CN101545973B

CN101545973B - 距离测量系统及方法

Info

Publication number: CN101545973B
Application number: CN2008101028545A
Authority: CN
Inventors: 周珏嘉; 过晓冰
Original assignee: Lenovo Beijing Ltd
Current assignee: Lenovo Beijing Ltd
Priority date: 2008-03-27
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2028-03-27
Also published as: CN101545973A

Abstract

本发明公开了一种距离测量系统及距离测量方法，上述系统包括：第一节点，包括收发模块，用于发送一个周期性的第一信号；用于接收基于所述第一信号的回波产生的第二信号；第二节点，用于接收第一信号，并且对于接收到的每个第一信号，向第一节点发送第二信号；其中，第一节点进一步包括：共振检测模块，用于检测第一信号与第二信号是否发生了共振；距离测量模块，用于在发生共振时，分析第二信号，获得第二信号的脉冲周期和脉冲周期的倍数，根据脉冲周期、倍数和第二信号的传播速度计算获得所述第一节点与所述第二节点之间的距离。

Description

距离测量系统及方法

技术领域

本发明涉及通信领域，具体地，涉及距离测量系统及方法。

背景技术

在通信领域中，常常需要涉及对终端或用户的定位问题，而定位手段常常与声音或光相关。

例如，在物理学发展史上，最早提出测量光速的是意大利物理学家伽利略。他在1607年的实验中，让相距甚远的两个观察者，各执一盏能遮闭的灯，观察者A打开灯光，经过一定时间后，光到达观察者B，B立即打开自己的灯光，过了某一时间后，此信号回到A，于是A可以记下从他自己开灯的一瞬间，到信号从B返回到A的一瞬间所经过的时间间隔t。若两观察者的距离为S，则光的速度为：c＝2s/t。因为光速很大，加之观察者还要有一定的反应时间，所以伽利略的尝试没有成功。如果用反射镜来代替B，那么情况有所改善，这样就可以避免观察者所引入的误差。这种测量原理长远地保留在后来的一切测定光速的实验方法之中。甚至在现代测定光速的实验中仍然在采用。但是靠这种方法获得的测量结果精确度不高。

另外，目前常见的波长测量方法还有通过振幅法测量波长和相位法测量波长的方法。

振幅法测量波长：由发射器发出的声波近似于平面波，经接收器反射后，波将在压电陶瓷换能器的两端面间来回反射并且叠加。当两个换能器之间的距离等于半波长的整数倍时发生共振，产生共振驻波现象，波幅达到极大。由纵波的性质可以证明，振动位移处于波节时，则声压是处于波腹。接收器端面近似为一波节，接收到的声压最大，经接收器转换成的电信号也最强。声压变化和接收器位置的关系可从实验中测出，当接收器端面移动到某个共振位置时，示波器上会出现最强的电信号，如果继续移动接收器，将再次出现最强的电信号，两次共振位置之间的距离即为1/2λ。

相位法测量波长：波是振动状态的传播，也可以说是相位的传播。沿传播方向上的任何两点，其振动状态相同，或者说其相位差为2π的整数倍时两点间的距离应等于波长λ的整数倍，利用这个公式可测量波长。由于发射器发出的是近似于平面波的超声波，当接收器端面垂直于波的传播方向时，其端面上各点都具有相同的相位。沿传播方向移动接收器时，总可以找到一个位置使得接收到的信号与发射的信号同相。移过的这段距离必然等于超声波的波长λ。为了判断相位差并且测定波长，可以利用双踪示波器直接比较发射的信号和接收的信号，同时沿传播方向移动接收器寻找同相点。也可以利用利萨如图形寻找同相时椭圆退化为斜直线的点。

在实现本发明实施例技术方案的过程中，发明人发现上述的相关技术中存在如下问题：

采用直接反射测量时间的方法中，其精度完全取决于系统的反应时间，而不管对于声音信号还是光信号，计算机系统的反应时间都很容易导致大量的测量误差；在波长测量的方法中，依靠稳定的波发生器和精确的波形检测装置来实现对不同位置接收到的波属性的测量，进而得到波长数据，该方法需要固定声音的频率，同时移动测量设备，对于普通的个人计算机系统而言，不具备稳定的波发生器，更不具备精确的波形检测装置，因此无法对波形进行精确的分析。

发明内容

考虑到相关技术中存在的测量误差较大、需要稳定的波发生器和精确的波形检测装置进行精确的波形分析的问题而提出本发明。为此，本发明旨在提供一种距离测量系统及距离测量方法，其不需要对波形进行精确的分析，也不需要非常精确的波发生器，可以利用普通个人计算机系统实现。

