一种基于多扬声器和多麦克风声波多目标追踪方法技术

本发明专利技术属于多目标识别与追踪技术领域，具体公开了一种基于多扬声器和多麦克风声波多目标追踪方法，包括以下步骤：设计一类自相关强互相关弱声波信号并通过扬声器发送；识别直射信号和来自若干个目标的反射信号，获得直射信号的到达时间和反射信号的到达时间，并利用反射信号的飞行时间计算反射信号的传播路径长度；以对应麦克风和扬声器为焦点，结合来自目标的反射信号传播路径长度绘制椭圆，并利用多个椭圆的交点来确定多个目标的位置。本发明专利技术不受环境、设备自身状况等因素的影响，具有良好的可移植性，弥补了电子设备现有目标追踪方案的不足。案的不足。案的不足。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多扬声器和多麦克风声波多目标追踪方法


[0001]本专利技术属于目标识别
，涉及基于声学信号的目标追踪技术，特别涉及一种基于多扬声器和多麦克风声波多目标追踪方法。

技术介绍

[0002]随着电子设备的普及和信息化水平的提高，目标追踪技术在各类应用场景中得以拓展，高精度、低时延、非单一目标追踪等都成为其发展的重点。利用目标追踪技术并融合多维度信息可对目标进行实时高精度跟踪定位，从而进一步提升计算机设备的智能化程度，在当今各领域发挥其更大的价值。
[0003]目前，被动式目标追踪和手势识别成为目标追踪领域中新的热点。这里的被动式是指用户身体上无需额外佩戴专门的硬件设备，只利用电子设备现有的硬件基础即可实现相应的功能。也正是因为其较低的硬件部署成本和良好的使用体验，可以更加便捷地融入人们的日常生活。
[0004]现存基于视觉和基于射频信号的被动式目标追踪方案都存在不足。基于视觉的目标识别和追踪技术利用摄像头拍摄目标进行图像识别，存在诸多缺点，例如：识别精度受摄像头视角范围、像素、环境光照等因素影响，有些甚至还需要深度摄像头等专门设备辅助。基于射频信号的目标追踪和识别虽然可以克服基于视觉方案的限制，但是仍需要专门的传感器硬件作支撑，且由于无线信号传播速度快无法实现细粒度手势追踪。
[0005]与上述两类方案不同，基于声音信号的方案显现出了独特的优势。一方面，因为声波传播不受光照等环境条件限制，从而可以适应更多的应用场景。另一方面，因为声波传播速度较慢且更容易被处理，从而能够实现细粒度的目标追踪。此外，目前市面上大多电子设备都配备了多麦克风和多扬声器，利用这个特性，基于声学信号的方案可以无需添加额外硬件的情况下部署在这些设备上，具有良好的兼容性。基于此，本专利技术设计了基于多麦克风和多扬声器的目标追踪方法。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的不足，本专利技术提供一种基于多扬声器和多麦克风声波多目标追踪方法，解决现有目标识别和追踪技术必须依赖辅助设备且易受外界环境影响的问题，本专利技术无需部署额外的智能硬件，仅依靠现有的硬件基础即可实现高精度、低时延的多目标跟踪。同时，本专利技术不受环境、设备自身状况等因素的影响，具有良好的可移植性，弥补了电子设备现有目标追踪方案的不足。
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：
[0008]一种基于多扬声器和多麦克风声波多目标追踪方法，包括以下步骤：
[0009]S1、设计一类自相关强互相关弱声波信号并通过扬声器发送；
[0010]S2、识别直射信号和来自若干个目标的反射信号，获得直射信号的到达时间和反射信号的到达时间，并利用反射信号的飞行时间计算反射信号的传播路径长度；
[0011]S3、以对应麦克风和扬声器为焦点，结合来自目标的反射信号传播路径长度绘制椭圆，并利用多个椭圆的交点来确定多个目标的位置。
[0012]进一步的，S1中，使用若干个扬声器和若干个麦克风，包括多个扬声器和多个麦克风、或一个扬声器和多个麦克风、或多个扬声器和一个麦克风；声波信号是人耳无法听见或察觉的频率为18kHz及以上的信号。
[0013]进一步的，S2中，通过求解接收信号和发送信号的互相关来确定信号到达时间，利用接收信号相较于发送信号的相位偏转来修正信号到达时间的误差，获得准确的信号到达时间。
[0014]进一步的，为确定直射信号的到达时间，一边利用麦克风持续接收，一边利用需要确定的声波信号与接收信号进行互相关操作，互相关操作的结果仅会在接收到对应的声波信号的时候出现明显峰值，在没有对应信号到达和其他信号到达时都近似为零；
[0015]通过遍历互相关操作的结果，根据峰值下标便可初步确定直射信号的到达时间；随后利用接收信号和发送信号相位差修正估计到达时间与实际到达时间之间的误差，获得准确的直射信号到达时间。
[0016]进一步的，在修正到达时间误差时，k1和k2子载波上的相位误差可以表示为：
[0017][0018][0019]其中和是调制在不同子载波上的复数值，和为接收信号在不同子载波上复数值，angle()为取复数值相位的角度；Δt
