一種雷聲實(shí)時(shí)識(shí)別方法

衛(wèi)克晶, 李浩然, 孫學(xué)金, 張傳亮

(解放軍理工大學(xué) 氣象海洋學(xué)院， 江蘇 南京 211101)

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一種雷聲實(shí)時(shí)識(shí)別方法

衛(wèi)克晶, 李浩然, 孫學(xué)金, 張傳亮

(解放軍理工大學(xué) 氣象海洋學(xué)院， 江蘇 南京 211101)

針對(duì)傳統(tǒng)雷聲識(shí)別方法識(shí)別速度慢、穩(wěn)定性不佳的問題，提出一種基于端點(diǎn)檢測(cè)和特征提取的雷聲快速識(shí)別方法。通過(guò)端點(diǎn)檢測(cè)提取出異常聲音，建立基于頻譜信息的特征向量，求得異常聲音信號(hào)的特征向量與實(shí)驗(yàn)得出的雷聲標(biāo)準(zhǔn)特征向量之間的相關(guān)系數(shù)，用閾值法判別異常聲音信號(hào)是否為雷聲。多種干擾源和信噪比測(cè)試結(jié)果表明，該方法的識(shí)別速度快，識(shí)別效率高。

雷聲識(shí)別； 端點(diǎn)檢測(cè)； 特征提取； 相關(guān)系數(shù)； 信噪比

0 引 言

閃電通道的急劇升溫膨脹產(chǎn)生爆炸式?jīng)_擊波向外傳播并轉(zhuǎn)化為聲波，即雷聲[1]。自然界的雷聲是很多聲音報(bào)警系統(tǒng)的干擾源[2]。同時(shí)，根據(jù)雷聲的到達(dá)時(shí)間差可以對(duì)閃電進(jìn)行定位，并描繪出閃電發(fā)生、發(fā)展的三維通道[3]。

Schmidt[4]首次開展了雷聲與聲壓變化的研究。20世紀(jì)60年代，F(xiàn)ew[5]研究了雷聲聲源定位的問題，而后，Nakano等[6-7]在Few所做工作的基礎(chǔ)上改善了定位結(jié)果。國(guó)內(nèi)在這方面也開展了一些工作，章涵等[8]設(shè)計(jì)了一套雷聲聲源單站閃電通道三維定位系統(tǒng)，但是，并未考慮到雷聲識(shí)別的問題。柴燁等[2]通過(guò)小波分析分辨出雷聲及與之相近的撞擊聲。程飛[9]用小波分析的方法提取雷聲的小波子帶空間分布特征，通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)雷聲進(jìn)行識(shí)別。小波分析雖然是一種較好的時(shí)頻分析方法，但是不同情況下，選取的小波基函數(shù)不同，特征提取方法也不同；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雖然識(shí)別效果較好，但是存在訓(xùn)練速度慢，結(jié)果不穩(wěn)定的問題。針對(duì)以上處理方法存在的問題，本文提出一種基于特征提取的雷聲實(shí)時(shí)識(shí)別方法，能夠提取不同噪音環(huán)境下的雷聲及其特征，并進(jìn)行快速識(shí)別。

1 聲音信號(hào)的預(yù)處理

1.1 去均值

信號(hào)的均值相當(dāng)于一個(gè)直流分量，去除均值，可避免在估計(jì)該信號(hào)的功率譜時(shí)，零頻位置的譜峰影響附近的頻譜曲線。長(zhǎng)度為N信號(hào)x(t)的均值常由下式估計(jì)[9]:

(1)

2.2 雙門限端點(diǎn)檢測(cè)[10]

端點(diǎn)檢測(cè)就是準(zhǔn)確地找出雷聲的起始點(diǎn)與終止點(diǎn)，這是雷聲識(shí)別的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。有效的端點(diǎn)檢測(cè)不僅能消除噪音干擾，而且可以縮短聲音信號(hào)的處理時(shí)間。

雷聲的聲音信號(hào)幅度高，可以利用短時(shí)能量來(lái)檢測(cè)。短時(shí)能量的定義為：

(2)

在檢測(cè)異常聲音時(shí)，采用雙門限端點(diǎn)檢測(cè)算法，如圖1所示。

該算法選取較低能量門限和較高能量門限相結(jié)合的方法(圖1中低能量門限為背景噪音平均能量的2倍，高能量門限是多幀異常聲音數(shù)據(jù)的平均能量)。超過(guò)高門限就確定該段聲音為異常聲音，低門限用于確定該聲音真正的端點(diǎn)。提取出端點(diǎn)檢測(cè)出的異常聲音，并設(shè)定持續(xù)時(shí)間的閾值來(lái)除去瞬時(shí)噪聲的影響。

