基于车辆音频谱相关的车速估算技术研究

[1 ] 王建军 ,严宝杰 . 交通调查与分析 [ M] . 北京 : 人民交通出版社 , 2004 :16 - 18. [2 ] 王炜 , 过秀成 , 等 . 交通工程学 [ M ] . 南京 : 东南大学出版社 , 2000 :36. [3 ] 张平平 ,储浩 . 交通检测器在现代交通中的应用 [J ] . 宁波工程
图 2 频谱拉伸和插值示意图
( 1) 和 ( 2) 式可得声源接近和离开接收者运动的频
谱分别为 :
H接近 ( f R前 ) = H H离开 ( f R后 ) = H u - vs 3 f R前 u u + vs 3 f R后 u u u + vs
( 3) ( 4)
其中 , 步骤 ①中的插值处理是由于离散频谱
113 谱相关的车速估计的算法
பைடு நூலகம்
在实际采集得到的车辆行使音频信号中一般会 混入各种噪声 ,因此频谱 H离开 直接进行拉伸后并不 会与频谱 H接近 完全一致 ,而只是形状相似 。 所以 ,采 用谱相关的方法 , 通过拉伸频谱 H离开 , 并进行相关 性分析
[5]
寻找拉伸比 Rf , 再由 ( 5) 式估计车辆行使 —
表1 实验结果统计 速度估算相对误差 0～10 % 10 %～20 % 20 %～30 % 大于 30 % 合计 样本数
42 17 11 30 100
系或压缩比例关系 ; 该拉伸比例关系或压缩比例关 系与车辆的速度一一对应 。 根据本实验的数据分析 , 影响车速估算准确性 的因素主要包括环境温度 、 风速和噪声等 。其中 ,风 会影响车辆 、 录音器和空气三者的相对运动速度 ,从 而影响车速估算 , 但其影响较小 , 当车速为 20mΠ s, 风速为 40mΠ s 时 ,造成的车速相对误差为 0. 7 % 。温 度会对声音在空中的传播速度产生较大影响 , 从而 影响速度估算的准确性 , 当环境温度从 15 ℃ 升高到
的速度 。 — 152
图3 拉伸比例 R - 相关系数 ρ
2 实验分析和验证
为了证明方法的可行性 , 在广州大学城外环路 中山大学路段进行了试验 。该路段的特点为 : 人流 量、 车流量较少 、 环境安静 , 噪声影响小 ; 车速较快 , 声音多普勒效应明显 ; 道路平面线形直线段较长 ,且 平整度好 ,减少车辆因颠簸造成的噪声影响 。实验 选择小型车的声音信号为研究对象 , 实验总共采集 了 100 辆小汽车经过时的音频信号 , 并同步应用激 光测速仪对经过车辆的速度进行测量和记录 。 根据上节讨论的方法设计车速估算程序 , 包括 三大部分 : ① 车辆音频信号预处理 , 主要为低通滤波及变 换成频域信号 ; ② 根据 2. 3 讨论的频谱相关性算法求取前后音 频频谱的拉伸比值 ; ③ 判断第二步求取前后音频频谱的拉伸比值的 有效性 ,若符合预定的要求 ,则根据求得的拉伸比值 输出估算车速 ,否则返回第一步 。 实验表明 ,选择合适的滤波器进行音频信号的 预处理对于车速估算的准确性影响较大 。采用了多 种滤波器对采集得到的数据进行试验 ,结果表明 ,采 用截止频率为 400Hz 的低通滤波器进行信号预处 理 ,其车速估算的效果最好 。表 1 是实验结果统计 。
— 151
—
对于波源相对介质运动 , 接收者相对介质静止的情 况 ,接收者接收到的信号频率变化适用以下的公 式
[4 ]
具体车速估计过程包括以下几个步骤 : ①将声源离开接收者运动时的频谱 H离开 水平 拉伸 R 倍 ,经过插值 ,得到频谱 H′ 离开 。 ②计算频谱 H′ 离开 与声源接近接收者运动时频
图1 车辆与录音器的相对位置 收稿日期 : 2008 - 10 - 08 作者简介 : 张辉 (1973 - ) ,男 ,中山大学工学院 ,博士讲师 , 从事交通 信息采集和交通监控系统研究 。
1 运动车辆音频的多普勒效应分析
111 车辆音频的多普勒效应
因波源或观察者相对于介质的运动 , 而使观察
1 所示 。
[4 ]
。目前 , 检测
车辆或测速所用到的技术主要分为 : 磁频检测技术 、
,这些技术都存在
着一些不足 ,如成本高、 安装繁琐、 不便维修和灵活性 差等 ,针对这一问题提出了一种简便的利用音频进行 车速估计的方法 — — — 音频谱相关车速估计法。该方 法主要根据车辆行驶过程中产生的音频多普勒现象 , 利用其频谱的相关性估算车辆的行驶速度。
0 引言
车速作为最基本的交通参数对于道路设计 、 交 通规划 、 交通控制与管理 、 交通设计及道路质量评价 都具有重要意义 。因此 , 对车速的调查成为道路交 通工程中最重要的调查项目之一 波频检测技术 、 视频检测技术等
[3 ] [1 - 2 ]
者接收到的波的频率有所变化的现象叫多普勒效 应 。当使用录音器在固定位置对行驶车辆的声音 进行录音时 , 由于波源 ( 运动车辆 ) 和传输介质 ( 空 气) 存在着相对运动 ,这样就产生了多普勒效应 。录 音时 ,车辆和录音器在路面相对位置的平面图如图
