度是已知的，所以通過計算速度乘以時間就可以得到距離信息。通常，協(xié)作測距的性能取決于物理層面的信號設(shè)計以及應(yīng)用層面的信號檢測方法。1、BeepBeep作為協(xié)作測距領(lǐng)域的開山鼻祖，首次實現(xiàn)了在商用移動設(shè)備上利用聲音信號進行精確測距。它通過估計聲音信號的傳播時間來計算設(shè)備之間的距離，并且利用雙向傳感方法避免了設(shè)備之間的同步。在BeepBeep的設(shè)計中，一個設(shè)備首先發(fā)出啁啾信號，另一個設(shè)備檢測到該信號后，再發(fā)出另一個啁啾信號，然后兩個收發(fā)器通過計算聲波樣本的數(shù)量來計算傳輸和接受之間的時間差。在上述過程中，由于啁啾信號自相關(guān)性強的性質(zhì)，能夠精確的檢測啁啾信號的到達時間，是構(gòu)建系統(tǒng)魯棒性的關(guān)鍵。據(jù)報告BeepBeep在15m范圍內(nèi)擁有厘米級的測距精度。然而不規(guī)律的系統(tǒng)時延以及遠距離時不完備的檢測率會降低BeepBeep的性能。2、為了減少上述不確定性對測距性能的影響，一款名為RFBeep的應(yīng)用程序應(yīng)運而生，它通過在手機內(nèi)核空間中實現(xiàn)系統(tǒng)來避開系統(tǒng)時延。RFBeep采用了單向傳感方法，并且通過組合無線電信號與聲音信號進行測距。它的核心思想是，對于功率有限的聲信號而言，無線電信號在最大可達距離內(nèi)的傳播時間基本可以忽略不計，因此可以采用無線電信號來同步設(shè)備。RFBeep據(jù)報告存在20cm的絕對測距誤差，但是對手機內(nèi)核層面修改的依賴阻礙了它被廣泛采用。3、SwordFight是另外一種基于雙向傳感方法的測距系統(tǒng)，它在響應(yīng)能力、準確性和魯棒性等方面都優(yōu)于BeepBeep。它的工作原理與工作方式與BeepBeep類似，區(qū)別在于它使用的信號波形以及檢測策略。另外需要指出的是，BeepBeep僅能被應(yīng)用于檢測靜止狀態(tài)下設(shè)備之間的距離，而SwordFight充分考慮了多普勒效應(yīng)對運動中的測距精度的影響，故而能夠較好的還原動態(tài)場景下的距離變化軌跡。SwordFight報告了在12Hz刷新率下2cm左右的測距精度，然而它僅擁有長為2m的較為有限的測距范圍，并且由于采用了自相關(guān)性更強但更加無規(guī)律的偽隨機信號作聲音信號，SwordFight會在使用范圍內(nèi)對人產(chǎn)生惱人的聽覺干擾。4、為了提高測距精度，[1]提出另一種單向測距機制，它的測距方法有點類似于日常使用中的尺子。在這項技術(shù)中，設(shè)備持續(xù)觸發(fā)FMCW信號。另一個智能手機通過跟蹤距離上的頻率偏移來執(zhí)行距離估計。這項技術(shù)能夠在10m范圍內(nèi)達到毫米級的測距精度。然而該方法存在采樣頻率偏移問題，會導(dǎo)致不可預(yù)測的距離漂移，因此不能在長期運行中維持高精度。二、被動測距被動測距又稱聲學(xué)雷達，其工作原理是通過發(fā)射聲音信號并且估計回聲的往返時間，來估計設(shè)備與某個物體之間的距離。由于回聲的能量隨著距離的增加而急劇衰減（在某些情況下與1/d4成正比），因此被動測距的操作范圍往往有限;除此之外，由于多徑效應(yīng)的影響，從返回的聲音信號中挑選出想要的回聲也是一個挑戰(zhàn)。1、BatMapper證明了使用商用移動設(shè)備構(gòu)建室內(nèi)地面地圖的可行性。它利用啁啾信號以及揚聲器與麥克風(fēng)之間的距離限制，建立了一個概率模型來檢測目標反射的聲音信號的回聲，實現(xiàn)了精確的距離估計。BatMapper報告了4m范圍內(nèi)1-2cm的測距精度。并且在一個慣性測量單元（IMU，包括了一個陀螺儀和一個加速度計）的輔助下，它實現(xiàn)了80百分位的誤差小于30cm的幾何地板重建。2、SAMS（SmartphoneAcousticMappingSystem）是另一種改進于BatMapper的被動測距系統(tǒng)。不同于BatMapper中采用的基于相關(guān)運算的方法，它采用了一種更精細的時間特征提取方法——啁啾混合方法，該方法能夠規(guī)避采樣率不足的問題，從而獲得更細致的分辨率。據(jù)報告，SAMS的中值誤差為30cm，90%的誤差為1m。3、提出了另一種方法，類似于BatMapper，但是使用專用聲學(xué)硬件。據(jù)報告該方法在40m范圍內(nèi)能夠保持12c