基於音頻特徵識別的江河湧潮檢測方法
2023-12-06 08:07:21
專利名稱：基於音頻特徵識別的江河湧潮檢測方法
技術領域：
本發明屬於自動化技術領域，涉及到一種基於音頻識別的江河湧潮實時 自動檢測方法，可用於江河湧潮監測與預報預警。
技術背景地球和月球間的引力和離心力差會引起海平面的變化，會形成的潮水漲 落。而在世界上許多強潮河口，由於特殊的地理結構會形成兇猛的湧潮，湧 潮來勢兇猛、行進快速快、紊動強烈(如杭州灣喇叭口地形所形成的天下奇 觀一一錢江大潮以及巴西亞馬遜河潮)。由於人們對江潮習性認識不足以及 缺乏對湧潮到達沿江各危險點時間的準確預報，對沿江人們的生產、生活帶 來一定的破壞性，常年發生人員傷亡等事件。雖然水文水利部門可根據天文 數據進行湧潮預報，但由於沿江各個危險點受風力、風向以及其河床特殊地 理與演變，水文部門對湧潮的預報時間與湧潮實際到達現場的時間有時誤差 高達1小時甚至更多，由此對沿江相關作業生產和觀潮帶來極大的安全隱患。關於內河水情監測方面運用較多，如水情監測系統在龍鳳山灌區的應 用、黃河三門峽至小浪底區間水情自動測報系統、分布式監測技術及其在水 情監測系統中的應用等等。國內相關發明專利，實時水文信息自動監測和災情預警報警系統(200610111352. X)提出一種基於實時水文信息的自動監測 和災情預警方法。目前國內外基於音頻識別的相關技術研究較多，如直升機聲信號的檢測 和識別，不同車型的車輛音頻與振動信號特徵，倉儲物害蟲音頻的模式識別 等，但利用音頻識別技術進行湧潮自動識別與監測尚未見報導。其中不同車 輛音頻識別方法是基於獨立分量分析，語音和音樂的音頻活動檢測方法是基 於信噪比測量的統計量進行判斷和處理等等。由於湧潮潮頭伴有較強的聲 音，與江邊的其它環境聲音(各種車輛、船舶、動物等)有明顯區別，本江河湧潮識別方法是一種基於音頻能量特徵幅值，通過提取其音頻能量特徵， 有效識別湧潮，並建立其監測預報系統。與目前水文部門的預報相比，該方 法方便易用，能顯著提高預報的實時性和準確度，為沿江生產作業和觀潮提 供了有力的預警安全保障。 發明內容本發明目的在於提供一種基於音頻特徵識別的江河湧潮檢測方法。 本發明方法通過在沿江布設的音頻探測裝置，由其負責採集湧潮音頻信 號，分析處理、識別，並將湧潮到達信息通過無線通訊網絡發送到湧潮監測 中心；中心根據湧潮達到信息再向沿江上遊各危險點發出該湧潮安全預報。 通過音頻探測裝置採集湧潮音頻信號，對其音頻信號進行帶通濾波保留對湧 潮音頻識別有用的頻段，提取該頻段的特徵——音頻能量，計算其能量幅值， 並根據湧潮頻譜特徵而預先設定的門限，進行湧潮自動識別監測點是否有湧 潮，並對其上遊監測點作湧潮預報。 本發明方法的具體步驟是1、 音頻探測裝置接收音頻信號，對接收的音頻信號進行帶通濾波，濾除有效音頻信號頻率範圍fl f2以外的噪聲信號，500Hz《fl《2000Hz、2500 《f2《4000Hz;所述的音頻探測裝置為設置在水上的麥克風或設置在水下的 聲納；2、 對連續T時間長度的音頻信號進行離散傅立葉變換，1秒《T《20秒； 所述的進行離散傅立葉變換是對T時間內的個採樣點 b(0),x(l),…，;c(A^l》做如下的變換，得到其一維頻譜序列X(w);formula see original document page 4利用下式計算得到湧潮音頻能量平均值^verage; 其中iV是T時間內採樣點的個數，《是採樣點的幅值；3、如果湧潮音頻能量平均值^verage大於設定的閾值A(0.6《A《1.2) 則判斷有湧潮並發出報警信號，如果小於設定的閾值A則返回步驟1。