一种枪声探测计数方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种枪声探测计数方法及系统，主要依据枪声击发瞬间声压由负压迅速变化到正压的强脉冲特性，首先对其滤波等预处理，其次分帧、求短时幅度并微分，最后依据上升沿进行枪声计数判断。本发明专利技术方法不仅具有原理简单明了，计算速度快，对较强声源远近距离的限制较小，以及枪声密集下准确探测等优点，而且能够很好的抑制枪声回声及环境噪声对探测计数结果的影响，准确度高。本发明专利技术系统可以移植到小型移动设备，适合低成本大产量投入生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及声音信号处理领域，尤其是枪声探测计数技术，更具体的本专利技术涉及一种枪声探测计数方法及系统。
技术介绍
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，从而实现有效管控靶场子弹射击。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1s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。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。
技术实现思路
本专利技术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。为实现上述专利技术目的，专利技术了一种枪声探测计数方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将以采样率为fs采集到的信号去除直流分量和消除趋势项；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)进行归一化处理得到预处理之后的信号x(n)，其中n为信号的数据点，n＝1,2,…,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Nshot；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Ninc设为1/4帧长，将信号x(n)共分为帧，使其成为一系列帧长固定的声序列段yi(j)，其中i＝1,2,…,M，j＝1,2,…,Nwlen；4)对每帧声序列段yi(j)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M的幅度序列Yi，其中i＝1,2,…,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Ei；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，然后计算MIS帧的短时幅值的平均值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，即Ei′＝Ei-Ei+1，Ei′为脉冲冲击剧烈程度的幅度导数序列；6)进行上升沿判定，采用单门限检测，设置检测门限为阈值ET，当第i帧的变化剧烈程度，也就是幅度导数Ei′大于阈值ET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ET，而第j+1帧的幅度导数小于阈值ET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；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t2=((j-1)Ninc+1)-3/2Nwlenfs,]]>枪声持续时间为Δt=t2-t1=(j-i)Nincfs,]]>并将每一次的枪声数据存入长为Nshot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。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种枪声探测计数方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将以采样率为fs采集到的信号去除直流分量和消除趋势项；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)进行归一化处理得到预处理之后的信号x(n)，其中n为信号的数据点，n＝1,2,…,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Nshot；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Ninc设为1/4帧长，将信号x(n)共分为帧，使其成为一系列帧长固定的声序列段yi(j)，其中i＝1,2,…,M，j＝1,2,…,Nwlen；4)对每帧声序列段yi(j)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M的幅度序列Yi，其中i＝1,2,…,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Ei；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，然后计算MIS帧的短时幅值的平均值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，即E′i＝Ei‑Ei+1，E′i为脉冲冲击剧烈程度的幅度导数序列；6)进行上升沿判定，采用单门限检测，设置检测门限为阈值ET，当第i帧的变化剧烈程度，也就是幅度导数E′i大于阈值ET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ET，而第j+1帧的幅度导数小于阈值ET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；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t2=((j-1)Ninc+1)-3/2Nwlenfs,]]>枪声持续时间为Δt=t2-t1=(j-i)Nincfs,]]>并将每一次的枪声数据存入长为Nshot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。...

【技术特征摘要】
1.一种枪声探测计数方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将以采样率为fs采集到的信号去除直流分量和消除趋势项；
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)进行归一化处理得到预处理之后的信号x(n)，
其中n为信号的数据点，n＝1,2,…,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Nshot；
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Ninc设为1/4帧长，将信号x(n)共分为
帧，使其成为一系列帧长固定的声序列段yi(j)，其中i＝1,2,…,M，
j＝1,2,…,Nwlen；
4)对每帧声序列段yi(j)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M的幅度序列Yi，其中i＝1,2,…,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Ei；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，
然后计算MIS帧的短时幅值的平均值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，即
E′i＝Ei-Ei+1，E′i为脉冲冲击剧烈程度的幅度导数序列；
6)进行上升沿判定，采用单门限检测，设置检测门限为阈值ET，当第i帧的变化剧烈程
度，也就是幅度导数E′i大于阈值ET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ET，而第j+1帧的幅度导数小于阈值ET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；
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

\t第i帧，结束帧为第j帧，则击发时刻为结束时刻为
t2=((j-1)Ninc+1)-3/2Nwlenfs,]]>枪声持续时间为Δt=t2-t1=(j-i)Nincfs,]]>并将每一次的枪声数<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张文，朱晓龙，赵云，王一博，韩开锋，田章福，高东宝，周泽民，蒋小为，李超，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43