机动车声信号能量特征的小波包提取

机动车声信号能量特征 的小 波包提取
齐 晓 轩 一纪 建 伟 ， 晓微 ， ， 韩
（ ．沈 阳 农 业 大 学 信 息 与 电气 工 程 学 院，沈 阳 １ ０ ６ ； ．沈 阳大 学 信 息 工 程 学 院 ，沈 阳 １ ０ ４ ） １ １１１ ２ １ ０４
摘 要 ： 对 机 动 车 车 型 识 别 中声 信 号 非 平 稳 且 易 受 噪 声 干 扰 的 问题 ， 出 了一 种 有 效 的声 信 号特 征 提 取 方 法 。 用 小 波 包 分 析 技 针 提 利 术 对 声 信 号 的 能 量 分 布 进 行 研 究 ， 德 比契 斯 （ ａ ｂｃ ｉ ） 波 为 基 函 数 对 目标 声 信 号 进 行 小 波 包 变 换 。 于 获 取 的 不 同 频 带 能 以 Ｄ ｕ ｅｈｅ 小 ｓ 基 量 分 布 状 态 给 出 了 机 动 车 车 型 的特 征 判 据 ， 对 该 判 据 的有 效 性 给 予 了 分 析 。 试 验 结 果 表 明基 于 小 波 包 分 析 的机 动 车 声 信 号 特 并
Ｅｎ ｒ ｙ Ｆｅ ｔ ｒ ｔ ａ ｔｏ ｆ Ｖｅ ｉｌ ｏ ｓｉ ｉ ｎ ｌ ｂ ａ ｅｅ ｃ ｅ ｅ ｇ ａ ｕ ｅ Ｅｘ ｒ ｃ ｉ ｎ ｏ ｈ ｃ ｅ Ａｃ ｕ ｔｃ Ｓ ｇ ａ ｙ Ｗ ｖ ｌｔ Ｐａ ｋ ｔ
Ｑ ｉｏｘ ａ ￣ Ｊ ｉ － ｅ ． Ｎ Ｘｉ － ｅ ＩＸａ－ｕｎ ＩＪ ｎ ｗ ｉ ＨＡ ａ ｗ ｉ ａ ｏ
收 稿 日期 ：０ １ ０ — ７ ２ １ — ３ ２ 基 金 项 目 ： 宁省 自然 科 学 资金 项 目（０ ０ １３ 辽 ２ １ ２ ５） 作 者 简 介 ： 晓 轩 （９４ ） ， 阳大 学讲 师， 阳 农 业 大 学 博 士 研 究 生 从 事 智 能检 测 与 控 制 工 程 研 究 。｝通 讯 作 者 Ｃｏｒｓｏ ｄｎ ｎｈ ｒ 纪 建 伟 齐 １７ 一， 沈 女 沈 ｒ ｐ ｎ ｉｇａ ｔ。 ： ｅ
析 方法 ， 由小波 变换 衍 生而来 ， 以将 频 带进 行多 层次 划分 ， 小波 变换 中没有 细分 的高频 部 分进 一步 划分 ， 可 对 很
好 地解 决 了 时间 和频率 分辨 率 之 间的矛 盾 ， 同时提 供非 平稳 信号 时 域和频 域 中 的局部 化信 息 。 因此 ， 研究 并 本 针对 机动 车声 信号 的 非平稳 特 性 。 出了一 种基 于小 波包 分 析 的声 信 号特 征提 取方 法 ， 提 以期 提高 机动 车车 型识
为提取 对 象 。衡 丽 等［ 出了一 种基 于短 时 自相关 函数 的直升 机声 信号 的特 征提 取方 法 ， ４ １ 提 为实 际 中的直 升机 声
信 号识 别 提供 理论 参考 。 Ｉ ５ 王双维 等同 别利 用 Ｗｅｃ Ｑ 等【 Ｊ 和 分 ｌｈ功率谱 估计 和 Ａ Ｒ参数模 型的方 法 实现 了机 动车