sym
为符号时间偏移，Δt
s
为采样时间偏移，φ0为相位偏移，Δf为频率偏移，Δt
sym
，Δt
s
，φ0，Δf共同作用导致了相位偏转，T
sym
为OFDM符号持续时间；
[0020]两式子相减可得k1与k2子载波相位旋转的差值为：
[0021][0022]最后进行转换即可得到估计直射信号起点和实际直射信号起点的偏移Δn
d
：
[0023][0024]这里Δk为子载波的频率间隔，T
s
为采样间隔，N为发送信号长度，T
sym
＝N
·
T
s
，其中Δn
d
的整数部部分就是符号时间偏移Δt
sym
的偏移采样点个数，小数就是采样定时偏移Δt
s
；
[0025]通过不同子载波的两两组合取平均，可以消除随机误差，公式如下：
[0026][0027]利用估计直射信号的起点n
d
与直射信号起点偏移相减，便可以在麦克风端获得精确直射信号到达时间t
d
；
[0028]然后，通过测量扬声器和麦克风之间的距离结合声速便可以获得直射信号的传播时间T
d
，至此信号的发送时间t
s
＝t
d-T
d
便可获得。
[0029]进一步的，为确定反射信号的到达时间，将接收信号与发送信号的互相关操作的结果与其延迟一个信号周期的结果错位相减后，静止物体和环境噪声的影响抵消，互相关操作结果的差值趋近于零；当移动目标反射的反射信号到达时，互相关操作结果的差值不为零；
[0030]通过遍历互相关操作的差并识别峰，捕获所有经移动目标反射的对应的声波信号的到达时间t
r
；同时，通过峰的振幅、宽度特征，区分不同来自不同目标的反射信号。
[0031]进一步的，S2中，在获得直射信号的到达时间和对应目标反射信号到达时间的基础上，利用直射信号的到达时间减去直射信号的飞行时间，便可以获得信号的发送时间；随后利用反射信号的到达时间减去声波信号的发送时间，便获得反射信号在空气中的飞行时间T
r
，T
r
＝t
r-t
s
；利用这个反射信号的飞行时间乘以声速，便可以获得对应反射信号的传播路径长度。
[0032]与现有技术相比，本专利技术优点在于：
[0033]1.本专利技术无需部署额外的智能硬件，仅需要使用设备都普遍集成的多个扬声器和多个麦克风现有的硬件便可工作，实现高精度、低时延的多目标跟踪，相较于需要集成特制传感器(例如：手势传感器，深度摄像头)的方案，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多扬声器和多麦克风声波多目标追踪方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、设计一类自相关强互相关弱声波信号并通过扬声器发送；S2、识别直射信号和来自若干个目标的反射信号，获得直射信号的到达时间和反射信号的到达时间，并利用反射信号的飞行时间计算反射信号的传播路径长度；S3、以对应麦克风和扬声器为焦点，结合来自目标的反射信号传播路径长度绘制椭圆，并利用多个椭圆的交点来确定多个目标的位置。2.根据权利要求1所述的一种基于多扬声器和多麦克风声波多目标追踪方法，其特征在于，S1中，使用若干个扬声器和若干个麦克风，包括多个扬声器和多个麦克风、或一个扬声器和多个麦克风、或多个扬声器和一个麦克风；声波信号是人耳无法听见或察觉的频率为18kHz及以上的信号。3.根据权利要求1所述的一种基于多扬声器和多麦克风声波多目标追踪方法，其特征在于，S2中，通过求解接收信号和发送信号的互相关来确定信号到达时间，利用接收信号相较于发送信号的相位偏转来修正信号到达时间的误差，获得准确的信号到达时间。4.根据权利要求3所述的一种基于多扬声器和多麦克风声波多目标追踪方法，其特征在于，为确定直射信号的到达时间，一边利用麦克风持续接收，一边利用需要确定的声波信号与接收信号进行互相关操作，互相关操作的结果仅会在接收到对应的声波信号的时候出现明显峰值，在没有对应信号到达和其他信号到达时都近似为零；通过遍历互相关操作的结果，根据峰值下标便可初步确定直射信号的到达时间；随后利用接收信号和发送信号相位差修正估计到达时间与实际到达时间之间的误差，获得准确的直射信号到达时间。5.根据权利要求4所述的一种基于多扬声器和多麦克风声波多目标追踪方法，其特征在于，在修正到达时间误差时，k1和k2子载波上的相位误差可以表示为：子载波上的相位误差可以表示为：其中和是调制在不同子载波上的复数值，和为接收信号在不同子载波上复数值，angle()为取复数值相位的角度；Δt
sym
为符号时间偏移，Δt
s
为采样时间偏移，φ0为相位偏移，Δf为频率偏移，Δt
sym
，Δt
s
，φ0，Δf共同作用导致了相位偏转，T
sym
为OFDM符号持续时间；两式子相减...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘超，王鹏皓，蒋若冰，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：