摘 要： 地下拾音報警系統(tǒng)" title="報警系統(tǒng)">報警系統(tǒng)以其隱蔽性強、監(jiān)控范圍廣等優(yōu)點受到文物保護部門的關(guān)注。給出了一種基于小波" title="小波">小波變換，利用能量等價關(guān)系構(gòu)造特征空間的方法，可以有效地識別雷聲信號，降低雷聲造成的誤報率，從而有效地改進了地下拾音報警系統(tǒng)的性能。
關(guān)鍵詞： 聲控報警 雷聲信號? 小波分析? 特征提取" title="特征提取">特征提取? 安防系統(tǒng)
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近年來，文物安全問題日趨嚴峻，常見的安防報警手段如視頻監(jiān)控、玻璃破碎探測器等，不適于對室外環(huán)境下不可移動文物的保護。在探索新的安防模式的過程中，提出了一種基于聲音信號的地下拾音報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)隱蔽性強、成本較低、能夠消除報警死區(qū)、縮短報警反應(yīng)時間，比較適于對室外環(huán)境下的文物實行全面的技術(shù)防范。但由于自然界的雷聲會造成設(shè)備頻繁地誤報警，所以需要消除雷聲對系統(tǒng)的干擾，為此，要對雷聲信號進行分類識別、特征提取，成為消除干擾的關(guān)鍵的一步。
以往的處理方法及存在的問題大致歸納為如下三種：(1)在有雷聲時采取暫時關(guān)閉監(jiān)控設(shè)備，但易造成漏報。(2)通過聲強區(qū)分信號，但易將雷聲信號和其他監(jiān)聽信號混淆。(3)使用傳統(tǒng)方法通過計算頻域" title="頻域">頻域峰值作為特征進行分析，但是經(jīng)典的傅立葉變換只能針對平穩(wěn)信號進行分析。在此基礎(chǔ)上使用加窗的方法來處理非平穩(wěn)信號的短時傅里葉變換，雖然有所進步，但是分析窗恒定的大小和形狀仍無法滿足要求[1]。針對以上三種處理方法所存在的問題，本文采用具有多分辨率特點的小波變換" title="小波變換">小波變換方法，對非平穩(wěn)的雷聲信號的局部特征進行分析。
1 地下拾音報警系統(tǒng)
1.1聲音信號的優(yōu)勢
聲音信號作用于安防系統(tǒng)有其獨特的優(yōu)勢：其快速傳遞的特性使得實現(xiàn)迅速報警成為可能；聲波可在空氣、水、土壤、金屬等物體內(nèi)傳遞，因此，防范區(qū)域可以延伸到周邊地區(qū)，異常目標(biāo)在進入監(jiān)控區(qū)域之前就可以被發(fā)現(xiàn)，起到預(yù)警的作用；聲波以球面波的形式向四周均勻擴散（聲輻射），也可以繞過障礙物的遮擋，發(fā)生聲繞射（衍射），為消除監(jiān)控系統(tǒng)的防范死區(qū)提供了可能。
1.2 地下拾音報警系統(tǒng)工作原理
地下拾音報警系統(tǒng)集集群監(jiān)聽、地下拾音、聲控報警等功能于一體，利用埋于地下20厘米處的地下聲敏傳感器，可拾取地表(半徑20米)、地下(30米)的微弱的聲音信號，經(jīng)物理諧振腔放大后以模擬信號輸出，其有效傳輸距離不小于1500米。設(shè)備工作時，監(jiān)控區(qū)域被認為是安靜的，任何聲響都被視為異常，一旦傳感器所采集的聲音信號的強度超過設(shè)定門限就觸發(fā)報警行為。
2 雷聲信號預(yù)處理
雷聲信號預(yù)處理是：聲敏傳感器采集音頻信號后，經(jīng)前端調(diào)制器將模擬音頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)過中間的音頻傳輸控制線傳送到監(jiān)控室中的計算機，形成音頻文件，作為雷聲信號的原始特征；對信號進行預(yù)處理，去除噪聲等的干擾，初步了解信號的時頻特征。預(yù)處理步驟框圖如圖1所示。
?。?）去除均值：信號的均值相當(dāng)于一個直流分量，去除均值，可避免在估計該信號的功率譜時，零頻位置的譜峰影響附近的頻譜曲線。信號x(t)的均值常由下式估計。
?。?）功率譜估計：使用以傅立葉變換為基礎(chǔ)的經(jīng)典譜估計對信號頻域特征進行粗略估計。先計算N個數(shù)據(jù)的傅立葉變換（頻譜），然后取頻譜和其共軛的乘積，得到功率譜（直接法）[1]。具體公式如下：
