[发明专利]基于声波相位的测距方法、测距系统及三维空间定位系统

说明书

本发明公开了一种基于声波相位的测距方法、测距系统及三维空间定位系统。该测距方法中，首先在移动设备与声源之间实现声波的相位同步；然后测量移动设备与声源之间的声波相位差，获得两者之间的距离。与现有技术相比较，本发明具有测量精度高、测距范围大等优点，能够在存在多径干扰的情况下，计算相位在移动过程中的卷绕次数和接收端接收到的当前相位和初始相位之差，实现高精度的距离测量，在无线通信、虚拟现实/增强现实以及无人机等领域具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种基于声波相位的测距方法，同时涉及一种基于声波相位的测距系统，还涉及一种基于该测距方法实现的三维空间定位系统，属于无线定位技术领域。

背景技术

无线定位技术根据定位方式的不同，可以分为基于测距和无需测距两种方法。基于测距的方法主要是通过测量节点之间的距离或者角度，使用三边测量法、三角测量法或最大似然法等定位算法来估算未知节点的位置；无需测距的方法主要利用空间几何关系或者网络多跳路由来完成定位，例如质心算法、凸规划算法等。

现有基于移动设备(包括但不限于智能手机、智能手表、个人电脑等)的测距技术主要可以分为三类：第一类是基于Wi-Fi信号的测距，例如基于Wi-Fi信号的信号强度进行测距，或者基于Wi-Fi信号的信道状态信息(Channel State Information)进行测距等；第二类是基于声波的反射波进行测距，即首先计算发射信号与目标物体的反射信号的时间差或者相位差，然后计算目标物体的距离；第三类是基于声波的多普勒效应进行测距，即利用声源发送频率变化的声波，接收端通过计算每个声源的多普勒效应，并结合接收端内部的传感器，判断接收端的移动方向和距离。

上述的各类测距技术都存在一定的局限性。例如，基于多普勒效应的测距技术受到多普勒效应的分辨率的影响，只有速度较快的移动才能被识别，因此测量的精度有限，并且声源发送频率变化的声波，容易产生噪声。又如，在基于声波的反射波的测距技术中，由于受到音频采集模块的采样频率限制，精确度较低，同时受到音频采集模块的功率限制与多径反射噪声的影响，测距范围也不能满足用户多元化的需求。另外，基于相位同步原理的测距技术要求接收端对发射端有反馈信号，以便构成稳定的闭环链路。然而在生活中，常用的移动设备，例如智能手机，与声源之间并不存在某种反馈。这使得基于相位同步原理的测距技术不能直接应用在使用移动设备进行测距的场景中。

Mao W,He J,Qiu L等在论文《CAT:high-precision acoustic motion tracking》(发表于International Conference on Mobile Computing and NETWORKING.ACM,2016:69-81.)中，提出了利用扬声器阵列实现手机位置测量的技术方案。该论文中利用多普勒效应，接收手机的内部传感器，实现智能手机与扬声器之间位置的相位测量。但是，该论文只是将手机与音响之间进行了粗同步，并且多普勒的分辨率较低，精度受到了明显限制。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种基于声波相位的测距方法。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种基于声波相位的测距系统。

本发明所要解决的又一技术问题在于提供一种基于上述测距方法实现的三维空间定位系统。

为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于声波相位的测距方法，包括如下步骤：

⑴在移动设备与声源之间实现声波的相位同步；

⑵测量所述移动设备与所述声源之间的声波相位差，获得两者之间的距离。

其中较优地，所述步骤⑴中，利用信号传输线直接连接移动设备与声源，实现所述移动设备与所述声源之间的相位同步。