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1、基于小波分析的雷声信号特征提取柴 烨 , 张 有 光( 北 京 航 空 航 天 大 学 电 子 信 息 工 程 学 院 , 北 京 100083 )摘 要 : 地 下 拾 音 报 警 系 统 以 其 隐 蔽 性 强 、 监 控 范 围 广 等 优 点 受 到 文 物 保 护 部 门 的 关 注 。 给 出 了 一 种 基 于 小 波 变 换 , 利 用 能 量 等 价 关 系 构 造 特 征 空 间 的 方 法 , 可 以 有 效 地 识 别 雷 声 信 号 , 降 低 雷 声 造 成 的 误 报 率 , 从 而 有 效 地 改 进 了 地 下 拾 音 报 警 系 统 的 性 能 。 关 键
2、词 : 声 控 报 警 雷 声 信 号 小 波 分 析 特 征 提 取 安 防 系 统近 年 来 , 文 物 安 全 问 题 日 趋 严 峻 , 常 见 的 安 防 报 警 手 段 如 视 频 监 控 、 玻 璃 破 碎 探 测 器 等 , 不 适 于 对 室 外 环 境 下 不 可 移 动 文 物 的 保 护 。在 探 索 新 的 安 防 模 式 的 过 程 中 , 提 出 了 一 种 基 于 声 音 信 号 的 地 下 拾 音 报 警 系 统 。 该 系 统 隐 蔽 性 强 、 成 本 较 低 、 能 够 消 除 报 警 死 区 、 缩 短 报 警 反 应 时 间 , 比 较 适 于 对
3、室 外 环 境 下 的 文 物 实 行 全 面 的 技 术 防 范 。 但 由 于 自 然 界 的 雷 声 会 造 成 设 备 频 繁 地 误 报 警 , 所 以 需 要 消 除 雷 声 对 系 统 的 干 扰 , 为 此 , 要 对 雷 声 信 号 进 行 分 类 识 别 、 特 征 提 取 , 成 为 消 除 干 扰 的 关 键 的 一 步 。以 往 的 处 理 方 法 及 存 在 的 问 题 大 致 归 纳 为 如 下 三 种 : (1 ) 在 有 雷 声 时 采 取 暂 时 关 闭 监 控 设 备 , 但 易 造 成 漏报 。(2 ) 通 过 声 强 区 分 信 号 , 但 易 将 雷
4、 声 信 号 和 其 他 监 听信 号 混 淆 。 (3 ) 使 用 传 统 方 法 通 过 计 算 频 域 峰 值 作 为 特 征 进 行 分 析 , 但 是 经 典 的 傅 立 叶 变 换 只 能 针 对 平 稳 信 号进 行 分 析 。 在 此 基 础 上 使 用 加 窗 的 方 法 来 处 理 非 平 稳 信 号 的 短 时 傅 里 叶 变 换 , 虽 然 有 所 进 步 , 但 是 分 析 窗 恒 定 的 大 小 和 形 状 仍 无 法 满 足 要 求 1 。针 对 以 上 三 种 处 理 方 法 所 存 在 的 问 题 , 本 文 采 用 具 有 多 分 辨 率 特 点 的 小 波
5、 变 换 方 法 , 对 非 平 稳 的 雷 声 信 号 的 局 部 特 征 进 行 分 析 。 1 地 下 拾 音 报 警 系 统1 . 1 声 音 信 号 的 优 势声 音 信 号 作 用 于 安 防 系 统 有 其 独 特 的 优 势 : 其 快 速 传 递 的 特 性 使 得 实 现 迅 速 报 警 成 为 可 能 ; 声 波 可 在 空气 、 水 、 土 壤 、 金 属 等 物 体 内 传 递 , 因 此 , 防 范 区 域 可 以 延 伸 到 周 边 地 区 , 异 常 目 标 在 进 入 监 控 区 域 之 前 就 可 以被 发 现 , 起 到 预 警 的 作 用 ; 声 波 以
6、 球 面 波 的 形 式 向 四 周 均 匀 扩 散 ( 声 辐 射 ) , 也 可 以 绕 过 障 碍 物 的 遮 挡 , 发 生 声绕 射 ( 衍 射 ) , 为 消 除 监 控 系 统 的 防 范 死 区 提 供 了 可 能 。 1 . 2 地 下 拾 音 报 警 系 统 工 作 原 理地 下 拾 音 报 警 系 统 集 集 群 监 听 、 地 下 拾 音 、 声 控 报 警 等 功 能 于 一 体 , 利 用 埋 于 地 下 20 厘 米 处 的 地 下 声 敏传 感 器 , 可 拾 取 地 表 ( 半 径 20 米 ) 、 地 下 (30 米 ) 的 微 弱 的 声 音 信 号 ,