为解决上述技术问题，一方面，提供了一种距离测量系统，包括：

第一节点，包括收发模块，用于发送一个周期性的第一信号；用于接收基于第一信号的回波产生的第二信号；

第二节点，用于接收上述第一信号，并且对于接收到的每个第一信号，向第一节点发送第二信号；

其中，第一节点进一步包括：共振检测模块，用于检测第一信号与第二信号是否发生了共振；距离测量模块，用于在发生共振时，分析第二信号，获得第二信号的脉冲周期和脉冲周期的倍数，根据脉冲周期、倍数和第二信号的传播速度计算获得第一节点与第二节点之间的距离。

优选地，上述的第一节点还包括：信号样本生成模块，用于生成第一信号的信号样本；信号样本获取模块，用于获取第二信号的信号样本。

优选地，共振检测模块通过对比第二信号的信号样本和相应的第一信号的信号样本来检测第二信号是否与第一信号发生了共振。

优选地，上述的第一节点进一步包括：信号样本分析模块，用于分析与相应地第一信号发生共振的第二信号的信号样本，获取并记录发生共振的第二信号的脉冲周期。

优选地，上述的信号样本分析模块还用于将发生共振的第二信号的脉冲周期提交到距离测量模块。

优选地，上述的第一信号和第二信号具体为：声音信号。

优选地，上述的第一节点和第二节点具体为：计算机。

为解决上述技术问题，另一方面，提供了一种距离测量方法，包括如下步骤：

第一节点向第二节点发送一个周期性的第一信号；

接收第二节点基于第一信号的回波产生的第二信号；

检测第一信号与第二信号是否发生了共振；

在判断为发生共振的情况下，分析第二信号，获得第二信号的脉冲周期和脉冲周期的倍数，根据脉冲周期、倍数和第二信号的传播速度计算获得第一节点与第二节点之间的距离。

其中，在所述发送一个周期性的第一信号之前，进一步包括：生成第一信号的样本信息。

优选地，上述检测第一信号与第二信号是否发生了共振的操作具体为：获取第二信号的样本信息；将获取的样本信息与第一信号的样本信息进行比较，并根据比较结果判断第二信号是否与第一信号发生了共振。

优选地，上述的第一信号和第二信号具体为：声音信号。

优选地，上述的第一节点和第二节点具体为：计算机。

通过本发明实施例提供的上述至少一个技术方案，借助于计算机系统标配的设备，利用麦克风获取声音信号数据，并对比发出的原始声音数据进行共振的感知，实现了以下有益效果：(1)无需计算机进行精确的声音到达时间测量，因此减小了对操作系统实时性的要求；(2)只需要一台计算机进行时间相关的测量工作，减小了计算机间定时器差异造成的时间误差；(3)测量过程中依靠声音的周期性变化进行，可以达到很精确的时间度；(4)测量不需要增加特别的设备支持，成本较低。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的距离测量系统的结构框图；

图2示出了根据本发明实施例的距离测量系统的详细结构框图；

图3是根据本发明实施例的距离测量方法的流程图；

图4是根据本发明实施例的距离测量系统的测距过程的具体实现的示意图；

图5是使用根据本发明实施例的距离测量系统的定位环境的示意图。

具体实施方式

如上所述，在目前的波长测量方法中，测量误差较大、且需要稳定的波发生器和精确的波形检测装置进行精确的波形分析，鉴于此，本发明提供了一种新的距离测量方法，其基于周期性地发声，即周期性地声音能量检测，不需要对波形进行精确的分析，也不需要非常精确的波发生器，可以利用普通个人计算机系统实现。在本发明实施例提供的技术方案中，设备间的距离保持固定，使声音样本的频率发生变化。

以下将参照附图详细描述本发明实施例。

系统实施例

根据本发明实施例，首先提供了一种距离测量系统。图1示出了根据本发明实施例的距离测量系统的结构框图。

如图1所示，根据本发明实施例的距离测量系统包括第一节点102和第二节点104。典型地，第一节点和第二节点可以是计算机、笔记本电脑等。

例如，在两台计算机之间进行距离测量时，其中一点的计算机发出周期性的声音信号，另一点的计算机在收到声音以后立刻播放收到的声音。如果声音的周期合适，则会在第一台计算机处形成“共鸣”(即，共振)，即听到的是加强的同一种声音信号，且与第一台计算机曾经发出的声音信号一致。找到能够产生共振的声音信号的最大周期即可测得声音传播的时间，从而得到距离信息。

基于此，在根据本发明实施例的距离测量系统中，第一节点102包括收发模块1030，用于发送一个周期性的第一信号，用于接收基于所述第一信号的回波产生的第二信号。

第二节点104用于接收上述第一信号，并且对于接收到的每个第一信号，向第一节点发送第二信号。

其中，第一节点又包括：共振检测模块1020，用于检测第一信号与第二信号是否发生了共振；距离测量模块1022，用于在发生共振时，分析第二信号，获得第二信号的脉冲周期和脉冲周期的倍数，根据脉冲周期、倍数和第二信号的传播速度计算获得第一节点与第二节点之间的距离。

