聲音測距方法綜述

金瑞楠

【摘要】隨著手機計算能力的逐年提高以及手機上的傳感器的種類越來越豐富，原有的傳感方法正逐步應用到超出其原有用途。手機上的聲音信號傳感器，即手機的揚聲器和聽筒，最初僅僅被用于播放和記錄聲音，現在卻可以被應用到語音識別，聲通信、聲音定位等領域。現有的基于聲音原理的應用主要分為三個方面：情景感知、人機交互，以及聲通信。本篇文章將主要對手機作為音頻設備在聲音測距領域——即情景感知的細分領域中的前沿應用，作了簡要的綜述。

【關鍵詞】聲音;測距方法

距離是一種應用性非常廣泛的信息，它可以被應用于物體測量、室內室外定位等領域。而基于手機上聲音信號的測距方法，擁有無需額外的硬件設備、較為經濟實用的優點，具有廣泛的應用前景。現有的聲音測距方法可以分為協作測距方法和被動測距方法。協作測距方法通過設備與設備之間的協作來獲取距離信息，而被動測距方法通過被動的檢測聲音的回聲來獲取距離信息。

一、協作測距

協作測距，主要通過測量聲波信號從一個設備傳輸到另一個設備所需要的時間，來獲得設備與設備之間的相對距離。由于聲音傳播的速度是已知的，所以通過計算速度乘以時間就可以得到距離信息。通常，協作測距的性能取決于物理層面的信號設計以及應用層面的信號檢測方法。

1、BeepBeep作為協作測距領域的開山鼻祖，首次實現了在商用移動設備上利用聲音信號進行精確測距。它通過估計聲音信號的傳播時間來計算設備之間的距離，并且利用雙向傳感方法避免了設備之間的同步。在BeepBeep的設計中，一個設備首先發出啁啾信號，另一個設備檢測到該信號后，再發出另一個啁啾信號，然后兩個收發器通過計算聲波樣本的數量來計算傳輸和接受之間的時間差。在上述過程中，由于啁啾信號自相關性強的性質，能夠精確的檢測啁啾信號的到達時間，是構建系統魯棒性的關鍵。據報告BeepBeep在15 m范圍內擁有厘米級的測距精度。然而不規律的系統時延以及遠距離時不完備的檢測率會降低BeepBeep的性能。

2、為了減少上述不確定性對測距性能的影響，一款名為RFBeep的應用程序應運而生，它通過在手機內核空間中實現系統來避開系統時延。RFBeep采用了單向傳感方法，并且通過組合無線電信號與聲音信號進行測距。它的核心思想是，對于功率有限的聲信號而言，無線電信號在最大可達距離內的傳播時間基本可以忽略不計，因此可以采用無線電信號來同步設備。RFBeep據報告存在20cm的絕對測距誤差，但是對手機內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距系統，它在響應能力、準確性和魯棒性等方面都優于BeepBeep。它的工作原理與工作方式與BeepBeep類似，區別在于它使用的信號波形以及檢測策略。另外需要指出的是，BeepBeep僅能被應用于檢測靜止狀態下設備之間的距離，而SwordFight充分考慮了多普勒效應對運動中的測距精度的影響，故而能夠較好的還原動態場景下的距離變化軌跡。SwordFight報告了在12Hz刷新率下2cm左右的測距精度，然而它僅擁有長為2m的較為有限的測距范圍，并且由于采用了自相關性更強但更加無規律的偽隨機信號作聲音信號，SwordFight會在使用范圍內對人產生惱人的聽覺干擾。

4、為了提高測距精度，[1]提出另一種單向測距機制，它的測距方法有點類似于日常使用中的尺子。在這項技術中，設備持續觸發FMCW信號。另一個智能手機通過跟蹤距離上的頻率偏移來執行距離估計。這項技術能夠在10 m范圍內達到毫米級的測距精度。然而該方法存在采樣頻率偏移問題，會導致不可預測的距離漂移，因此不能在長期運行中維持高精度。

二、被動測距

被動測距又稱聲學雷達，其工作原理是通過發射聲音信號并且估計回聲的往返時間，來估計設備與某個物體之間的距離。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），因此被動測距的操作范圍往往有限;除此之外，由于多徑效應的影響，從返回的聲音信號中挑選出想要的回聲也是一個挑戰。

1、BatMapper證明了使用商用移動設備構建室內地面地圖的可行性。它利用啁啾信號以及揚聲器與麥克風之間的距離限制，建立了一個概率模型來檢測目標反射的聲音信號的回聲，實現了精確的距離估計。BatMapper報告了4m范圍內1-2cm的測距精度。并且在一個慣性測量單元（IMU，包括了一個陀螺儀和一個加速度計）的輔助下，它實現了80百分位的誤差小于30cm的幾何地板重建。

2、SAMS（Smartphone Acoustic Mapping System）是另一種改進于BatMapper的被動測距系統。不同于BatMapper中采用的基于相關運算的方法，它采用了一種更精細的時間特征提取方法——啁啾混合方法，該方法能夠規避采樣率不足的問題，從而獲得更細致的分辨率。據報告，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，但是使用專用聲學硬件。據報告該方法在40 m范圍內能夠保持12cm的定位精度。

三、結束語

本文簡要介紹了現有的幾種聲音測距系統。可以預見，在民生領域，基于聲音原理的測距系統將會得到越來越廣泛的應用。在手機傳感器應用領域中，基于聲音原理的各項系統也勢必會發揮越來越多越來越重要的作用。

參考文獻：

[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.