7、经 物 理 谐 振 腔 放 大 后 以 模 拟 信 号 输 出 , 其 有效 传 输 距 离 不 小 于 1500 米 。设 备 工 作 时 , 监 控 区 域 被 认为 是 安 静 的 , 任 何 声 响 都 被 视 为 异 常 , 一 旦 传 感 器 所 采 集 的 声 音 信 号 的 强 度 超 过 设 定 门 限 就 触 发 报 警 行 为 。 2雷 声 信 号 预 处 理 雷 声 信 号 预 处 理 是 : 声 敏 传 感 器 采 集 音 频 信 号 后 , 经 前 端 调 制 器 将 模 拟 音 频 信 号 转 换 成 数 字 信 号 , 经 过 中 间 的 音 频 传 输 控 制
8、 线 传 送 到 监 控 室 中 的 计 算 机 , 形 成 音 频 文 件 , 作 为 雷 声 信 号 的 原 始 特 征 ; 对 信 号 进 行 预 处 理 , 去 除 噪 声 等 的 干 扰 , 初 步 了 解 信 号 的 时 频 特 征 。 预 处 理 步 骤 框 图 如 图 1 所 示 。( 1 ) 去 除 均 值 : 信 号 的 均 值 相 当 于 一 个 直 流 分 量 , 去 除 均 值 , 可 避 免 在 估 计 该 信 号 的 功 率 谱 时 , 零 频 位 置 的 谱峰 影 响 附 近 的 频 谱 曲 线 。 信 号 x(t)的 均 值 常 由 下 式 估 计 。N -
9、1x= 1 “xN(n )! Nn = 0式 中 , ! x 是 对 x(n ) 的 真 正 均 值 !x 的 估 计 值 。( 2 ) 功 率 谱 估 计 : 使 用 以 傅 立 叶 变 换 为 基 础 的 经 典 谱 估 计 对 信 号 频 域 特 征 进 行 粗 略 估 计 。 先 计 算 N 个 数 据的 傅 立 叶 变 换 ( 频 谱 ) , 然 后 取 频 谱 和 其 共 轭 的 乘 积 , 得 到 功 率 谱 ( 直 接 法 ) 1 。 具 体 公 式 如 下 :2N - 1“x(n )e - jn“Px(“ )= 121X (“ )=NNNn = 0( 3 ) 低 通 滤 波
10、: 一 般 来 说 , 信 号 的 低 频 部 分 给 出 了 信号 的 特 征 , 高 频 部 分 则 与 噪 音 及 扰 动 联 系 在 一 起 。 因 此 , 参 照 声 敏 传 感 器 的 频 响 参 数 、 经 验 值 及 粗 略 估 计 的 信 号 特 征 设 置 滤 波 器 参 数 , 对 信 号 进 行 低 通 滤 波 。 以 损 失 部 分 细 节 为 代 价 , 减 少 后 续 分 析 的 运 算 量 。计算机技术与应用Compute r Te chnology a nd Its Applica tions若 选 择 约 束 最 小 二 乘 (CLS)FIR 滤 波 器 ,
11、 无 须 专 门 定义 幅 值 响 应 中 的 过 渡 带 , 便 可 在 整 个 滤 波 器 响 应 的 频 率 范 围 内 使 用 平 方 误 差 最 小 化 技 术 , 逼 近 理 想 的 滤 波 器 特性 。取 阶 数 为 61 、 截 止 频 率 为 0 . 6 ( 归 一 化 ) 、 通 带 最 大 偏 差 为 0 . 02 ( dp ) 、 阻 带 最 大 偏 差 为 0 . 008 ( ds ) , 其 频 域 及 时 域 波 形 分 别 如 图 2 和 图 3 所 示 。构 可 视 为 由 低 通 和 高 通 滤 波 器 组 成 的 滤 波 器 组 , 将 信 号分 解 成
12、低 频 近 似 信 号 和 高 频 细 节 信 号 两 部 分 , 在 下 一 层的 分 解 中 , 又 将 低 频 部 分 再 分 解 成 更 低 频 和 更 高 频 两 部分 , 依 此 类 推 , 完 成 更 深 层 次 的 小 波 分 解 , 如 图 5 所 示 。选 择 合 适 的 小 波 基 及 分 解 层 数 对 特 征 提 取 至 关 重要 。 经 过 对 各 小 波 函 数 的 比 较 和 频 率 分 析 试 验 , 选 用Daubechies 小 波 , N 值 取 7 时 , 其 小 波 函 数 图 形 如 图 6 所示 。 音 频 文 件 采 样 频 率 为 11 .
