一种基于窄带编码的地下入侵信号识别方法及系统与流程

本发明涉及一种基于窄带编码的地下入侵信号识别方法及系统，属于异常声音识别技术领域。

背景技术：

随着国内对文博安全防护工作的重视，文博安防领域对地下入侵防护产品的需求与日俱增，古墓葬安全越来越得到国家和社会的关注。目前市场上已有多种地下文物入侵预警系统产品，包括基于光纤传感和其他传感方式的地下入侵探测系统等，已在文物保护领域得到应用。但是这些产品在识别异常声音上都有一定的缺陷，如施工难度的复杂性，以及对异常信号的误报率较高，无法人工复核等。因此需要一种具有施工简单，对异常信号误报率低并能人工复核的系统，同时也需要一种与之对应的异常声音识别方法。通常在安防系统中所谓的异常声音信号，一般是指中低频的声音信号。因此，专利中将主要解决针对于中低频的声音信号的识别问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于窄带编码的地下入侵信号识别方法及系统，能够通过信号采集器采集传感器数据，采集得到的数据经过预处理后传送到识别器进行识别，排布简单，尤其针对地下入侵的中低频信号识别准确，效率高。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种基于窄带编码的地下入侵信号识别方法，包括模板库建立过程和信号识别过程；所述模板库建立过程包括以下步骤：

(a1)采集一组中低频单一异常信号；

(a2)对单一异常信号进行等间隔区间窄带滤波，将单一异常信号分为n+1个频域区间信号；

(a3)提取各频域区间信号的能量特征，对于第i个频域区间信号di，其能量特征用xi表示；

(a4)选择一个第r个频域区间信号dr的能量特征xr作为参考比较量ref，将ref与其他各频域区间信号的能量特征输入比较器进行比较译码，比较器将各频域区间信号的能量特征与ref逐一比较，若能量特征xi>＝ref，则输出一位特征码ri＝0，否则ri＝1，全部比较结束后比较译码器输出由各特征码组成的n位特征编码序列res；

(a5)重复步骤(a2)至(a4)，得到每一个单一异常信号对应的特征编码序列，分别作为一个模板组成一个模板库；

所述信号识别过程包括以下步骤：

(b1)采集待识别信号；

(b2)对待识别信号进行等间隔区间窄带滤波，将待识别信号分为n+1个频域区间信号；

(b3)提取各频域区间信号的能量特征，对于第i个频域区间信号di’，其能量特征用xi’表示；

(b4)选择一个第r个频域区间信号dr’的能量特征xr’作为参考比较量ref’，将ref’与其他各频域区间信号的能量特征输入比较器进行比较译码，比较器将各频域区间信号的能量特征与ref’逐一比较，若能量特征xi’>＝ref’，则输出一位特征码ri’＝0，否则ri’＝1，全部比较结束后比较译码器输出由各个频域区间信号对应的特征码组成的特征编码序列res’；

(b5)将待识别信号的特征编码序列res’依次与模板库中的各单一异常信号对应的特征编码序列res进行对比识别，设res’与第j个单一异常信号sj的特征编码序列对比识别得到匹配度kj，将其与预设的匹配度阈值t比较，若kj>＝t时，判断待识别信号中有异常信号sj，否则判断待识别信号中无异常信号sj，以此判断待识别信号中是否包含单一异常信号，并进一步判断待识别信号中包含哪几种单一异常信号，并将识别结果输出。

步骤(a1)所述采集中低频异常信号具体包括以下过程：传感器采集声音数据，进行滤波处理，再将滤波处理后的数据传至放大器中放大，最后传至ad转换器将模拟信号转换为数字信号；步骤(b1)所述采集待识别信号具体包括以下过程：传感器采集声音数据，进行滤波处理，再将滤波处理后的数据传至放大器中放大，最后传至ad转换器将模拟信号转换为数字信号。

步骤(a4)中r选择起始位置或者1/20位置。

步骤(b1)采集待识别信号后，将采集到的待识别信号传送至云端，计算待识别信号的mfcc系数以及频谱，与模板库进行对比。

步骤(b5)所述匹配度kj具体通过以下过程计算：

(b5-1)设sj的特征编码序列为(s0，s1，s2…sm…sn)，初始化计数参数countj＝0；

(b5-2)将待识别信号的特征编码序列res’(r0，r1，r2…rm…rn)与第j个单一异常信号sj(s0，s1，s2…sm…sn)的特征编码序列进行按位逐个比较，当rm＝sm时，countj累加1；当rm≠sm时，countj不变；

(b5-3)待识别信号与单一异常信号sj的匹配度

步骤(b5)所述的匹配度阈值t根据环境进行调节，取值范围为75％～100％。

本发明同时提供了一种基于上述识别方法的地下入侵信号识别系统，包括分布式传感器、与分布式传感器连接的信号采集器以及与信号采集器连接的预处理器，所述预处理器的输出端连接识别器。

所述预处理器通过无线网络与云端连接。

所述预处理器包括相互连接的放大器和ad转换器，放大器的输入端为预处理器的输入端，ad转换器的输出端为预处理器的输出端。

本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：

(1)本发明提出了一种地下入侵信号识别新思路，针对中低频特殊信号，进行窄带分割，提取能量特征，并将能量特征通过与特定的ref对比，得到一组特征编码，并在后续将待识别信号识别转化为特征编码识别，可以通过硬件ic实现信号的粗识别，施工简单，效果显著，尤其适合地下入侵信号识别；

