一种枪声探测计数方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及声音信号处理领域，尤其是枪声探测计数技术，更具体的本发明涉及 一种枪声探测计数方法及系统。
【背景技术】
[0002] 枪声探测计数一般用于靶场子弹管控。弹药安全管控一直是国家安全的一项重要 任务，在军事靶场进行射击训练或民间靶场进行射击游戏时，防止射击人员私自截留子弹 弹药是非常重要的。在射击现场，如何在复杂环境下准确统计已经发射的子弹数目，以判断 是否所有子弹已经发射，还是存在没有发射被私自保留的子弹，是迫切需要解决的安全大 问题。目前的子弹管控系统中，自动电子报靶系统不仅比较昂贵，尤其是弹着点偏离靶位时 不能确定出每位射击人员射出的子弹数，达不到弹药监控的目的。因此，目前最常见的是， 通过机械式子弹计数器对子弹进行计数从而达到管控的目的。如专利CN202947531U，"一 种子弹自动计数器"中，采用传感器、计数器控制盒、数字显示屏构成机械式子弹计数器。但 是这种方法需要对每把枪加装计数器，改变了枪本身的结构，且难于维护保养，不利于推广 使用。因此，我们以被动声探测的方式，子弹探测计数系统和打靶过程完全独立，在不需要 在枪上安装计数器的情况下，对靶场环境下的密集枪声进行探测和计数，从而实现有效管 控革巴场子弹射击。
[0003]理论分析表明，枪声作为一种瞬时冲击信号，声强较强，回波明显，难以分开枪声 和回波以达到精确探测，尤其是其所具有的非平稳特性和打靶过程中枪声的密集性，为有 效计数造成了很大的困难。一般的信号处理手段只适用于平稳信号，对于准平稳信号(如语 音信号），考虑到较短时间内信号近似具有平稳特性，一般对其进行分帧处理，截取每一短 时间内的信号为一帧，则每一帧的信号变化不是很剧烈，相对较为平稳;然后分别对每一帧 进行分析，从而达到处理非平稳信号的目的。但是，枪声的非平稳性较语音更为突出，而常 见的分帧参数来源于一般的准平稳信号，因而无法满足对枪声信号做短时平稳分析的要 求。另外，枪声较为密集时，常见的特征提取和检测方法，如短时过零率等方法由于时间分 辨率太低(一般为0.1s到Is的量级，而枪声脉冲的持续时间一般为几十毫秒），也难以满足 枪声密集时探测手段的高时间分辨率要求。
[0004]目前的有关枪声的声探测系统，多采用短时能量和短时过零，或者频谱匹配、倒谱 匹配的方式。常见方法是，先对声音信号分别进行时域的分帧和频域的滤波降噪。通过分帧 使得准平稳信号在一帧之内没有较大变化，呈现出短时平稳的特征，帧长一般要小于待提 取信号的周期。然后，对声音信号的每一帧进行时域分析（如过零率，短时能量，相关系数 等），或频域分析(如倒谱分析，谱熵分析，小波分析等），或时频域分析以提取信号特征，从 而依据信号特征进行识别和计数。如专利CN103021421A，"用于枪声的多级筛选检测识别 方法"中，采用短时能量、短时过零和倒谱特征匹配结合的多级检测方法，利用多个门限，可 以较为准确的检测出信噪比较低情况下的枪声信号。但这种办法要求的采样频率为8k~ 48kHz，分帧256~1024点。由于分帧间隔大，因此时间分辨率较低，导致难以进行枪声密集 时的检测和计数。另外，其采用的短时过零限制了该方法的时间分辨率，采用的短时能量使 得该方法不能用于多个枪声源远近差距较大的情况。该方法未能克服枪声的非平稳特性和 靶场枪声的密集性这两个难点，不能满足靶场复杂环境下多枪多点射击时子弹计数的需 求。再如，学位论文"超音速子弹声源定位算法的研究与设计"（张西爽，北京交通大学， 2012)中提到在进行声源信号检测时，利用马赫波上升沿较陡的特点将其与噪声信号分离， 但没有提及当存在其它噪声源时对信号检测的干扰，也没有提及对密集枪声情况下的枪声 探测和计数。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服打靶环境下枪声密集难以精确分帧和计数，环境噪声复 杂，以及传统声探测计数系统缺乏对非稳态信号的适用性等不足，提供一种基于短时幅度 上升沿判决的枪声检测计数方法及系统，主要依据枪声击发瞬间声压由较低负压迅速变化 到峰值的强脉冲特性，对其微分后根据上升沿进行判断。该方法不仅具有原理简单明了，计 算速度快，以及对较强声源远近距离的限制较小等优点，而且能够很好的抑制周边回声及 较强环境噪声对计数结果的影响。
[0006] 为实现上述发明目的，发明了一种枪声探测计数方法，其特征在于，包括如下步 骤：
[0007] 1)将以采样率为匕采集到的信号去除直流分量和消除趋势项；
[0008] 2)通过截止频率为fd的低通滤波器滤除高频杂波，再采用谱减法滤去50Hz工频干 扰信号及其谐波;然后对信号x(n)进行归一化处理
I到预处理之后的信 号x(n)，其中η为信号的数据点，n=l，2,…，N，N为信号的数据点数，T=N/fs为信号时长，目 的就是要检测出T时间内枪声个数Nshcit;
[0009] 3)对预处理之后的信号x(n)进行分帧处理，考虑到信号的非平稳特性，采用短帧 长和短帧移，帧长设为Nwlen，以采样点为单位，帧移Νιη。设为1/4帧长，将信号x(n)共分为
贞，使其成为一系列帧长固定的声序列段yi(j)，其中i=l，2,…，M，j=l， 2，. ·_，Nwlen;
