[发明专利]基于相对速度和多普勒效应的音频信号到达时间修正方法

说明书

本发明公开了一种基于相对速度和多普勒效应的音频信号到达时间修正方法，包括如下步骤：步骤1、检测、获取当前定位周期以及上一定位周期的信号到达时间；步骤2、利用信号的到达时间差值、系统定位周期及信号传播速度初步估计目标相对基站的运动速度；步骤3、根据该相对速度构建搜索区间并在其内寻找合适的速度用以精确估计多普勒效应造成的频偏，进而修正音频信号到达时间。本发明是无须额外信息，不依赖历史位置，仅利用信号的到达时间差值、系统定位周期及信号传播速度求解相对运动距离，初步估计出目标相对于基站的运动速度，精确估计多普勒效应造成的频偏，进而修正音频信号到达时间。本发明具有无须引入冗余信息、精度高、鲁棒性好，计算量小等优点。

技术领域

本发明涉及室内定位领域，尤其涉及一种新颖的基于相对速度和多普勒效应的音频信号到达时间修正方法。

背景技术

以全球定位系统(global positioning system,GPS)为代表的定位技术自出现以来，其高效、方便、快速与准确的特性给人们的生活带来了巨大的变化，带动了一批应用和服务的快速发展。受遮挡影响，GPS等定位技术无法满足室内场景中的定位导航需求，因此，有关室内定位的技术研究应运而生。目前较为常见的室内定位技术有基于WIFI、蓝牙、UWB、RFID等无线传输协议的技术和基于音频、视觉、PDR等的技术。各种技术均有各自的特点，其中，音频定位技术以低成本、高精度、且拥有很好的兼容性受到了越来越多的关注。

音频信号到达时间(Time of Arrival，TOA)和到达时间差(Time Difference ofArrival，TDOA)是音频定位技术中最常用的两种测量手段，它们的精度决定了系统的定位导航性能。在音频定位系统中，一般首先检测基站发射的音频到达目标的时刻，即信号到达时间，然后根据该到达时间执行基于TOA或TDOA的定位方法。因此，信号到达时间的精确检测是保证实现高精度音频定位的关键。然而，基于音频的室内定位往往受多径效应、非视距以及多普勒效应等多种因素的影响，对于处于移动状态下的定位目标，多普勒效应对于定位精度的影响尤为明显。受多普勒效应的影响，目标在运动的情形下接收到的音频信号存在频谱偏移的现象，从而会导致对音频到达时间的估计会出现较大的检测误差，进而影响对目标的定位和追踪精度。因此，在目标移动的场合，通过估计多普勒频偏对音频信号达到时间进行修正从而提高定位精度非常有必要。

当前的音频定位系统中，对多普勒效应造成的频偏估计主要有两类方法：第一类是在调制的发射音频上叠加一个或多个单频信号，通过检测目标接收信号中单频信号的频率偏移来估计多普勒频偏。这类方法的缺点是增加了计算量且稳定性差；第二类方法是首先估计出目标相对于基站的运动速度，然后利用该速度与多普勒偏移间的关系来估计频偏。该类方法的性能取决于目标相对运动速度的获取精度。常见的速度获取方法是利用惯性传感器直接获取用户的加速度、角速度等运动信息。该方法不但增加了系统的硬件成本，而且估计的速度存在累计误差，难以实现对目标运动速度的长时间准确估计。除此之外，借助卡尔曼滤波也可实现对目标速度的估计，但该方法的性能依赖于目标的位置估计精度，当定位系统估计的位置出现异常时，估计的目标速度会存在极大的误差。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种新颖的基于相对速度和多普勒效应的音频信号到达时间修正方法，不同于利用惯性传感器及卡尔曼滤波获取速度并修正音频信号到达时间的方法，本发明聚焦于第二类方法，即首先估计出目标相对基站的运动速度，然后利用该速度估计多普勒频偏并以此修正音频信号到达时间。该方法无须增加辅助设备，不依赖目标历史位置，仅利用信号到达时间差值、系统定位周期及信号传播速度求解相对运动距离，从而获得目标相对于基站的运动速度，最终结合该相对速度和多普勒效应实现对音频信号到达时间的修正。

本发明的技术方案为一种基于相对速度和多普勒效应的音频信号到达时间修正方法，包括如下步骤：

步骤1、检测、获取当前定位周期以及上一定位周期的信号到达时间；

步骤2、利用信号的到达时间差值、系统定位周期及信号传播速度初步估计目标相对基站的运动速度；