本發明利用潮水發出的音頻來檢測潮水，其最大優點是非接觸測量，避 免傳感器直接放入水而造成的傳感器設備遭腐蝕和因大潮造成設備被物理 打壞的惡劣水環境條件。本發明實時自動監測方法，可用於江河湧潮監測與 預報預警，通過幾十次的實驗表明，利用音頻檢測大潮的準確度也可達到 90%，如果輔以水位和流速檢測則可達99%。
圖l為本發明的流程圖。
具體實施方式
如圖l，針對錢塘江的潮水識別，基於音頻特徵識別的江河湧潮檢測方 法的具體步驟如下1. 接收水下和水上的音頻信號；2. 對信號進行帶通濾波，截取2000 4000Hz之間的一段音頻信號；3. 連續採集15秒信號進行採樣和傅立葉變換。採樣頻率為44. 1KHZ;4. 設置音頻能量平均值門限為0. 99;5. 若音頻能量平均值(^^"g。大於0.99，則輸出報警信息，否則回 到步驟l。通過在錢塘江邊鹽官、老鹽倉、倉前、七堡等10個月20次採集的數據 計算分析表明，把閾值設置為0.9已經能夠很好地利用該方法檢測出潮頭在 30cm以上的潮水。
權利要求
1、基於音頻特徵識別的江河湧潮檢測方法，其特徵在於該方法的具體步驟是(1)音頻探測裝置接收音頻信號，對接收的音頻信號進行帶通濾波，濾除有效音頻信號頻率範圍f1～f2以外的噪聲信號，500Hz≤f1≤2000Hz、2500≤f2≤4000Hz；所述的音頻探測裝置為設置在水上的麥克風或設置在水下的聲納；(2)對連續T時間長度的音頻信號進行離散傅立葉變換，1秒≤T≤20秒；所述的進行離散傅立葉變換是對T時間內的N個採樣點{x(0)，x(1)，…，x(N-1)}做如下的變換，得到其一維頻譜序列X(n)；<![CDATA[ X ( n )= k=0 N-1 x ( k ) e -2ink/N ,k=0,1,,N-1 ]]>利用下式計算得到湧潮音頻能量平均值Average；<![CDATA[ Average= ( i = 0 N - 1 Xi )/N ]]>其中N是T時間內採樣點的個數，Xi是採樣點的幅值；(3)如果湧潮音頻能量平均值大於設定的閾值A則判斷有湧潮並發出報警信號，如果小於設定的閾值A則返回步驟(1)，0.6≤A≤1.2。
全文摘要
本發明涉及基於音頻特徵識別的江河湧潮檢測方法。目前技術對湧潮的預報誤差較大，並且缺少實時性。本發明方法首先通過設置在水上的麥克風或設置在水下的聲納接收音頻信號，對接收的音頻信號進行帶通濾波；然後對連續T時間長度的音頻信號進行離散傅立葉變換，得到其一維頻譜序列X(n)，再計算得到湧潮音頻能量平均值；如果湧潮音頻能量平均值大於設定的閾值A則判斷有湧潮並發出報警信號。本發明採用非接觸測量，避免傳感器直接放入水而造成的損壞。本發明方法實時自動檢測方法，可用於江河湧潮檢測與預報預警，準確度可達到90％。
文檔編號G01C13/00GK101403636SQ20081012188
公開日2009年4月8日 申請日期2008年10月21日 優先權日2008年10月21日
發明者吳佩賢, 王建中, 王瑞榮, 薛安克, 鄒洪波 申請人:杭州電子科技大學