如图2所示，优选地，上述的第一节点还包括：信号样本生成模块1024，用于生成第一信号的信号样本；信号样本获取模块1026，用于获取第二信号的信号样本。

共振检测模块1020通过对比第二信号的信号样本和相应的第一信号的信号样本来检测第二信号是否与第一信号发生了共振。也就是说，在本发明实施例提供的技术方案中，上述的“共鸣”现象是通过对接收到的声音信号和发送的原始声音信号进行内存中数据文件对比的方法实现的，该方法快速、有效且不需要特别的传感设备。

优选地，上述的第一节点102还包括：信号样本分析模块1028，用于分析与相应地第一信号发生共振的第二信号的信号样本，获取并记录发生共振的第二信号的脉冲周期。信号样本分析模块1028还用于将发生共振的第二信号的脉冲周期提交到距离测量模块。

通过以上描述的技术方案可以看出，以声音信号为例，本方案利用麦克风获取声音信号数据，并对比发出的原始声音数据进行共振的感知，在测量方法和设备上都是采用的计算机系统标配的设备，且没有特别的反射面，只需要一个第一节点(例如，一台计算机)即可进行时间相关的测量工作，减小了计算机间定时器差异造成的时间误差；并且，测量过程中依靠声音的周期性变化进行，即，通过变化波长来获得波传播的时间值，相比于现有技术，可以获得精确的测量结果。

方法实施例

根据本发明实施例，还提供了一种距离测量方法，应用于包括有第一节点和第二节点的系统中，这里提到的第一节点和第二节点可以是计算机。

图3是示出根据本发明实施例的距离测量方法的流程图。

如图3所示，该方法包括以下处理：

步骤S302，第一节点向第二节点发送一个周期性的第一信号；

步骤S304，接收第二节点基于第一信号的回波产生的第二信号；

步骤S306，检测第一信号与第二信号是否发生了共振；在判断为发生共振的情况下，分析第二信号，获得第二信号的脉冲周期和脉冲周期的倍数；

步骤S308，根据脉冲周期、倍数和第二信号的传播速度计算获得第一节点与第二节点之间的距离。

其中，在发送第一信号之前，进一步包括：生成第一信号的样本信息。

在步骤S306中，检测第一信号与第二信号是否发生了共振的操作具体为：获取第二信号的样本信息；将获取的样本信息与第一信号的样本信息进行比较，并根据比较结果判断第二信号是否与第一信号发生了共振。

优选地，上述的第一信号和第二信号具体为：声音信号。

优选地，上述的第一节点和第二节点具体为：计算机。

通过以上描述的技术方案可以看出，以声音信号为例，通过依靠声音的周期性变化进行距离测量，相比于现有技术，可以获得精确的测量结果。

结合上面给出的装置实施例和方法实施例，通过下面给出的测距的具体实现过程可以更好地理解本发明。其中，第一节点为设备M，第二节点为设备N，二者均为计算机，且设备M和设备N发送的信号为声音信号；利用计算机声卡模块、麦克风、音箱。

如图4所示，设备M对设备N的测距过程如下：

(1)设备M上的声音样本发生器(即，上述的信号样本生成模块)将声音样本依次送交声卡模块(即，上述的发送模块)，并利用音箱发送至设备N；

(2)设备N将得到的声音直接回放；

(3)设备M“听到”自身音箱以及设备N音箱发出的声音，并将此声音样本交由共鸣检测模块(即，上述的共振检测模块)；

(4)共鸣检测模块对声音文件进行分析，从文件特征方面判断是否有共鸣现象发生，如果未发生共鸣则转向6，否则转向5；

(5)发生了共鸣现象，共鸣检测模块调用声音样本分析模块，该模块得到当前声音的固有脉冲周期；

(6)声音样本发生器模块判断是否还有未发送的声音样本：如果是，则产生新的声音样本，并转向1；否则转向7；

(7)声音样本分析模块获取最后一组共鸣时声音样本的周期T，并将其提供给距离测量模块，得到距离S＝V_soundT/2，测距过程结束。

具体地，对于上述的设备M和设备N的测距过程，具体分析如下：

设备M发出样本声音信号，设声音信号的发声周期为T，设备M从听到声音(即，接收到放音指示)到播放声音的内部反应时间为ΔT_c，这里，假设设备M和设备N是类似设备，即反应时间ΔT_c可以认为是近似相同的；

