一種基於窄帶編碼的地下入侵信號識別方法及系統與流程
2023-05-15 23:51:51 2
本發明涉及一種基於窄帶編碼的地下入侵信號識別方法及系統，屬於異常聲音識別技術領域。
背景技術：
隨著國內對文博安全防護工作的重視，文博安防領域對地下入侵防護產品的需求與日俱增，古墓葬安全越來越得到國家和社會的關注。目前市場上已有多種地下文物入侵預警系統產品，包括基於光纖傳感和其他傳感方式的地下入侵探測系統等，已在文物保護領域得到應用。但是這些產品在識別異常聲音上都有一定的缺陷，如施工難度的複雜性，以及對異常信號的誤報率較高，無法人工覆核等。因此需要一種具有施工簡單，對異常信號誤報率低並能人工覆核的系統，同時也需要一種與之對應的異常聲音識別方法。通常在安防系統中所謂的異常聲音信號，一般是指中低頻的聲音信號。因此，專利中將主要解決針對於中低頻的聲音信號的識別問題。
技術實現要素：
為了解決現有技術的不足，本發明提供了一種基於窄帶編碼的地下入侵信號識別方法及系統，能夠通過信號採集器採集傳感器數據，採集得到的數據經過預處理後傳送到識別器進行識別，排布簡單，尤其針對地下入侵的中低頻信號識別準確，效率高。
本發明為解決其技術問題所採用的技術方案是：提供了一種基於窄帶編碼的地下入侵信號識別方法，包括模板庫建立過程和信號識別過程；所述模板庫建立過程包括以下步驟：
(a1)採集一組中低頻單一異常信號；
(a2)對單一異常信號進行等間隔區間窄帶濾波，將單一異常信號分為n+1個頻域區間信號；
(a3)提取各頻域區間信號的能量特徵，對於第i個頻域區間信號di，其能量特徵用xi表示；
(a4)選擇一個第r個頻域區間信號dr的能量特徵xr作為參考比較量ref，將ref與其他各頻域區間信號的能量特徵輸入比較器進行比較解碼，比較器將各頻域區間信號的能量特徵與ref逐一比較，若能量特徵xi>＝ref，則輸出一位特徵碼ri＝0，否則ri＝1，全部比較結束後比較解碼器輸出由各特徵碼組成的n位特徵編碼序列res；
(a5)重複步驟(a2)至(a4)，得到每一個單一異常信號對應的特徵編碼序列，分別作為一個模板組成一個模板庫；
所述信號識別過程包括以下步驟：
(b1)採集待識別信號；
(b2)對待識別信號進行等間隔區間窄帶濾波，將待識別信號分為n+1個頻域區間信號；
(b3)提取各頻域區間信號的能量特徵，對於第i個頻域區間信號di』，其能量特徵用xi』表示；
(b4)選擇一個第r個頻域區間信號dr』的能量特徵xr』作為參考比較量ref』，將ref』與其他各頻域區間信號的能量特徵輸入比較器進行比較解碼，比較器將各頻域區間信號的能量特徵與ref』逐一比較，若能量特徵xi』>＝ref』，則輸出一位特徵碼ri』＝0，否則ri』＝1，全部比較結束後比較解碼器輸出由各個頻域區間信號對應的特徵碼組成的特徵編碼序列res』；
(b5)將待識別信號的特徵編碼序列res』依次與模板庫中的各單一異常信號對應的特徵編碼序列res進行對比識別，設res』與第j個單一異常信號sj的特徵編碼序列對比識別得到匹配度kj，將其與預設的匹配度閾值t比較，若kj>＝t時，判斷待識別信號中有異常信號sj，否則判斷待識別信號中無異常信號sj，以此判斷待識別信號中是否包含單一異常信號，並進一步判斷待識別信號中包含哪幾種單一異常信號，並將識別結果輸出。
步驟(a1)所述採集中低頻異常信號具體包括以下過程：傳感器採集聲音數據，進行濾波處理，再將濾波處理後的數據傳至放大器中放大，最後傳至ad轉換器將模擬信號轉換為數位訊號；步驟(b1)所述採集待識別信號具體包括以下過程：傳感器採集聲音數據，進行濾波處理，再將濾波處理後的數據傳至放大器中放大，最後傳至ad轉換器將模擬信號轉換為數位訊號。
步驟(a4)中r選擇起始位置或者1/20位置。
步驟(b1)採集待識別信號後，將採集到的待識別信號傳送至雲端，計算待識別信號的mfcc係數以及頻譜，與模板庫進行對比。
步驟(b5)所述匹配度kj具體通過以下過程計算：
(b5-1)設sj的特徵編碼序列為(s0，s1，s2…sm…sn)，初始化計數參數countj＝0；
(b5-2)將待識別信號的特徵編碼序列res』(r0，r1，r2…rm…rn)與第j個單一異常信號sj(s0，s1，s2…sm…sn)的特徵編碼序列進行按位逐個比較，當rm＝sm時，countj累加1；當rm≠sm時，countj不變；
(b5-3)待識別信號與單一異常信號sj的匹配度
步驟(b5)所述的匹配度閾值t根據環境進行調節，取值範圍為75％～100％。
本發明同時提供了一種基於上述識別方法的地下入侵信號識別系統，包括分布式傳感器、與分布式傳感器連接的信號採集器以及與信號採集器連接的預處理器，所述預處理器的輸出端連接識別器。
所述預處理器通過無線網絡與雲端連接。
所述預處理器包括相互連接的放大器和ad轉換器，放大器的輸入端為預處理器的輸入端，ad轉換器的輸出端為預處理器的輸出端。
本發明基於其技術方案所具有的有益效果在於：
