[发明专利]一种基于北斗授时的声信号距离估计方法

权利要求书

1.一种基于北斗授时的声信号距离估计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)将所有节点的北斗授时模块设置为相同的PPS脉冲周期；

(2)信标节点接收到北斗授时PPS脉冲后，触发处理器的外部中断，信标节点立刻发出经过调制的高频线性调频信号；

(3)标签节点接收到北斗授时PPS脉冲后，触发处理器的外部中断，标签节点记录下此刻本地时钟的时刻t₀；

(4)标签节点不断监听声信号，将接收到的声信号，首先进行高通滤波消除噪声，而后采用滑窗的方法与参考信号进行归一化互相关运算，判断是否收到步骤(3)中信标节点发出的调制信号，若是则进行下一步骤；否则，继续监听声信号；

(5)标签节点收到信标节点发出的调制信号后，采用用于消除多径的比值门限法确定声信号到达的第一径，由此估计出信号的到达时间t₁，则距离估计值d＝(t₁-t₀)c，其中c为声速；

其中所述的调制的高频线性调频信号signal_ref(m)，其表达式为：

signal_ref(m)＝cos(2πm(f₀+rate*m))

其中，m表示采样点数，rate为线性调频信号的斜率，起始频率f₀与终止频率f₁均大于18000Hz，信号长度T在0.04～0.05s；

所述的滑窗的方法与参考信号进行归一化互相关运算包括下列步骤：

(A1)标签节点每接收到n个采样点称为一帧，将其分为前个帧与后个帧，本帧数据记为signal₂(m)，将上一帧的后半帧与本帧数据的前半帧拼接并记为signal₁(m)，其中m代表第m个采样点；

(A2)将signal₁(m)与signal₂(m)分别与参考信号signal_ref(m)进行归一化互相关运算，其计算方法为：

其中，exp代表以e为底的指数运算；i为虚数单位；S₁(k)为signal₁(m)进行离散傅里叶变换的结果，代表signal₁(m)在k频率分量的幅相值；S₂(k)为signal₂(m)进行离散傅里叶变换的结果，代表signal₂(m)在k频率分量的幅相值；S_ref(k)为signal_ref(m)进行离散傅里叶变换的结果，代表signal_ref(m)在k频率分量的幅相值；R₁(τ)为signal₁(m)与参考信号signal_ref(m)的归一化互相关结果，表示相差τ时刻signal₁(m)与signal_ref(m)的相关程度；R₂(τ)为signal₂(m)与参考信号signal_ref(m)的归一化互相关的结果，表示相差τ时刻signal₂(m)与signal_ref(m)的相关程度；

(A3)将R₁的前个点R₂的前个点拼接并记为Corr，回到步骤(A1)。

2.根据权利要求1所述的一种基于北斗授时的声信号距离估计方法，其特征在于，所述的所述信标节点主要由扬声器模块、第一微处理器、第一北斗授时模块、第一电源模块组成，扬声器模块、第一北斗授时模块和第一电源模块均与第一微处理器相连。

3.根据权利要求2所述的一种基于北斗授时的声信号距离估计方法，其特征在于，所述的标签节点主要由麦克风模块、第二微处理器、第二北斗授时模块、第二电源模块、无线通讯模块组成，麦克风模块、第二北斗授时模块、无线通讯模块和第二电源模块均与第二微处理器相连。

4.根据权利要求1所述的一种基于北斗授时的声信号距离估计方法，其特征在于，所述的比值门限法包括以下步骤：

(B1)计算Corr的最大值maxC及其位置maxi，即：

max(Corr)＝maxC＝Corr(maxi)

当满足以下条件，则继续下一步骤：

max(signal₂)＞threshold_signal

max(Corr)＞threshold_R

其中，threshold_signal是与扬声器增益有关的一个常数，threshold_R是与信号检测灵敏度相关的一个常数；

(B2)从maxi的前threshold_length个采样点，即maxi-threshold_length开始，向后搜寻，直到找到第一个满足以下条件的点j：

Corr(j)＞vRatioTh*max(Corr)

其中，threshold_length，vRatioTh是两个与环境混响程度有关的常数；

(B3)信号到达时刻其中fs为声音信号的采样率，信号传播时延Δt＝t₁-t₀。