2 異常聲音識(shí)別

2.1 特征提取

目前，聲音識(shí)別技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但主要側(cè)重于語(yǔ)音識(shí)別，對(duì)自然狀態(tài)下的聲音信號(hào)的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到語(yǔ)音識(shí)別的水平，主要依賴各種聲音信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征。廣泛采用的主要有：短時(shí)能量、短時(shí)過(guò)零率、Mel倒譜系數(shù)(MFCC)、線性預(yù)測(cè)編碼(LPC)、知覺線性預(yù)測(cè)(PLP)、線性預(yù)測(cè)倒譜系數(shù)(LPCC)、小波變換(WT)、希爾伯特-黃變換(HHT)、頻譜流量、語(yǔ)音持續(xù)時(shí)間、共振頻率、基音頻率等[11]。為了找到特征突出，可供實(shí)時(shí)、快速識(shí)別的方法，引入功率譜函數(shù)[11]。

功率譜函數(shù)可分為自功率譜函數(shù)和互功率譜函數(shù)，這里主要應(yīng)用的是自功率譜函數(shù)。自相關(guān)函數(shù)間接給出了隨機(jī)過(guò)程中的頻率信息，根據(jù)自相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換及其逆變換，并依據(jù)自相關(guān)函數(shù)的定義得到[12]：

(3)

式中：f(τ)為隨機(jī)過(guò)程;Wt(f)為等效的單邊譜密度函數(shù);f為頻率。

綜上所述，計(jì)劃生育政策的三種實(shí)行模式的軌跡是動(dòng)態(tài)變化的，整體上呈現(xiàn)趨同化，具有一定的共通性和互補(bǔ)性。 基于此，計(jì)劃生育政策的實(shí)行不應(yīng)采用單一模式，而是根據(jù)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需求進(jìn)行回應(yīng)性的選擇。

在聲音信號(hào)頻譜分析中，功率譜密度不代表真正物理意義上的功率或能量，但可以看作是信號(hào)在單位頻帶內(nèi)諧波分量的能量按頻率分布的度量，即功率譜密度表征了一定頻率諧波分量能量的相對(duì)大小。因此,可以利用功率譜對(duì)聲音信號(hào)在一定頻帶范圍內(nèi)的能量分布進(jìn)行分析[13]，根據(jù)雷聲信號(hào)的特征建立基于頻帶能量的雷聲信號(hào)特征向量。

2.2 聲音識(shí)別

環(huán)境聲音識(shí)別的研究大多沿用了語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、高斯混合模型(GMM)、支持向量機(jī)(SVM)、貝葉斯分類器等[9,14-15]。這些算法的應(yīng)用都需要經(jīng)過(guò)大量樣本訓(xùn)練或大量計(jì)算，其算法復(fù)雜度高，識(shí)別時(shí)間較長(zhǎng)，硬件實(shí)現(xiàn)困難。研究雷聲識(shí)別，在于找到絕大部分雷聲的共同點(diǎn)，從雷聲的共性出發(fā)，找到識(shí)別雷聲的方法，亦即只要將雷聲與非雷聲區(qū)分開即可。基于此，本文提出一種基于雷聲特征向量相關(guān)度的雷聲識(shí)別算法。

設(shè)2個(gè)序列分別為α(n)和β(n)，則兩者的互相關(guān)系數(shù)為：

(4)

由于α(n)，β(n)是2個(gè)能量有限的確定性信號(hào)，它們各自能量乘積的開方是一個(gè)常數(shù)，式(4)除以α(n)，β(n)各自能量乘積的開方，進(jìn)一步歸一化處理后可得歸一化相關(guān)系數(shù)[13]：

(5)

由Schwartz不等式，有：

(6)

分析式(5)可知，當(dāng)α(n)=β(n)時(shí)，ραβ=1，2個(gè)信號(hào)完全相關(guān)，這時(shí)rαβ取得最大值；ραβ=1時(shí)，2個(gè)信號(hào)完全不相關(guān)，這時(shí)rαβ=0。因此α(n)和β(n)之間的相似程度可以用rαβ和ραβ來(lái)描述。基于此，設(shè)定相關(guān)系數(shù)閾值ρTh。當(dāng)ραβ<ρTh時(shí)，表明該聲音是非雷聲；當(dāng)ρxy>ρTh時(shí)，表明該聲音是雷聲。

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 特征向量和ρTh的確定

表1 雷聲信號(hào)能量分布特征分析計(jì)算結(jié)果

表2 雷聲樣本特征向量與0的相關(guān)系數(shù)

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，雷聲樣本的相關(guān)系數(shù)最小0.823 3，最大0.986 6，平均0.898 7。因?yàn)椴粌H產(chǎn)生雷聲的閃電有云閃和低閃之分，不同的傳播距離上，雷聲的頻譜衰減也不一樣。為了最大限度識(shí)別每個(gè)雷聲信號(hào)，設(shè)定相關(guān)系數(shù)閾值ρTh為0.82。