(2)本发明的一种基于窄带编码的地下入侵信号识别方法及系统应用场景主要是在文物防盗上，识别对象主要为挖掘爆破信号，这些信号经过分析其频带均为中低频，发明与现有的利用视频追踪或光纤原理的文物安防系统相比，针对性强，施工简单，传感器放置于地下20cm---45cm被防护目标的周围，通过无线向上级传输数据即可，并且功耗低，适合长时间监控和识别。

附图说明

图1是本发明的一种地下入侵信号识别系统框图。

图2是本发明对单一异常信号进行窄带滤波的示意图。

图3是本发明比较译码示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种基于窄带编码的地下入侵信号识别方法，包括模板库建立过程和信号识别过程；所述模板库建立过程包括以下步骤：

(a1)采集一组中低频单一异常信号；

(a2)参照图2，对单一异常信号进行等间隔区间窄带滤波，将单一异常信号分为n+1个频域区间信号；

(a3)提取各频域区间信号的能量特征，对于第i个频域区间信号di，其能量特征用xi表示；

(a4)选择一个第r个频域区间信号dr的能量特征xr作为参考比较量ref，将ref与其他各频域区间信号的能量特征输入比较器进行比较译码，比较器将各频域区间信号的能量特征与ref逐一比较，若能量特征xi>＝ref，则输出一位特征码ri＝0，否则ri＝1，全部比较结束后比较译码器输出由各特征码组成的n位特征编码序列res；

(a5)重复步骤(a2)至(a4)，得到每一个单一异常信号对应的特征编码序列，分别作为一个模板组成一个模板库；

所述信号识别过程包括以下步骤：

(b1)采集待识别信号；

(b2)对待识别信号进行等间隔区间窄带滤波，将待识别信号分为n+1个频域区间信号；

(b3)提取各频域区间信号的能量特征，对于第i个频域区间信号di’，其能量特征用xi’表示；

(b4)参照图3，选择一个第r个频域区间信号dr’的能量特征xr’作为参考比较量ref’，将ref’与其他各频域区间信号的能量特征输入比较器进行比较译码，比较器将各频域区间信号的能量特征与ref’逐一比较，若能量特征xi’>＝ref’，则输出一位特征码ri’＝0，否则ri’＝1，全部比较结束后比较译码器输出由各个频域区间信号对应的特征码组成的特征编码序列res’；

(b5)将待识别信号的特征编码序列res’依次与模板库中的各单一异常信号对应的特征编码序列res进行对比识别，设res’与第j个单一异常信号sj的特征编码序列对比识别得到匹配度kj，将其与预设的匹配度阈值t比较，若kj>＝t时，判断待识别信号中有异常信号sj，否则判断待识别信号中无异常信号sj，以此判断待识别信号中是否包含单一异常信号，并进一步判断待识别信号中包含哪几种单一异常信号，并将识别结果输出。

步骤(a1)所述采集中低频异常信号具体包括以下过程：传感器采集声音数据，进行滤波处理，再将滤波处理后的数据传至放大器中放大，最后传至ad转换器将模拟信号转换为数字信号；步骤(b1)所述采集待识别信号具体包括以下过程：传感器采集声音数据，进行滤波处理，再将滤波处理后的数据传至放大器中放大，最后传至ad转换器将模拟信号转换为数字信号。

步骤(a4)中r选择起始位置或者1/20位置，可根据分割区间的个数n来选择。当分割区间个数较大时(长度l>50hz)，也即分割区间长度较小时(长度l<50hz)，选择dn/2；当分割区间个数较小时，也即分割区间长度较大时，选择d0。其中，当n/20有余数时向上取整。

步骤(b1)采集待识别信号后，将采集到的待识别信号传送至云端，计算待识别信号的mfcc系数以及频谱，与模板库进行对比。

步骤(b5)所述匹配度kj具体通过以下过程计算：

(b5-1)设sj的特征编码序列为(s0，s1，s2…sm…sn)，初始化计数参数countj＝0；

(b5-2)将待识别信号的特征编码序列res’(r0，r1，r2…rm…rn)与第j个单一异常信号sj(s0，s1，s2…sm…sn)的特征编码序列进行按位逐个比较，当rm＝sm时，countj累加1；当rm≠sm时，countj不变；

(b5-3)待识别信号与单一异常信号sj的匹配度

步骤(b5)所述的匹配度阈值t根据环境进行调节，通常是认为在85％以上就行，当环境噪声比较大时，可以将阈值降低到75％～80％之间。具体应用时阈值的确定可根据应用的环境中的实验数据进行确定。

本发明同时提供了一种基于上述识别方法的地下入侵信号识别系统，参照图1，包括分布式传感器、与分布式传感器连接的信号采集器以及与信号采集器连接的预处理器，所述预处理器的输出端连接识别器。

所述预处理器通过无线网络与云端连接。

所述预处理器包括相互连接的放大器和ad转换器，放大器的输入端为预处理器的输入端，ad转换器的输出端为预处理器的输出端。