[0010] 4)对每帧声序列段71〇)进行短时幅度的计算，得到每一帧的短时幅度值
所有帧的短时幅度值按顺序形成新的长度为Μ的幅度序列h，其中i=l，2,…， j--1 M;为了进一步去除较强环境噪声，以及枪声回波的影响，将该序列再次进行低通滤波，滤波 后，获得分帧后的短时幅度序列E1;同时，设置时长为TIS的前导噪声段，将其按照同样的方 法分为MIS帧，
纟后计算MIS帧的短时幅值的平均值：^ ;
[0011] 5)将幅度变化转变为反映幅度变化剧烈程度，对短时幅度序列Ei进行微分，SPE/ =ΕΑ+1，Ε/为脉冲冲击剧烈程度的幅度导数序列；
[0012] 6)进行上升沿判定，采用单门限检测，设置检测门限为阈值Ετ，当第i帧的变化剧 烈程度，也就是幅度导数E/大于阈值Ετ时，判定该帧为枪声;若从第i帧到第j帧，每一帧的 幅度导数都大于阈值Ετ，而第j+Ι帧的幅度导数小于阈值Ετ时，则第i帧到第j帧为一次枪声， 并记第i帧为开始帧，第j帧为结束帧，检测为一次枪声，计共检测到Nshot次枪声；
[0013] 7)对每一次枪声计算其击发时刻和结束时刻，以及枪声持续时间，若该次枪声开 始帧为第i帧，结束帧为第j帧，则击发时刻为
，结束时刻为
?声持续时间为
并将每一次的枪声 数据存入长为NshQt的结构数组中，数组中第k个结构数据对应第k次枪声，每一个结构数据 都包含三个数值，分别是击发时刻、结束时刻和持续时间。
[0014] 进一步，所述步骤1)中的采样率fs不低于25.6kHz，传声器距枪的距离小于传声器 距周围较大障碍物的距离。
[0015]进一步，所述步骤3)中的帧长Nwien取值范围为64~128点。
[0016] 进一步，所述步骤6)中的阈值Ετ为步骤4)所述前导噪声段短时平均幅值焉,的2~ 20倍，或者当信噪比较大时，可依据枪声信号的最大值来确定，可取为最大值的0.1~0.5 倍。
[0017] 相应地，为实现上述发明目的，本发明的一种枪声探测计数系统，其特征在于:包 括传声器模块、枪声信号采集模块、信号预处理模块、滤波器模块、枪声信号检测和计数模 块、计数显示模块等6个模块；
[0018] 所述传声器模块，由低噪声传声器和前置放大器组成，用于接收枪声信号，将声信 号转变为电信号并进行前置滤波和放大后输出；
[0019]所述枪声信号采集模块，由采集卡组成，将模拟信号经采样后转变为数字信号；
[0020] 所述信号预处理模块，对采集到的枪声信号进行预处理计算，用于去除枪声信号 的直流分量和趋势项，以滤除一部分噪声，包含传声器在使用过程中受太阳照射或自身发 热而产生的零点漂移等噪声；
[0021] 所述滤波器模块，用于滤除50Hz工频干扰信号及其谐波，并通过低通滤波器滤除 高频杂波；
[0022] 所述枪声信号检测和计数模块，包含分帧单元、短时幅度计算单元、微分单元、枪 声判定单元、枪声计数单元、枪声击发时刻和结束时刻计算单元等6个单元;所述分帧单元 对信号进行窄帧长小帧移分帧;所述短时幅度计算单元计算分帧后的信号的短时幅度;所 述微分单元对短时幅度进行微分;所述枪声判定单元采用阈值门限检测进行枪声判定;所 述枪声计数单元对枪声个数进行计数;所述枪声击发时刻和结束时刻计算单元计算检测到 的每一个枪声信号的击发时刻和结束时刻，以及枪声持续时间；
[0023]所述计数显示模块，显示检测到的枪声个数、每一个枪声信号的击发时刻和结束 时刻以及持续时间等信息。
[0024] 通过高采样频率、窄帧长小帧移的分帧、短时幅度计算和微分计算，以及与后来的 上升沿判决一起，有效避免了枪声较为密集时难以有效计数的缺点。
[0025] 本发明的有益效果是：
[0026] (1)原理简单，运算量小。可以移植到小型移动设备，适合低成本大产量投入生产。
[0027] (2)有效抑制回声的影响，准确度高。枪声密集条件下(20ms内有两声以上枪声时） 精度达到99 %以上，可满足一般探测要求。
[0028] (3)依据的是上升沿而不是幅度值或者能量值，避免了不同位置的声源由于距传 声器远近不同产生较大的衰减差异，而导致计数时对声源远近位置的限制。
[0029] (4)采用上升沿判决，将枪声信号的非平稳特性有效利用起来，同时在多个环节处 采用不同的滤波手段，使得环境噪声(如语音，拉枪机声，稍远处的烟花爆竹声等）的影响也 大为减小。
【附图说明】
[0030]图1为本发明枪声探测计数方法的流程图。
[0031]图2为本发明枪声探测计数系统的组成图。
[0032]图3为采集到的一组枪声数据示例。
[0033]图4为图3中的某一枪声的声信号。
[0034]图5为应用本发明探测到的两击发时刻时间差为17ms的枪声的结果图。
【具体实施方式】
[0035]以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，但应理解，此处所描述的优选实 施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0036]本发明针对靶场环境下多人同时射击，枪声非常密集，且不同射击点离探测点距 离不同的情况下，对枪声进行精确探测计数。图1为本发明枪声探测计数具体实施步骤图 例，下