机动 车 声信 号 是 车 型识 ￣ （ ｔｍａ ｃｖ ｈｃ ｃｇ ｉｏ ， Ｖ ） 一种 有 效信 息 ， Ｊ ａ ｏ ｔ ｅ ｉｌ ｒ ｏｎｔ ｎ Ａ Ｒ 的 Ｉｕ ］ ｉ ｅｅ ｉ 是机 动 车 在 行驶 过 程 中产 生的 ． 主要 由空 气 动力 性噪声 和 机械 性 噪声 两部 分组成 Ｉ 】 １ 。声 目标识 别是 非 常便捷 、 效 的 目标 识别 方 法之 一 ， 有
，
（９ ３ ）男， 阳农业 大学教授， １６ 一 ， 沈 博士，ｋ 电气 自动化研 究。 ，事 ｇ
第 ３期
齐晓 轩等 ： 动 车 声信号 能量 特征 的 小波 包提 取 机
・７ ・ ３ ３
高 了时频 分 辨率［ ７ １ 波包 具有 分解 和 重构 的性 质 ， 分解 和 重构 的计 算分别 如 式（） 式（） 。小 其 １ ＮＩ ２。
（） ２对小 波包 分解 系数重构 。分解 和重 构 的计 算 过程 如式 （） （ 。 １和式 ２ ） 表示 的重构 信号 ， 将第 ３ 上 的 ８ 结 点用 于分 析 ， 声信 号 Ｓ为 ： 层 个 则
征 提 取 方 法 是 有效 的 。
关 键 词 ： 型识 别 ； 信 号 ； 征 提 取 ； 波 包 车 声 特 小
中 图分 类 号 ： Ｎ ｌ ． Ｔ ９１ ７ 文献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ： ０ ０ １０ （０ １ ０ — ３ ２ ０ １０ — ７０ ２ １ ）３ ０ ７ —４
别 的准 确 率
１ 声 信 号 的 小 波 包 分 析
１１ 小 波包 分析 及特 点 ．
小 波包 分 析是 小波 分析 的 一种 推广 ， 小波 分解 中没 有 细分 的高频 部 分进 行 了进一 步分 解 ， 而能够 对信 对 从
号进行更精细的刻画 ， 并能够根据被分析信号的特征 ， 适应地选择相应频带， 自 使之与信号频谱相匹配 ， 从而提
２ ｃｏｌｏ ｎｏｍａｉ ｎ ｉｅｒ ｇ ｈ ｎ ａｇＵ ｉｅｓｙ ｈ ｎ ａｇ １０ ４ ， ｈｎ） ．Ｓｈ ｏ ｆＩｆｒ ｔｎ Ｅ ｇｎｅｉ ，Ｓｅ ｙｎ ｎｖｒｉ ，Ｓ ｅｙｎ ０ ４ Ｃ ｉａ ｏ ｎ ｔ １
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｉ ｉｗ ｏ ｈ ｉ ａ ｉｎ ｔ ａ ｃ ｕ ｔ ｉｎ ｌｏ ｏ ｄ ｒ ｎ ｉ ｇ ｖ ｈ ｃ ｅ ｓ ｎ ｎ ｓａｉｎ ｒ ｎ ａ ｉ ｒｗｎ ｉ ａ ｋ ｒｕ ｄ ｓ ｒ ｃ ： ｎ ｖｅ ｆ ｔ ｅ ｓ ｕ ｔ ｈ ｔ ａ ｏ ｓｉ ｓｇ ａ ｆ ｒ ａ － ｕ ｎｎ ｅ ｉｌ ｓ ｉ ｏ － ｔｔ ａｙ ａ ｄ ｅ ｓｌ ｄ ａ ｎ ｂ ｃ ｇ ｏ ｎ ｔ ｏ ｃ ｏ ｙ ｎ ｉｅ ｎ ｖ ｌ ｐ ｒ ａ ｈ ｆ ｆ ａｕ ｅ ｘｒ ｃ ｉｎ ｆ ｈ ａ ｏ ｓｉ ｓ ｎ ｌ ｓ ｒ ｓ ｎ ｅ ｉ ｔ ｅ ａ ｅ ． Ｗ ａ ｅ ｅ ｐ ｃ ｅ ｔ ｃ ｎ ｑ ｅ ｓ ｏ ｓ ，ａ ｏ ｅ ａ ｐ ｏ ｃ ｏ ｅ ｔ ｒ ｅ ｔ ｔ ｏ ｔ ｅ ｃ ｕ ｔ ａ ｏ ｃ ｉ ａ ｉ ｐ ｅ ｅ ｔ ｄ ｎ ｈ ｐ ｐ ｒ ｇ ｖ ｌｔ ａ ｋ ｔ ｅ ｈ ｉ ｕ ｉ ａ ｐ ｉ ｄ ｏ ｎ ｌ ｚ ｉ ｎ ｒ ｙ ｉ ｒ ｕｉ ｎ ｗｉ Ｄ ｕ ｅ ｈ ｅ ｗ ｖ ｌ ｔ ｕ ｅ ｓ ａ ｉ ｕ ｃｉｎ ｐ ｌ ｔ ａ ａｙ ｅ ｔ ｅ ｅ ｇ ｄ ｓｉ ｔ ｔ ｅ ｓ ｔｂ ｏ ｈ ａ ｂ ｃ ｉｓ ａ ｅｅ ｓ ｄ ａ ｂ ｓｃ ｆ ｎ ｔ ．Ａ ｅ ｔ ｒ ｒｔｒ ｎ ｆ ｖ ｈ ｃ ｅ ｙ ｅ ｓ ｏ ｆ ａｕ ｅ ｃ ｉ ｉ ｏ ｅ ｉｌ ｔｐ ｉ ｅｏ ｏ ｔ ｉ ｅ ａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｅ ｅ ｇ ｉ ｒ ｕ ｉｎ ｎ ｅ ｃ ｒ ｑ ｅ ｃ ａ ｄ ｎ ｈ ｎ ｉ ａ ｉ ｉ ｓ ａ ａ ｙ ｅ ．Ｅ ｐ ｒｍｅ ｔ ｌ ｒ ｓ ｌ ｈ ｗｅ ｂ ａｎ ｄ ｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｎ ｒ ｄ ｓｉ ｔ ｉ ａ ｈ ｆｅ ｕ ｎ ｙ ｂ ｎ ，ａ ｄ ｔ ｅ ｔ ｖ ｌ ｔ ｉ ｎ ｌ ｚ ｄ ｙ ｔｂ ｏ ｓ ｄｙ ｘｅ ｉ ｎ ａ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｄ ｓ ｔ ａ ｈ ｒ ｐ ｓ ｄ ｍｅｈ ｄ ｗ ｓ ｆ ａ ｉ ｌ ｎ ｆ ｃ ｉｅ ｈ ｔｔｅ ｐ ｏ ｏｅ ｔｏ ａ ｅ ｓ ｅ ａ ｄ ｅｆ ｔ ． ｂ ｅ ｖ Ｋｅ ｒ ｓ ａ ｔｍａ ｉ ｅ ｉｌ ｅ ｏ ｎ ｔ ｎ ａ ｏ ｓｉ ｉｎ ｌ ｆ ａｕ ｅ ｅ ｔ ｃｉ ｎ ｙ ｗｏ ｄ ： ｕ ｏ ｔ ｖ ｈ ｃ ｅｒ ｃ ｇ ｉ ｏ ； ｃ ｕ ｔ ｓｇ ａ； ｅ ｔ ｒ ｘ ｒ ｔ ；Ｗａ ｅ ｅ ａ ｋ ｔ ｃ ｉ ｃ ａ ｏ ｖ ｌ ｔ ｃ ｅ ｐ
沈 阳农 业 大 学学报 ，０ １ ０ ，２３ ：７ — ７ ２ １— ６ ４ （）３ ２ ３ ５
Ｊ ｕ ｌｏ ｈ ｎ ａ ｇ Ａｇ ｉｕ ｕ ａ ｉｅｓｔ ， ０ ｌ ０ ４ （）３ ２ ３ ５ ｏ ｍａ ｆＳ ｅ ｙ ｎ ｒ ｈ ｒｌ Ｕｎｖ ｒｉ ２ １ 一 ６， ２３ ：７ — ７ ｃ ｙ
ｄ ３ 为 机动 车声 信 号 的小波 基 函数 ， ａ ｂｃ ｉ 小 波 系是 Ｄ ｕ ｅｈｅ 提 出 的一 系列 二进 制小 波 的 总称 ， ｂ作 Ｄ ｕ ｅｈｅ ｓ ａｈｃｉ ｓ 简记 为 ｄ Ｎ（ ＝ ，， １ ） ｂ Ｎ ２３…，０ 。该小 波 系列具 有 较好 的紧 支撑性 、 滑性 和 近似对 称性 ， 为适 合 于声 信 号 的处理 。 光 更
