《小波变换在驾驶舱话音记录器开关声分析中的应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《小波变换在驾驶舱话音记录器开关声分析中的应用（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、小波变换在驾驶舱话音记录器开关声分析中的应用 杨琳1,程道来3,关磊1，郭健翔2，仪垂杰2 (1. 中国民用航空总局航空安全技术中心 北京 100028) (2. 青岛理工大学 山东 青岛 266033) (3. 上海理工大学动力工程学院 上海 200093) 机载驾驶舱话音记录器1,2 (Cockpit Voice Recorder, 以下简称 CVR)是航空器事故调查的关键证据之一,它不仅能够判断机组的操纵、意识、决断、生理心理状态,还可以分析航空器状态及所处环境。对事故调查员而言，驾驶舱中的非人声成分是重要的信息来源。在这些声响中，有各种开关、报警声、发动机噪音、机组座位的移动声、风档玻
2、璃刮水器的马达声、襟翼、缝翼和起落架操纵手柄的使用音响等。这些声音往往意味着一些特殊的操作或事件，常常用于判断系统的故障、发动机转速、飞机速度、特定操作或事件发生的时间以及气象环境等。识别和提取这些背景声，找出背景声谱特征，是有效、准确获得舱音背景信息的关键。国外航空事故调查机构1依据傅立叶理论分析方法，利用短时傅立叶变换（STFT），对特定飞机事故中的舱音信息从理论和试验两方面进行研究。国内舱音辨识是基于计算机音频技术的记录器译码系统，通过人耳辨听完成1-4，这种方法容易漏掉一些重要信息，也不易获得准确的声音特征，而声音中大量非平稳信号，如瞬时性开关声响等，需要用现代时-频分析方法来实现。
3、本文以 CVR 记录的给定开关声为例，利用小波变换理论，确定该开关声的声频特性，为该类型舱音信号的识别提供途径。 1问题的提出 利用驾驶舱话音记录器译码系统5对某机型飞机着陆阶段连续舱音信号进行辨听，选取一给定开关声。截取该开关声信息时段的波形图起止时间是 0.0000.681 秒，信号长度为 21793 个采样点，以switch signal.wav 文件存储，得到其声谱图（如图 1 所示）和频谱图（如图 2 所示）。声谱图中横坐标表示时间，单位是秒.毫秒（s.ms）；纵坐标表示频率，单位是赫兹（Hz），声谱图中不同颜色表示舱音不同声频强度，颜色越深（红）表示舱音声频强度越大。 图 1 开关
4、声响的声谱图 图 2 开关声响的频谱图 分析图 1、图 2 可以看出： 1) 开关声在 Cue02 和 Cue03 之间，起止时间为 0.2280.376 秒，时间历程 0.087 秒，是典型瞬态信号，其他时间段的舱音信号可视为噪声信号； 2) 开关声能量集中在 08,000Hz 频率段，最大相对能量值约为-18dB，最高频率约为8,000Hz。 从图 1 和图 2 中只能获得开关声起止时间、频率变化范围和能量大小，不能直接发现该开关声其他更多特征。拟用小波变换理论对开关声进行降噪，进一步提取分析声音特征。 2背景理论5 小波分析是 20 世纪 80 年代后期在傅立叶分析基础上发展起来的。傅立
5、叶分析仅能单独用时域或频域表示信号特征，适合于平稳信号的分析，而小波分析能同时用时域和频域的联合分布表示信号特征，能根据高、低频信号的特点，自适应地调整时-频窗，在时-频局部化的精细方面和灵活性方面具有独到的优势，适合非平稳信号分析以及信号与噪声的分离。 对信号特征的分析从时域和频域两方面进行，由于频域能更直接地表现信号特征，所以通常从频域角度分析信号特征。对假设信号 f(t)而言，从时域到频域的转换通过基函数完成，转换后的幅值大小由转换系数体现。作为傅立叶分析的傅立叶变换（见式 1），其基函数是三角函数。f(t)在函数j te的投影值，变换的结果为傅立叶系数，将系数乘以j te叠加，就得到原
6、来信号值。作为小波分析的小波变换，其基函数为小波函数，小波变换是求出 f(t)在各个小波函数上的投影值。由于每个小波函数均由一个母小波函数经过尺度(scale)伸缩和时间平移得来，因此，小波变换写为式： F（）=dtetf Rtj)( R (1) C (,)=( ) ( , )fd (2) 3 开关声的小波分解5-6 3.1 开关声的三尺度一维离散小波分解方法 小波变换的小波分析方法很多，本文确定采用二进制 Daubechies 小波 db1,对开关声进行三尺度一维离散小波分解，如图 3 所示。对 switch signal.wav 开关声的三尺度(scale=3)一维离散小波分解及分析在 M
7、ATLAB 语言平台上完成。 图 3 开关声的三尺度小波分解 3.2 小波分解分析过程及降噪 1） 装载开关声信号。利用小波中的 load 语句装载开关声 switch signal.wav 文件。 2） 三尺度分解。用 wavedec 语句多尺度一维小波分解函数对开关声进行三尺度分解，得到低频近似值 a3和高频详细值 d1、d2、d3，则开关声可表达为 s= f(t)= a3+ d1+d2+d3。分解结果如图 4所示，横坐标开关信号长度 Nmax=21,793，纵坐标为相对幅度（小波系数）。 3） 提取三尺度分解小波系数。分别用 appcoef 语句和 detcoef 语句从小波分解中提取一
8、维小波的低频系数和高频系数，结果见图 5 左侧。 4） 信号降噪。图 5 左侧的一维小波低频系数和高频系数都包含了除开关声外的噪声信号，调节各个尺度软阀值去噪得到开关声，结果见图 5 右上部的黄色部分。 图 4 开关声三尺度的一维离散小波分解 图 5 小波系数、阀值系数及去噪信号 5） 开关声的特征频率分析。对去噪后的信号进行小波分析，得到图 6 所示的开关声特征频谱图，图中各点对应的特征频率值及幅值（能量）大小如表 1 所示。 图 6 开关声的特征频谱图 表 1 开关声的特征频谱值一览表 位置点(No.) 1 2 3 4 5 6 7 频率(Hz) 3872 4150 7744 8256 11
9、808 12224 15648 幅值(Amplitude) 817.6 1047.3 277.1 331.1 209.2 222.9 195.9 4 结果分析 从图 2、图 4、图 6 和表 1 中可以看出： 1) 开关声频率比非开关声噪声要高，图 4 中开关声三尺度一维离散小波分解值出现在小波高频系数部分，而不是出现在常规的小波低频系数部分。 2) 开关声存在基频，分别是表 1 中的位置点 1 和点 2，基频大小分别为 3872Hz 和 4,150Hz；同时存在倍频成分，分别对应于表 1 中位置点 3、点 5、点 7 和点 2、点 4。 3) 开关声基频强度比倍频高，倍频成分强度递减。 5 结 论 利用驾驶舱话音记录器译码系统对某机型飞机着陆阶段连续舱音信号进行辨听，选取一给定开关声。该开关声具有瞬变、非平稳信号的特点。基于小波变换理论，提出利用一维离散 Daubechies 小波函数 db1 小波进行三尺度小波分析，得到传统辨听方法得不到的、更多的声音特性信息，为该类型舱音信号的识别提供了一种新的途径。