?。?）低通濾波：一般來說，信號的低頻部分給出了信號的特征，高頻部分則與噪音及擾動聯(lián)系在一起。因此，參照聲敏傳感器的頻響參數(shù)、經(jīng)驗值及粗略估計的信號特征設(shè)置濾波器參數(shù)，對信號進行低通濾波。以損失部分細節(jié)為代價，減少后續(xù)分析的運算量。
若選擇約束最小二乘(CLS)FIR濾波器，無須專門定義幅值響應(yīng)中的過渡帶，便可在整個濾波器響應(yīng)的頻率范圍內(nèi)使用平方誤差最小化技術(shù)，逼近理想的濾波器特性。取階數(shù)為61、截止頻率為0.6（歸一化）、通帶最大偏差為0.02（dp）、阻帶最大偏差為0.008（ds）,其頻域及時域波形分別如圖2和圖3所示。
?。?）分割信號：分割信號為按一定長度的幀，提取最能體現(xiàn)其特點的部分，以降低信號長度，減少運算量。
（5）歸一化：按信號幅度絕對值的最大值做歸一化處理，得到長度范圍、幅值范圍統(tǒng)一的信號。
3 雷聲信號的小波變換
非平穩(wěn)信號的模式特征存在于時域與頻率域中，使用傳統(tǒng)變換方法提取特征不能達到較好的效果。利用小波分析方法進行雷聲信號特征提取的框圖如圖4所示。
?。?）小波變換：雷聲信號作為非平穩(wěn)信號，其統(tǒng)計特性隨時間而變，所以其局部性的研究需要使用時域和頻域的二維聯(lián)合表示，否則會導(dǎo)致提取的特征不夠準(zhǔn)確。信號經(jīng)過小波變換，可以分成不同的子帶[2]，每個子帶內(nèi)的小波系數(shù)表現(xiàn)了信號相應(yīng)帶內(nèi)的能量分布。小波分解結(jié)構(gòu)可視為由低通和高通濾波器組成的濾波器組，將信號分解成低頻近似信號和高頻細節(jié)信號兩部分，在下一層的分解中，又將低頻部分再分解成更低頻和更高頻兩部分，依此類推，完成更深層次的小波分解，如圖5所示。
選擇合適的小波基及分解層數(shù)對特征提取至關(guān)重要。經(jīng)過對各小波函數(shù)的比較和頻率分析試驗，選用Daubechies小波，N值取7時，其小波函數(shù)圖形如圖6所示。音頻文件采樣頻率為11.025kHz，即Nyquist頻率為5.512kHz，進行7級小波分解，可獲得8個小波系數(shù)。這樣，原信號就可表示為不重疊的各個子帶的小波系數(shù)之和。各分解系數(shù)對應(yīng)的頻帶范圍如表1所示。
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這樣就建立了小波系數(shù)與信號能量在時域上的等價關(guān)系。系數(shù)較大者攜帶的信號能量較多，系數(shù)較小者攜帶的信號能量較少。因此，對不同子帶內(nèi)的小波系數(shù)進行統(tǒng)計分析，可以獲得聲音信號的分布特征。這樣，就完成了從高維的小波系數(shù)矩陣到較低維的小波系數(shù)能量空間的轉(zhuǎn)化。
（3）歸一化及提高靈敏度：不同的樣本占有不同的特征空間區(qū)域，只要這些區(qū)域不相交疊，它們就可以分開。經(jīng)常采用樣本間的平均距離作為特征提取的判據(jù)函數(shù)[4-5]。由于腳步聲信號、撞擊聲信號與雷聲信號相近，所以為進一步區(qū)分，通過將特征值歸一化后作平方運算，增加特征之間的距離差距，達到提高靈敏度的目的，緩解報警高靈敏度和誤報率之間的矛盾。選取圖7所示的信號進行對比，其結(jié)果如表2所示，特征分布如圖8所示?？梢?，處理后的交叉面積有所減小。
(4）建立特征空間：可以使用以上方法求得特征向量直接構(gòu)成特征空間，如：
T=[Ea7 Ed7 Ed6 Ed5 Ed4 Ed3 Ed2 Ed1]
也可以與預(yù)處理中得到的其他特征建立組合特征空間。
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本文介紹的雷聲特征提取方法，通過在部分樣本信號上的測試，可以分辨出雷聲信號和撞擊聲信號。本方法對抑制雷聲造成的系統(tǒng)誤報警起到了初步的作用，進一步提高了安全技術(shù)防范的可靠性，對于古墓、古塔、石刻等不可移動的室外環(huán)境下的文物防盜具有一定意義。未來工作是需要對更多種類、更大數(shù)量的樣本信號進行算法測試，并結(jié)合實地應(yīng)用情況進行設(shè)計上的改進。
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參考文獻
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