如果设备M的指示发声时刻为t₀，则设备M听到自己发出的声音信号的时刻t₁为：t₁＝t₀+ΔT_c；

设声音的单向传播时间为T_s，则经过设备N反射以后设备M听到第二次相同声音信号的时刻t₂为：t₂＝t₀+2T_s+ΔT_c。

其中，ΔT_c为设备N的反应时间；设备M不断地发出声音信号，并且变化声音信号发出的频率，频率由高到低，即，T值由小到大；如果某个时刻，在设备M的MIC处检测到了声音“共鸣”，则说明：t₂-t₁＝n*T，即：2T_s＝n*T，其中n为正整数；对于声音共鸣的检测，可以通过对比内存中声音文件的特征信息来实现。随着T值的增大，如果某个时刻以后，没有再在设备M处检测到“共鸣”，则可以认定为：2T_s＝T，由此得到：T_s＝T/2。

由此可以得到精确的声音传播时间，且得知设备M和设备N之间的距离为：S＝v_s*T_s＝v_sT/2，其中，v_s为环境温度下的声音传播速度。

借助于本发明实施例提供的距离测量系统，以计算机为例，在一个三点定位的计算机系统中，每个基准点(第一节点)的计算机都与用户点(第二节点，被测点)计算机进行一次测距；测距以后，每个基准点以测得的距离为半径，以自身为圆心进行画圆，得到三个交点，如图5所示；三个交点构成的三角形取中心点(三边中垂线的交点)为用户位置的估计点。

具体过程如下：(1)每个测量点以自身圆心，以(测得的自身与用户点的距离+误差校正数)为半径，绘制圆周，得到三个圆周中央交点(如图5的A、B、C三点)；(2)计算得到三角形ABC的三边中垂线的交点O，即O点距离A、B、C三点的距离相等；(3)O点即为定位系统对用户点的最终定位估计结果。

实际系统中，三个测量点不一定为三台独立的计算机设备，也可以是连接到一台电脑设备上的三组MIC(麦克)和Speaker(音箱)。

如上所述，借助于本发明提供的技术方案，以声音信号为例，本发明通过利用麦克风获取声音信号数据，并对比发出的原始声音数据进行共振的感知，在测量方法和设备上都是采用的计算机系统标配的设备，且没有特别的反射面，只需要一个第一节点(例如，一台计算机)即可进行时间相关的测量工作，减小了计算机间定时器差异造成的时间误差；并且，测量过程中依靠声音的周期性变化进行，即，通过变化波长来获得波传播的时间值，相比于现有技术，可以获得精确的测量结果。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种距离测量系统，其特征在于，包括：

第一节点，包括收发模块，用于发送一个周期性的第一信号；用于接收基于所述第一信号的回波产生的第二信号；

第二节点，用于接收所述第一信号，并且对于接收到的每个第一信号，向所述第一节点发送所述第二信号；

其中，所述第一节点进一步包括：共振检测模块，用于检测所述第一信号与所述第二信号是否发生了共振；

距离测量模块，用于在发生共振时，分析所述第二信号，获得所述第二信号的脉冲周期和所述脉冲周期的倍数，根据所述脉冲周期、所述倍数和所述第二信号的传播速度计算获得所述第一节点与所述第二节点之间的距离，

其中，所述第一信号和所述第二信号具体为：声音信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一节点还包括：

信号样本生成模块，用于生成所述第一信号的信号样本；

信号样本获取模块，用于获取所述第二信号的信号样本。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述共振检测模块通过对比所述第二信号的信号样本和相应的所述第一信号的信号样本来检测所述第二信号是否与所述第一信号发生了共振。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其特征在于，所述第一节点进一步包括：

信号样本分析模块，用于分析与相应地第一信号发生共振的第二信号的信号样本，获取并记录发生共振的所述第二信号的脉冲周期。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述信号样本分析模块还用于将发生共振的所述第二信号的脉冲周期提交到所述距离测量模块。

6.根据权利要求1、2、3、或5所述的系统，其特征在于，所述第一节点和所述第二节点具体为：计算机。

7.一种距离测量方法，应用于包括有第一节点和第二节点的系统中，其特征在于，所述方法包括：

所述第一节点向所述第二节点发送一个周期性的第一信号；

接收所述第二节点基于所述第一信号的回波产生的第二信号；

检测所述第一信号与所述第二信号是否发生了共振；

在判断为发生共振的情况下，分析所述第二信号，获得所述第二信号的脉冲周期和所述脉冲周期的倍数；

根据所述脉冲周期、所述倍数和所述第二信号的传播速度计算获得所述第一节点与所述第二节点之间的距离，

其中，所述第一信号和所述第二信号具体为：声音信号。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述发送一个周期性的第一信号之前，包括：

生成所述第一信号的样本信息。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述检测所述第一信号与所述第二信号是否发生了共振的操作具体为：

获取所述第二信号的样本信息；

将获取的所述样本信息与所述第一信号的样本信息进行比较，并根据比较结果判断所述第二信号是否与所述第一信号发生了共振。

10.根据权利要求7至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一节点和所述第二节点具体为：计算机。