3.2 有效性測(cè)試

自然狀態(tài)下對(duì)雷聲識(shí)別干擾較大的聲音有昆蟲聲、風(fēng)聲、雨聲、人的說(shuō)話聲等。表3列舉了15個(gè)測(cè)試干擾音和5個(gè)測(cè)試?yán)茁曅盘?hào)的特征向量與標(biāo)準(zhǔn)特征向量的相關(guān)系數(shù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，15種干擾聲音特征向量與標(biāo)準(zhǔn)向量的相關(guān)系數(shù)均小于閾值，即這15種干擾聲音全部可以識(shí)別出來(lái)。同時(shí)，爆炸聲、槍響的特征向量與標(biāo)準(zhǔn)向量的相關(guān)系數(shù)仍然較高，有一定的概率出現(xiàn)誤識(shí)別。通過(guò)分析這兩種聲音的功率譜可以發(fā)現(xiàn)，這3種聲音信號(hào)的頻域波形與標(biāo)準(zhǔn)雷聲較為接近。為了提高區(qū)分度，也可以通過(guò)引入時(shí)域特征，提高特征向量的維數(shù)。

表3 測(cè)試信號(hào)特征向量與0的相關(guān)系數(shù)值

3.3 不同信噪比下的ρ值測(cè)試

一般來(lái)說(shuō)，雷聲的聲強(qiáng)是較大的，但是經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離傳播過(guò)后雷聲明顯減小，信噪比會(huì)變大。也就是說(shuō)，對(duì)不同信噪比條件下雷聲的識(shí)別能力決定了能檢測(cè)到的最遠(yuǎn)雷聲聲源的距離。下面測(cè)試不同信噪比條件下雷聲樣本的特征向量與標(biāo)準(zhǔn)雷聲特征向量之間的相關(guān)系數(shù)ρ，選取的是相對(duì)純凈(ρ=0.986 6)的雷聲信號(hào)，疊加噪聲為高斯白噪聲，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，在信噪比為-9 dB(最惡劣)的情況下，該方法仍能有效識(shí)別雷聲。從相關(guān)系數(shù)ρ隨信噪比變化趨勢(shì)也可以看出，信噪比大于0.0 dB時(shí)，ρ較為穩(wěn)定，一直在0.9以上；信噪比小于-9.0 dB時(shí)，ρ開始急劇下降，說(shuō)明此時(shí)識(shí)別的效率開始降低。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以雷聲作為研究對(duì)象，通過(guò)端點(diǎn)檢測(cè)提取雷聲，經(jīng)過(guò)特征分析建立了雷聲的特征向量，提出了一種快速識(shí)別雷聲的方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定雷聲的標(biāo)準(zhǔn)特征向量和相關(guān)系數(shù)閾值。在不同信噪比環(huán)境下的測(cè)試表明該方法在保證識(shí)別精度的條件下，成本和計(jì)算復(fù)雜度低，易于硬件實(shí)現(xiàn)。下一步的工作應(yīng)主要圍繞以下幾點(diǎn)展開：① 進(jìn)一步提高端點(diǎn)檢測(cè)的精度; ② 開展雷聲的頻域和時(shí)域特征的相關(guān)研究，并將雷聲的時(shí)-頻特征結(jié)合，提高雷聲和干擾聲相關(guān)系數(shù)的區(qū)分度。

致謝：感謝http://www.yinxiao.net/提供的音效資源。

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A Method for Real-time Recognition of Thunder

WEIKe-jing,LIHao-ran,SUNXue-jin,ZHANGChuan-liang

(Institute of Meteorology and Oceanography, PLA University of Science and Technology, Nanjing 211101, China)

Due to the low recognition speed and poor stability of traditional method in thunder recognition, in this paper, a method for real-time recognition of thunder was put forward based on endpoint detection and feature extraction. Firstly, the abnormal acoustic signal was extracted by endpoint detection. Then, the eigenvector based on frequency spectrum was established and the related coefficient between the eigenvectors of the abnormal acoustic signal and standard thunder acoustic signal that was measured by experiment was obtained. Finally, the threshold method was introduced to identify whether the abnormal acoustic signal was thunder or not. The tests of interfering and noise superpositions showed that the method for identifying thunder is fast and highly efficient.

thunder recognition; endpoint detection; feature extraction; related coefficient; SNR

2014-04-17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41205125)

衛(wèi)克晶(1978-)，女，山西芮城人，講師，主要研究方向?yàn)橹悄軆x器儀表。Tel.:025-80830635； E-mail:wa691117@163.com

P 427.4+2

A

1006-7167(2015)03-0027-04