通 过 提取 不 同声 源发 出的声 波 信号 中的特 征信 息 ， 对 提取 的特 征信 息 进行 加 工 和处 理来 实 现 目标 的 自动 识 并 ￣ ［ 特 点是 不 受地 形 、 线 、 Ｊ２ ［１ Ｊ， 光 背景 、 天气条 件 等 的影 响 。 目前 ， 在声 信号 的特征 提取 方 面 ， 研究 人 员 已经开 展 了 大 量 的工作 。杨 进等［ 自相 关技 术 用 于管道 泄 露声信 号 的提 取 ， 出将 信号 相关 长度 后 的 自相关 函数 序列 作 ３ １ 将 提
声 信号 的 特征 提取 。这 些方 法都 取得 了一定 的进 展 ， 但是 依然 没有 突破 傅里 叶技 术 的局 限性 ， 于机 动车 声信 对
号 这类 非 平 稳微 弱信 号 来说 分 析精 度 低 ， 易产 生较 大 的误 差 。而 小波 包 变换 是一 种 新兴 的 多分 辨 率 时频 分 容
（） ２
式 中 ： ｑ 为 小波包 重 构 的共 轭 滤波 器系 数 。 Ｐ和
１２ 小 波基 函数 选择 ．
小波 基 函数 的选择 是 进 行信 号 处理 、 分析 的重要 环 节 。 因为利 用 不 同的小 波 基 函数 分 析 同一个 信 号 会 产 生 不 同 的结 果［ ８ １ 工 程实 际 中 ， 波基 函数 的选择 仍 缺 乏系统 的方法 和 指导 性 的原 则 ， 常 是根 据 小波 基 函 。在 小 通 数 的属性 、 分析 信 号 的特 征 以及 所作 分 析 的具 体 要求 而 定 。经 过 筛选 ， 待 本研 究 采 用 Ｄ ｕ ｅｈｅ 小 波 族 中的 ａｂｃｉ ｓ
（． ｃ ｏ ｌ ｆＩｆｒ ａｉｎ ＆ Ｅ ｅ ｔ ｃ Ｅ ｇｎ ｅ ｉｇ ｈ ｎ ａ ｇ Ａ ｒ ｕ ｕｅ ｌ Ｕ ｉ ｒｉ ，Ｓ ｅ ｙ ｎ １ １ ｈ ｎ １ Ｓ ｈ ｏ ｏ ｎ ｏｍ ｔ ｏ ｌｃ ｎ ｉｅ ｒ ，Ｓ ｅ ｙ ｎ ｇ ｉ ｈ ｒａ ｎｖ ｓｔ ｈ ｎ ａ ｇ １ ０ ６ ，Ｃ ｉａ ｉ ｒ ｎ ｅ ｅ ｙ １
ａ ，）∑ ２ ＋， ｌ２＝ 一 （ｎ ｉ １） ｎ
ｋ
ｄ ， ＝ 一ｌ（ｌ 。２ ∑吼 ２ｋ ， 仃＇ ０ ｄｊ解 的共轭 滤 波器 系数 。 ０和 ４
ｄ＋， 【 （ｌ ｊ ＝ ｐ
ｋ
，ｎ＋ － ，ｎ １ ２ ）ｑ— ２＋ ） 】
声 源 的不 同特征 造成 的 。因此 ， 过分 析样 本信 号 的能量 分布 情况 ， 以识别 出该 信 号 的所 属 类型 。 研究 中 ， 通 可 本
声信 号 的特 征提取 算 法如 下 。
（） 机动 车声 信号 进行 ３层 小波包 分 解 ， 取各 频带 划 分 的系数 。 １对 提
１３ 基 于频 带能量 关 系的特 征提 取算 法 ．
小 波包 变 换 可 以把信 号分 解 成不 同频 率 范 围的 分量 ．由于不 同类 型 的声 信 号所 包 含 的信 息成 分不 同 。 经 过 小 波包分 解 后 目标 声信 号 中 的信息 成分 在 各个 分 解尺 度分 量 中的分 布就存 在 差 异 ， 种差 异 主要 是 由 目标 这