:
声源接近接收者运动 :
f R前 = u u - vs u u + vs
3f
( 1)
谱 H接近 的相关系数
[5 ]
。
声源远离接收者运动 :
f R后 =
③改变拉伸比率 R ,重复步聚 ①和 ②,相关系 数的最大值 ( 此时两个频谱最为相似) 对应的 R 就
( 2)
3f
是拉伸比 Rf 。 ④由已知的声音速度 u 即可计算得到车速 vs 。
中图分类号 :TP87 文献标识码 :A 文章编号 :1009 - 2552 (2009) 06 - 0151 - 03
基于车辆音频谱相关的车速估算技术研究
张 辉 , 伍洪俊 , 曾煌辉 , 黎志涛 , 林康华
( 中山大学工学院智能交通研究中心 , 广州 510006)
摘 要 : 目前 , 大多车检技术和车速检测技术都存在着不足 , 如成本高 、安装繁琐 、不便维修 和对临时调查项目适应性差等 。针对这些不足 , 探索了一种新的车辆速度测量方法 , 以运动车 辆的音频的多普勒效应为出发点 , 以音频频谱的拉伸 ( 压缩 ) 与多普勒效应参数 — — — 速度的关 系为研究内容 , 用频谱相关性去评价拉伸 ( 压缩) 后的频谱相似程度 , 从而推算出车速 。 关键词 : 车速估算 ; 车辆音频 ; 多普勒效应 ; 频谱相关性
( 上接第 150 页)
出版社 ,2001 :129.
[6 ] 倪其育 . 音频技术教程 [M] . 北京 : 国防工业出版社 ,2006 :13. [7 ] Common P. Independent component analysis , a new concept [J ] . Sig2 nal Processing , 1994 , 36 (3) :287 - 314. [8 ] Lee T. Independent component analysis using extended informax algo2 rithm for mixed subgaussian and supergaussian source[J ] . Neural Com2 ponent , 1999 ,11 (2) :409 - 433.
( 5)
由 ( 5) 式可知 , 由于声音在空中的传播速度 u 为常 数 , Rf 与车速 vs 有一一对应的关系 ,车速 ,
vs = Rf - 1 u Rf + 1
1. 12 左右时相关系数出现最大值 ,因此拉伸比 Rf = 1. 12 ,对应的车辆行使速度约为 69. 3 kmΠ h。
( 6)
因此 , 只要找到 Rf 即 可 计 算 出 相 应 的 车 辆 行 使 速度 。
Study of vehicle speed estimation based on vehicle’ s audio frequency spectrum correlation
ZHANG Hui , WU Hong2jun , ZENG Huang2hui , LI Zhi2tao , LIN Kang2hua
40 ℃ 时 ,相对误差达到 4. 25 %
[6 ]
。而噪声对于本方
法的影响最大 , 尤其是多辆车同时通过时 , 影响更 大 ,目前正在针对这一问题应用多路音频采集和独 [7 - 8 ] 立成分分析 等方法进行深入研究 。 但是 ,总的来说利用音频技术对车速进行估算 的技术具有很多优点 : 首先 , 成本低廉 , 应用前景广 阔 ; 其次 ,不容易受恶劣天气 、 灯光 、 阴影等环境因素 的影响 ; 最后 ,设备简单 ,安装简易 ,适用于各种临时 交通数据采集 ,因此具有进一步深入研究的价值 。 参 考 文 献:
H′ 离开 和 H接近 进行相关系数计算时 , 需要横坐标相
互对应 ,但是由于拉伸的原因 H′ 离开 的数据点横坐 标发生了偏移 ( 如图 2 中 “. ” 数据点所示) ,两者横坐 标不再对应 。 为了找到原来横坐标点上的数据 ,使两 者的横坐标相互对应就必须进行插值处理 , 具体过 程如图 2 所示 ,其中 “↑ ” 所示数据点为经过线性插 值获得的 。 图 3 所示曲线是根据一组实际车辆音频数据 , 在不同的拉伸比例 R 下计算得到的频谱 H′ 离开 与
式中 :
f R前 和 f R后 —接收者接收到的声音信号频率 ; u —声音在空中的传播速度 ; vs —声源运动速度在声源和接收者之间连线方
向上的分量 ;
f —声源的发声频率 。
112 频谱拉伸和压缩现象分析
H静
假设车辆声音相对于录音器静止时的频谱为 : = H ( f ) ,式中 H ( f ) 为关于频率 f 的函数 。 再由
( Research Center of ITS , School of Engineering , SUN Yat2sen University , Guangzhou 510006 , China )