(1)本發明提出了一種地下入侵信號識別新思路，針對中低頻特殊信號，進行窄帶分割，提取能量特徵，並將能量特徵通過與特定的ref對比，得到一組特徵編碼，並在後續將待識別信號識別轉化為特徵編碼識別，可以通過硬體ic實現信號的粗識別，施工簡單，效果顯著，尤其適合地下入侵信號識別；
(2)本發明的一種基於窄帶編碼的地下入侵信號識別方法及系統應用場景主要是在文物防盜上，識別對象主要為挖掘爆破信號，這些信號經過分析其頻帶均為中低頻，發明與現有的利用視頻追蹤或光纖原理的文物安防系統相比，針對性強，施工簡單，傳感器放置於地下20cm---45cm被防護目標的周圍，通過無線向上級傳輸數據即可，並且功耗低，適合長時間監控和識別。
附圖說明
圖1是本發明的一種地下入侵信號識別系統框圖。
圖2是本發明對單一異常信號進行窄帶濾波的示意圖。
圖3是本發明比較解碼示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
本發明提供了一種基於窄帶編碼的地下入侵信號識別方法，包括模板庫建立過程和信號識別過程；所述模板庫建立過程包括以下步驟：
(a1)採集一組中低頻單一異常信號；
(a2)參照圖2，對單一異常信號進行等間隔區間窄帶濾波，將單一異常信號分為n+1個頻域區間信號；
(a3)提取各頻域區間信號的能量特徵，對於第i個頻域區間信號di，其能量特徵用xi表示；
(a4)選擇一個第r個頻域區間信號dr的能量特徵xr作為參考比較量ref，將ref與其他各頻域區間信號的能量特徵輸入比較器進行比較解碼，比較器將各頻域區間信號的能量特徵與ref逐一比較，若能量特徵xi>＝ref，則輸出一位特徵碼ri＝0，否則ri＝1，全部比較結束後比較解碼器輸出由各特徵碼組成的n位特徵編碼序列res；
(a5)重複步驟(a2)至(a4)，得到每一個單一異常信號對應的特徵編碼序列，分別作為一個模板組成一個模板庫；
所述信號識別過程包括以下步驟：
(b1)採集待識別信號；
(b2)對待識別信號進行等間隔區間窄帶濾波，將待識別信號分為n+1個頻域區間信號；
(b3)提取各頻域區間信號的能量特徵，對於第i個頻域區間信號di』，其能量特徵用xi』表示；
(b4)參照圖3，選擇一個第r個頻域區間信號dr』的能量特徵xr』作為參考比較量ref』，將ref』與其他各頻域區間信號的能量特徵輸入比較器進行比較解碼，比較器將各頻域區間信號的能量特徵與ref』逐一比較，若能量特徵xi』>＝ref』，則輸出一位特徵碼ri』＝0，否則ri』＝1，全部比較結束後比較解碼器輸出由各個頻域區間信號對應的特徵碼組成的特徵編碼序列res』；
(b5)將待識別信號的特徵編碼序列res』依次與模板庫中的各單一異常信號對應的特徵編碼序列res進行對比識別，設res』與第j個單一異常信號sj的特徵編碼序列對比識別得到匹配度kj，將其與預設的匹配度閾值t比較，若kj>＝t時，判斷待識別信號中有異常信號sj，否則判斷待識別信號中無異常信號sj，以此判斷待識別信號中是否包含單一異常信號，並進一步判斷待識別信號中包含哪幾種單一異常信號，並將識別結果輸出。
步驟(a1)所述採集中低頻異常信號具體包括以下過程：傳感器採集聲音數據，進行濾波處理，再將濾波處理後的數據傳至放大器中放大，最後傳至ad轉換器將模擬信號轉換為數位訊號；步驟(b1)所述採集待識別信號具體包括以下過程：傳感器採集聲音數據，進行濾波處理，再將濾波處理後的數據傳至放大器中放大，最後傳至ad轉換器將模擬信號轉換為數位訊號。
步驟(a4)中r選擇起始位置或者1/20位置，可根據分割區間的個數n來選擇。當分割區間個數較大時(長度l>50hz)，也即分割區間長度較小時(長度l<50hz)，選擇dn/2；當分割區間個數較小時，也即分割區間長度較大時，選擇d0。其中，當n/20有餘數時向上取整。
步驟(b1)採集待識別信號後，將採集到的待識別信號傳送至雲端，計算待識別信號的mfcc係數以及頻譜，與模板庫進行對比。
步驟(b5)所述匹配度kj具體通過以下過程計算：
(b5-1)設sj的特徵編碼序列為(s0，s1，s2…sm…sn)，初始化計數參數countj＝0；
(b5-2)將待識別信號的特徵編碼序列res』(r0，r1，r2…rm…rn)與第j個單一異常信號sj(s0，s1，s2…sm…sn)的特徵編碼序列進行按位逐個比較，當rm＝sm時，countj累加1；當rm≠sm時，countj不變；
(b5-3)待識別信號與單一異常信號sj的匹配度
步驟(b5)所述的匹配度閾值t根據環境進行調節，通常是認為在85％以上就行，當環境噪聲比較大時，可以將閾值降低到75％～80％之間。具體應用時閾值的確定可根據應用的環境中的實驗數據進行確定。
本發明同時提供了一種基於上述識別方法的地下入侵信號識別系統，參照圖1，包括分布式傳感器、與分布式傳感器連接的信號採集器以及與信號採集器連接的預處理器，所述預處理器的輸出端連接識別器。
所述預處理器通過無線網絡與雲端連接。
所述預處理器包括相互連接的放大器和ad轉換器，放大器的輸入端為預處理器的輸入端，ad轉換器的輸出端為預處理器的輸出端。