專利名稱：基于音頻特征識別的江河涌潮檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自動化技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種基于音頻識別的江河涌潮實時 自動檢測方法，可用于江河涌潮監(jiān)測與預(yù)報預(yù)警。
技術(shù)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，由于特殊的地理結(jié)構(gòu)會形成兇猛的涌潮，涌 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)。由于人們對江潮習性認識不足以及 缺乏對涌潮到達沿江各危險點時間的準確預(yù)報，對沿江人們的生產(chǎn)、生活帶 來一定的破壞性，常年發(fā)生人員傷亡等事件。雖然水文水利部門可根據(jù)天文 數(shù)據(jù)進行涌潮預(yù)報，但由于沿江各個危險點受風力、風向以及其河床特殊地 理與演變，水文部門對涌潮的預(yù)報時間與涌潮實際到達現(xiàn)場的時間有時誤差 高達1小時甚至更多，由此對沿江相關(guān)作業(yè)生產(chǎn)和觀潮帶來極大的安全隱患。關(guān)于內(nèi)河水情監(jiān)測方面運用較多，如水情監(jiān)測系統(tǒng)在龍鳳山灌區(qū)的應(yīng) 用、黃河三門峽至小浪底區(qū)間水情自動測報系統(tǒng)、分布式監(jiān)測技術(shù)及其在水 情監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用等等。國內(nèi)相關(guān)發(fā)明專利，實時水文信息自動監(jiān)測和災(zāi)情預(yù)警報警系統(tǒng)(200610111352. X)提出一種基于實時水文信息的自動監(jiān)測 和災(zāi)情預(yù)警方法。目前國內(nèi)外基于音頻識別的相關(guān)技術(shù)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征，倉儲物害蟲音頻的模式識別 等，但利用音頻識別技術(shù)進行涌潮自動識別與監(jiān)測尚未見報道。其中不同車 輛音頻識別方法是基于獨立分量分析，語音和音樂的音頻活動檢測方法是基 于信噪比測量的統(tǒng)計量進行判斷和處理等等。由于涌潮潮頭伴有較強的聲 音，與江邊的其它環(huán)境聲音(各種車輛、船舶、動物等)有明顯區(qū)別，本江河涌潮識別方法是一種基于音頻能量特征幅值，通過提取其音頻能量特征， 有效識別涌潮，并建立其監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)。與目前水文部門的預(yù)報相比，該方 法方便易用，能顯著提高預(yù)報的實時性和準確度，為沿江生產(chǎn)作業(yè)和觀潮提 供了有力的預(yù)警安全保障。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的在于提供一種基于音頻特征識別的江河涌潮檢測方法。 本發(fā)明方法通過在沿江布設(shè)的音頻探測裝置，由其負責采集涌潮音頻信 號，分析處理、識別，并將涌潮到達信息通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到涌潮監(jiān)測 中心；中心根據(jù)涌潮達到信息再向沿江上游各危險點發(fā)出該涌潮安全預(yù)報。 通過音頻探測裝置采集涌潮音頻信號，對其音頻信號進行帶通濾波保留對涌 潮音頻識別有用的頻段，提取該頻段的特征——音頻能量，計算其能量幅值， 并根據(jù)涌潮頻譜特征而預(yù)先設(shè)定的門限，進行涌潮自動識別監(jiān)測點是否有涌 潮，并對其上游監(jiān)測點作涌潮預(yù)報。 本發(fā)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范圍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(shè)置在水上的麥克風或設(shè)置在水下的 聲納；2、 對連續(xù)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(nèi)的個采樣點 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>formula see original document page 4</formula>利用下式計算得到涌潮音頻能量平均值^verage; 其中iV是T時間內(nèi)采樣點的個數(shù)，《是采樣點的幅值；3、如果涌潮音頻能量平均值^verage大于設(shè)定的閾值A(chǔ)(0.6《A《1.2) 則判斷有涌潮并發(fā)出報警信號，如果小于設(shè)定的閾值A(chǔ)則返回步驟1。本發(fā)明利用潮水發(fā)出的音頻來檢測潮水，其最大優(yōu)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(shè)備遭腐蝕和因大潮造成設(shè)備被物理 打壞的惡劣水環(huán)境條件。本發(fā)明實時自動監(jiān)測方法，可用于江河涌潮監(jiān)測與 預(yù)報預(yù)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(fā)明的流程圖。
具體實施方式
如圖l，針對錢塘江的潮水識別，基于音頻特征識別的江河涌潮檢測方 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(xù)采集15秒信號進行采樣和傅立葉變換。采樣頻率為44. 1KHZ;4. 設(shè)置音頻能量平均值門限為0. 99;5. 若音頻能量平均值(^^"g。大于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次采集的數(shù)據(jù) 計算分析表明，把閾值設(shè)置為0.9已經(jīng)能夠很好地利用該方法檢測出潮頭在 30cm以上的潮水。
權(quán)利要求
1、基于音頻特征識別的江河涌潮檢測方法，其特征在于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范圍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(shè)置在水上的麥克風或設(shè)置在水下的聲納；(2)對連續(xù)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(nèi)的N個采樣點{x(0)，x(1)，…，x(N-1)}做如下的變換，得到其一維頻譜序列X(n)；<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>X</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <mrow><mi>N</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></munderover><mi>x</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><msup> <mi>e</mi> <mrow><mo>-</mo><mn>2</mn><mi>πink</mi><mo>/</mo><mi>N</mi> </mrow></msup><mo>,</mo><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>0,1</mn><mo>,</mo><mo>·</mo><mo>·</mo><mo>·</mo><mo>,</mo><mi>N</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow>]]></math></maths>利用下式計算得到涌潮音頻能量平均值A(chǔ)verage；<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>Average</mi><mo>=</mo><mrow> <mo>(</mo> <munderover><mi>Σ</mi><mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn></mrow><mrow> <mi>N</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn></mrow> </munderover> <msub><mi>X</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mi>N</mi> </mrow>]]></math></maths>其中N是T時間內(nèi)采樣點的個數(shù)，Xi是采樣點的幅值；(3)如果涌潮音頻能量平均值大于設(shè)定的閾值A(chǔ)則判斷有涌潮并發(fā)出報警信號，如果小于設(shè)定的閾值A(chǔ)則返回步驟(1)，0.6≤A≤1.2。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于音頻特征識別的江河涌潮檢測方法。目前技術(shù)對涌潮的預(yù)報誤差較大，并且缺少實時性。本發(fā)明方法首先通過設(shè)置在水上的麥克風或設(shè)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；然后對連續(xù)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)，再計算得到涌潮音頻能量平均值；如果涌潮音頻能量平均值大于設(shè)定的閾值A(chǔ)則判斷有涌潮并發(fā)出報警信號。本發(fā)明采用非接觸測量，避免傳感器直接放入水而造成的損壞。本發(fā)明方法實時自動檢測方法，可用于江河涌潮檢測與預(yù)報預(yù)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(yōu)先權(quán)日2008年10月21日
發(fā)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