金瑞楠

【摘要】隨著手機(jī)計(jì)算能力的逐年提高以及手機(jī)上的傳感器的種類越來(lái)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(jī)上的聲音信號(hào)傳感器，即手機(jī)的揚(yáng)聲器和聽(tīng)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(yǔ)音識(shí)別，聲通信、聲音定位等領(lǐng)域?，F(xiàn)有的基于聲音原理的應(yīng)用主要分為三個(gè)方面：情景感知、人機(jī)交互，以及聲通信。本篇文章將主要對(duì)手機(jī)作為音頻設(shè)備在聲音測(cè)距領(lǐng)域——即情景感知的細(xì)分領(lǐng)域中的前沿應(yīng)用，作了簡(jiǎn)要的綜述。

【關(guān)鍵詞】聲音;測(cè)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(cè)量、室內(nèi)室外定位等領(lǐng)域。而基于手機(jī)上聲音信號(hào)的測(cè)距方法，擁有無(wú)需額外的硬件設(shè)備、較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景?，F(xiàn)有的聲音測(cè)距方法可以分為協(xié)作測(cè)距方法和被動(dòng)測(cè)距方法。協(xié)作測(cè)距方法通過(guò)設(shè)備與設(shè)備之間的協(xié)作來(lái)獲取距離信息，而被動(dòng)測(cè)距方法通過(guò)被動(dòng)的檢測(cè)聲音的回聲來(lái)獲取距離信息。

一、協(xié)作測(cè)距

協(xié)作測(cè)距，主要通過(guò)測(cè)量聲波信號(hào)從一個(gè)設(shè)備傳輸?shù)搅硪粋€(gè)設(shè)備所需要的時(shí)間，來(lái)獲得設(shè)備與設(shè)備之間的相對(duì)距離。由于聲音傳播的速度是已知的，所以通過(guò)計(jì)算速度乘以時(shí)間就可以得到距離信息。通常，協(xié)作測(cè)距的性能取決于物理層面的信號(hào)設(shè)計(jì)以及應(yīng)用層面的信號(hào)檢測(cè)方法。

1、BeepBeep作為協(xié)作測(cè)距領(lǐng)域的開(kāi)山鼻祖，首次實(shí)現(xiàn)了在商用移動(dòng)設(shè)備上利用聲音信號(hào)進(jìn)行精確測(cè)距。它通過(guò)估計(jì)聲音信號(hào)的傳播時(shí)間來(lái)計(jì)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(jì)中，一個(gè)設(shè)備首先發(fā)出啁啾信號(hào)，另一個(gè)設(shè)備檢測(cè)到該信號(hào)后，再發(fā)出另一個(gè)啁啾信號(hào)，然后兩個(gè)收發(fā)器通過(guò)計(jì)算聲波樣本的數(shù)量來(lái)計(jì)算傳輸和接受之間的時(shí)間差。在上述過(guò)程中，由于啁啾信號(hào)自相關(guān)性強(qiáng)的性質(zhì)，能夠精確的檢測(cè)啁啾信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，是構(gòu)建系統(tǒng)魯棒性的關(guān)鍵。據(jù)報(bào)告BeepBeep在15 m范圍內(nèi)擁有厘米級(jí)的測(cè)距精度。然而不規(guī)律的系統(tǒng)時(shí)延以及遠(yuǎn)距離時(shí)不完備的檢測(cè)率會(huì)降低BeepBeep的性能。