13、025kHz, 即 Nyquist 频 率 为5 . 512kHz, 进 行 7 级 小 波 分 解 , 可 获 得 8 个 小 波 系 数 。这样 , 原 信 号 就 可 表 示 为 不 重 叠 的 各 个 子 带 的 小 波 系 数 之和 。 各 分 解 系 数 对 应 的 频 带 范 围 如 表 1 所 示 。( 4 ) 分 割 信 号 : 分 割 信 号 为 按 一 定 长 度 的 帧 , 提 取 最能 体 现 其 特 点 的 部 分 , 以 降 低 信 号 长 度 , 减 少 运 算 量 。( 5 ) 归 一 化 : 按 信 号 幅 度 绝 对 值 的 最 大 值 做 归 一 化 处
14、 理 , 得 到 长 度 范 围 、 幅 值 范 围 统 一 的 信 号 。 3 雷 声 信 号 的 小 波 变 换非 平 稳 信 号 的 模 式 特 征 存 在 于 时 域 与 频 率 域 中 , 使 用 传 统 变 换 方 法 提 取 特 征 不 能 达 到 较 好 的 效 果 。 利 用 小波 分 析 方 法 进 行 雷 声 信 号 特 征 提 取 的 框 图 如 图 4 所 示 。( 1 ) 小 波 变 换 : 雷 声 信 号 作 为 非 平 稳 信 号 , 其 统 计 特 性 随 时 间 而 变 , 所 以 其 局 部 性 的 研 究 需 要 使 用 时 域 和 频域 的 二 维 联
15、 合 表 示 , 否 则 会 导 致 提 取 的 特 征 不 够 准 确 。信表 1 七 层 小 波 分 解 系 数 的 频 带 范 围号 经 过 小 波 变 换 , 可 以 分 成 不 同 的 子 带 , 每 个 子 带 内 的 小 波 系 数 表 现 了 信 号 相 应 带 内 的 能 量 分 布 。 小 波 分 解 结2 电子技术应用2007 年第 5 期本 刊 邮 箱 : e ta ncs e . com . cn119分 解 系 数频 带 范 围 ( Hz )a10 43d743 86d686 172d5172 344d4344 689d3689 1378d21378 2756d12
16、756 5512特 征雷 声 信 号撞 击 声 信 号!2P P22 =x(t )dt向 量R 因 此 信 号 在 时 域 上 的 能 量 等 于 其 在 L2 (R ) 空 间 上 范数的平方。 对于一个可容许的小波函数 !(t)和信号 x(t )3 ,有 :2 k Z= P P222即 W! x(j , k )= P P2 , & xl22j Z + k Z式 中 , j 为 尺 度 参 数 , k 为 位 移 参 数 。这 样 就 建 立 了 小 波 系 数 与 信 号 能 量 在 时 域 上 的 等 价 关 系 。 系 数 较 大 者 携 带 的 信 号 能 量 较 多 , 系 数 较 小 者 携 带 的 信 号 能 量 较 少 。 因 此 , 对 不 同 子 带 内 的 小 波 系 数 进 行 统 计 分 析 , 可 以 获 得 声 音 信 号 的 分 布 特 征 。 这
