「回声定位」的原理是什么,基于此有哪些相关应用?

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回声定位其实就是当前主动测量技术(区别于双目视觉等这一类的被动感知技术)的其中一个体现。我一直很喜欢用投石问路来形容主动测量技术。

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当我们处在一个完全陌生的环境,我们虽然可以通过视觉、嗅觉等进行感知,但是有时候这些感知也是具有欺骗性的。故我们会与环境进行互动从而加强认识。用稍微学术点的形容就是:

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通过在未知的系统中引入模式已知的信息,利用信息的被调制结果来反推系统。

5 O) Z, [) Y- I2 ^5 k

对于回声定位来说,主要是利用的声波的反射性质:

- A( @! ?' ]" S

声波在两种不同介质中进行连续传播时,会在介质界面处出现分层现象,即分为入射波和反射波。

% U# g" F: ~5 l* G& \' l

对于反射波来说,由于固有频率基本没有发生改变,故速度是不变的。由于声速已知(这一点对于动物来说更多是对自身经验感知),故可以通过发声和听到回声的时间差距对距离进行判断。

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L=K0δtL=K_0\delta t\\

. B* ~8 z4 H7 J/ a' Y4 ]

这里的 K0K_0 是需要标定的一个系数,对于动物来说就是根据自己的经验进行学习了(其实由于衰减什么的这个用线性系统来描述并不恰当)。

5 b# }2 G( \2 M$ t. P3 _! U+ s

至于回声定位的应用其实已经很丰富,但是真的用声波来做其实很少,大多都是利用波的共性采用了其他形式。这是因为声波在空间里太容易衰减(介质的散射、吸收等),要想测的远就得使劲往上拉频率和能量。有点得不偿失。这一点与声波这种机械波相比,电磁波就显得非常nice了。

6 j0 E B% U, j" |

其中应用包括我们最常听到的雷达系统[1],不过更准确的说是回波定位比较恰当。

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这个雷达直接被用在航空器上做地表的三维形貌重建

至于其他答主说的在手机上的应用....这个真的都已经算是老黄历了,就不必用‘有望’这个词了。这个就是手机中所宣传的TOF镜头[2][3][4]。TOF这个词可能看起来比较高大上,但是其实就是Time of fly的意思。不过虽然也有用扬声器来做的,但是目前的tof还是以光为主,严格来说也是回波定位。

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. \. W8 `- Y' S

对于一般手机的测量时间的方式采用了相位反算的方式,故也被成为itof(间接飞行时间法)。

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如果直接去测量(dtof),那么这项技术就是前段时间吵得火热的激光雷达[5]。不过激光雷达我没玩过...最近实验室买无人机,对大疆的L1疯狂心动...可惜将近六位数的价格..没钱....

+ n- X, C+ p( W! k5 K; {' P2 V% Q
找不到其他图了...放个大疆的L1...

参考

^Farr T G , Rosen P A , E Ca ro, et al. The Shuttle Radar Topography Mission[J]. Reviews of Geophysics, 2007, 45(2):361.^Lazik P , Rajagopal N , Sinopoli B , et al. Ultrasonic time synchronization and ranging on smartphones[C]// 21st IEEE Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium. IEEE, 2015.^A F J L , A T A , Roberto López-Valcarce b. CDMA-based acoustic local positioning system for portable devices with multipath cancellation[J]. Digital Signal Processing, 2017, 62:38-51.^Chen H , Fan L , Yu W . EchoTrack: Acoustic device-free hand tracking on smart phones[C]// IEEE INFOCOM 2017 - IEEE Conference on Computer Communications. IEEE, 2017.^Mcmanamon P F . Laser radar development[C]// IEEE Dayton Section Symposium. IEEE, 1998. . ~2 u* b4 Y7 c2 l
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穷矮挫
活跃在2024-12-1
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