2、為了減少上述不確定性對(duì)測(cè)距性能的影響，一款名為RFBeep的應(yīng)用程序應(yīng)運(yùn)而生，它通過(guò)在手機(jī)內(nèi)核空間中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)來(lái)避開(kāi)系統(tǒng)時(shí)延。RFBeep采用了單向傳感方法，并且通過(guò)組合無(wú)線電信號(hào)與聲音信號(hào)進(jìn)行測(cè)距。它的核心思想是，對(duì)于功率有限的聲信號(hào)而言，無(wú)線電信號(hào)在最大可達(dá)距離內(nèi)的傳播時(shí)間基本可以忽略不計(jì)，因此可以采用無(wú)線電信號(hào)來(lái)同步設(shè)備。RFBeep據(jù)報(bào)告存在20cm的絕對(duì)測(cè)距誤差，但是對(duì)手機(jī)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(cè)距系統(tǒng)，它在響應(yīng)能力、準(zhǔn)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(hào)波形以及檢測(cè)策略。另外需要指出的是，BeepBeep僅能被應(yīng)用于檢測(cè)靜止?fàn)顟B(tài)下設(shè)備之間的距離，而SwordFight充分考慮了多普勒效應(yīng)對(duì)運(yùn)動(dòng)中的測(cè)距精度的影響，故而能夠較好的還原動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下的距離變化軌跡。SwordFight報(bào)告了在12Hz刷新率下2cm左右的測(cè)距精度，然而它僅擁有長(zhǎng)為2m的較為有限的測(cè)距范圍，并且由于采用了自相關(guān)性更強(qiáng)但更加無(wú)規(guī)律的偽隨機(jī)信號(hào)作聲音信號(hào)，SwordFight會(huì)在使用范圍內(nèi)對(duì)人產(chǎn)生惱人的聽(tīng)覺(jué)干擾。

4、為了提高測(cè)距精度，[1]提出另一種單向測(cè)距機(jī)制，它的測(cè)距方法有點(diǎn)類似于日常使用中的尺子。在這項(xiàng)技術(shù)中，設(shè)備持續(xù)觸發(fā)FMCW信號(hào)。另一個(gè)智能手機(jī)通過(guò)跟蹤距離上的頻率偏移來(lái)執(zhí)行距離估計(jì)。這項(xiàng)技術(shù)能夠在10 m范圍內(nèi)達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)距精度。然而該方法存在采樣頻率偏移問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的距離漂移，因此不能在長(zhǎng)期運(yùn)行中維持高精度。

二、被動(dòng)測(cè)距

被動(dòng)測(cè)距又稱聲學(xué)雷達(dá)，其工作原理是通過(guò)發(fā)射聲音信號(hào)并且估計(jì)回聲的往返時(shí)間，來(lái)估計(jì)設(shè)備與某個(gè)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(dòng)測(cè)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(hào)中挑選出想要的回聲也是一個(gè)挑戰(zhàn)。

1、BatMapper證明了使用商用移動(dòng)設(shè)備構(gòu)建室內(nèi)地面地圖的可行性。它利用啁啾信號(hào)以及揚(yáng)聲器與麥克風(fēng)之間的距離限制，建立了一個(gè)概率模型來(lái)檢測(cè)目標(biāo)反射的聲音信號(hào)的回聲，實(shí)現(xiàn)了精確的距離估計(jì)。BatMapper報(bào)告了4m范圍內(nèi)1-2cm的測(cè)距精度。并且在一個(gè)慣性測(cè)量單元（IMU，包括了一個(gè)陀螺儀和一個(gè)加速度計(jì)）的輔助下，它實(shí)現(xiàn)了80百分位的誤差小于30cm的幾何地板重建。

2、SAMS（Smartphone Acoustic Mapping System）是另一種改進(jìn)于BatMapper的被動(dòng)測(cè)距系統(tǒng)。不同于BatMapper中采用的基于相關(guān)運(yùn)算的方法，它采用了一種更精細(xì)的時(shí)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(wèn)題，從而獲得更細(xì)致的分辨率。據(jù)報(bào)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(bào)告該方法在40 m范圍內(nèi)能夠保持12cm的定位精度。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了現(xiàn)有的幾種聲音測(cè)距系統(tǒng)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在民生領(lǐng)域，基于聲音原理的測(cè)距系統(tǒng)將會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在手機(jī)傳感器應(yīng)用領(lǐng)域中，基于聲音原理的各項(xiàng)系統(tǒng)也勢(shì)必會(huì)發(fā)揮越來(lái)越多越來(lái)越重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]C.Cai，M.Hu，X.Ma，K.Peng，and J.Liu，Accurate Rangingon Acoustic-enabled IoT Devices[J].IEEE Internetof Things Journal，vol.6，no.2，pp.3164–3174，April2019.

[2]D.Graham，G.Simmons，D.T.Nguyen，and G.Zhou.A Software-Based Sonar Ranging Sensor for Smart Phones[J].IEEE Internet of Things Journal，2（6）：479–489，2015.