[发明专利]基于声音的移动终端高精度距离及速度估计方法及系统

说明书

本发明提供一种基于声音的移动终端高精度距离及速度估计方法及系统，获取复合双曲调频信号；对所述复合双曲调频信号的两个不同频段的双曲调频信号同时进行时延估计，分别得到两个不同频段的双曲调频信号的时延估计值，并解算得到复合双曲调频信号的多普勒因子以及时延估计值，根据所述复合双曲调频信号的多普勒因子和时延估计值计算获得距离估计值以及速度的估计值；以声源信号的先验信息作为参考信号，仅通过两次广义互相关或两个匹配滤波器即可同时获得距离和速度信息，有效抑制了频谱泄漏，在避免声污染，有效保证信号的信噪比，无论是估计精度还是计算复杂度，均能够满足面向智能移动终端的室内定位系统要求，具有很好的应用和推广价值。

技术领域

本发明属于室内定位领域，具体涉及一种基于声音的移动终端高精度距离及速度估计方法及系统。

背景技术

随着智能手机、智能手环、智能音箱以及家用扫地机器人的普及，智能移动终端在室内空间的定位和导航需求越来越强烈。面向智能移动终端的高精度室内定位服务更是具有广阔的市场应用前景。声技术具有定位精度高、成本低、兼容性好、具有较强的通用性和普适性等优点，是智能移动终端室内定位与导航最有潜力的解决方案。在过去的几年中，国内外学者基于声技术开发出了许多原型系统，基于距离的定位方法和系统是精度最高、稳定性最好的一类。目标和基站(也称为信标)之间的距离估计精度决定了该类方法定位性能的上限。由于声信号的穿透能力较弱，遮挡(也称为非视距)现象就成为该类技术在实际场景中所面临的最大挑战。因此，基站的部署密度以及遮挡环境中视距基站的数量，就决定了声技术定位性能的下限。在基站部署密度不变的情况下，通过引入目标的运动速度信息，可以增加目标位置估计所需的信息量，进而能够有效地提高系统的定位精度和稳定性。

相较于电磁波，声波的传播速度较慢，波长相对较短，目标与基站间较小的相对运动即会引起较大的多普勒频移。同时，智能移动终端的典型特点在于计算资源受限和能源受限，特别是智能手环等小型智能体，计算复杂度是其首要考虑的因素，而传统的信号参数估计方法计算复杂度往往较高。综上，高精度的距离和速度信息成为基于声技术在复杂室内和遮挡环境中实现高精度定位的基石，同时较低的计算复杂度是此类技术应用于智能移动终端室内定位系统的关键。

多普勒频移项对两者均产生了较大影响。特别是信号的瞬时频率产生了较大偏移，若仍以先验原始信号为参考信号利用广义互相关(GCC，Generalized Cross-Correlation)进行时延估计，势必会引入较大的估计误差。同时，也给时延估计引入了一定的偏差。

为了精确估计信号时延，需要对多普勒频移项进行精确估计。传统的信号参数估计方法计算复杂度往往较高，低复杂度、高精度的距离和速度估计问题亟待解决。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供基于声音的移动终端高精度距离及速度估计方法及系统，保持传统的双曲调频信号计算复杂度低易实现、精度高、具有频移不变特性等优点的基础上，有效抑制了频谱泄漏，在避免声污染的同时，也有效保证了信号的信噪比。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于声音的移动终端高精度距离及速度估计方法，具体过程如下：

获取复合双曲调频信号F(t)；

对所述复合双曲调频信号的两个不同频段的双曲调频信号同时进行时延估计，分别得到两个不同频段的双曲调频信号的时延估计值和结合两个不同频段的双曲调频信号的时延估计值和解算得到复合双曲调频信号的多普勒因子以及时延估计值

根据所述复合双曲调频信号的多普勒因子和时延估计值计算获得距离估计值以及速度的估计值

所述复合双曲调频信号F(t)为：

F(t)＝R(t)·w(t)

其中R(t)由前导信号、双曲调频信号、后缀信号构成，并通过增加窗函数w(t)来抑制信号截断时的频谱泄漏；具体表达式为：