CN105424170A - 一种枪声探测计数方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明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。<!-- 2 -->

Description

一种枪声探测计数方法及系统

技术领域

本发明涉及声音信号处理领域，尤其是枪声探测计数技术，更具体的本发明涉及一种枪声探测计数方法及系统。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

为实现上述发明目的，发明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f_s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f_d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/f_s为信号时长，目的就是要检测出T时间内枪声个数N_shot；

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N_wlen，以采样点为单位，帧移N_inc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y_i(j)，其中i＝1,2,…,M，j＝1,2,…,N_wlen；

4)对每帧声序列段y_i(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Y_i，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E_i；同时，设置时长为T_IS的前导噪声段，将其按照同样的方法分为M_IS帧，然后计算M_IS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E_i进行微分，即E_i′＝E_i-E_i+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E_T，当第i帧的变化剧烈程度，也就是幅度导数E_i′大于阈值E_T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E_T，而第j+1帧的幅度导数小于阈值E_T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N_shot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 $t_2=\frac{\left(\right(j-1)N_{inc}+1)-3/2N_{wlen}}{f_s},$ 枪声持续时间为 $\mathrm{\&Delta;}t=t_2-t_1=\frac{(j-i)N_{inc}}{f_s},$ 并将每一次的枪声数据存入长为N_shot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f_s不低于25.6kHz，传声器距枪的距离小于传声器距周围较大障碍物的距离。

进一步，所述步骤3)中的帧长N_wlen取值范围为64～128点。

进一步，所述步骤6)中的阈值E_T为步骤4)所述前导噪声段短时平均幅值的2～20倍，或者当信噪比较大时，可依据枪声信号的最大值来确定，可取为最大值的0.1～0.5倍。

相应地，为实现上述发明目的，本发明的一种枪声探测计数系统，其特征在于：包括传声器模块、枪声信号采集模块、信号预处理模块、滤波器模块、枪声信号检测和计数模块、计数显示模块等6个模块；

所述传声器模块，由低噪声传声器和前置放大器组成，用于接收枪声信号，将声信号转变为电信号并进行前置滤波和放大后输出；

所述枪声信号采集模块，由采集卡组成，将模拟信号经采样后转变为数字信号；

所述信号预处理模块，对采集到的枪声信号进行预处理计算，用于去除枪声信号的直流分量和趋势项，以滤除一部分噪声，包含传声器在使用过程中受太阳照射或自身发热而产生的零点漂移等噪声；

所述滤波器模块，用于滤除50Hz工频干扰信号及其谐波，并通过低通滤波器滤除高频杂波；

所述枪声信号检测和计数模块，包含分帧单元、短时幅度计算单元、微分单元、枪声判定单元、枪声计数单元、枪声击发时刻和结束时刻计算单元等6个单元；所述分帧单元对信号进行窄帧长小帧移分帧；所述短时幅度计算单元计算分帧后的信号的短时幅度；所述微分单元对短时幅度进行微分；所述枪声判定单元采用阈值门限检测进行枪声判定；所述枪声计数单元对枪声个数进行计数；所述枪声击发时刻和结束时刻计算单元计算检测到的每一个枪声信号的击发时刻和结束时刻，以及枪声持续时间；

所述计数显示模块，显示检测到的枪声个数、每一个枪声信号的击发时刻和结束时刻以及持续时间等信息。

通过高采样频率、窄帧长小帧移的分帧、短时幅度计算和微分计算，以及与后来的上升沿判决一起，有效避免了枪声较为密集时难以有效计数的缺点。

本发明的有益效果是：

(1)原理简单，运算量小。可以移植到小型移动设备，适合低成本大产量投入生产。

(2)有效抑制回声的影响，准确度高。枪声密集条件下(20ms内有两声以上枪声时)精度达到99％以上，可满足一般探测要求。

(3)依据的是上升沿而不是幅度值或者能量值，避免了不同位置的声源由于距传声器远近不同产生较大的衰减差异，而导致计数时对声源远近位置的限制。

(4)采用上升沿判决，将枪声信号的非平稳特性有效利用起来，同时在多个环节处采用不同的滤波手段，使得环境噪声(如语音，拉枪机声，稍远处的烟花爆竹声等)的影响也大为减小。

附图说明

图1为本发明枪声探测计数方法的流程图。

图2为本发明枪声探测计数系统的组成图。

图3为采集到的一组枪声数据示例。

图4为图3中的某一枪声的声信号。

图5为应用本发明探测到的两击发时刻时间差为17ms的枪声的结果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，但应理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明针对靶场环境下多人同时射击，枪声非常密集，且不同射击点离探测点距离不同的情况下，对枪声进行精确探测计数。图1为本发明枪声探测计数具体实施步骤图例，下面结合图1和图2对本发明的实施步骤做详细说明。

1)枪声信号经传声器模块后输入到采集模块，采样模块的采样频率f_s不低于25.6kHz，传声器距枪的距离应小于传声器距周围较大障碍物的距离。首先将以采样率为f_s采集到的信号通过信号预处理模块，去除直流分量和消除趋势项，以滤除传声器在使用过程中受太阳照射或自身发热而产生的零点漂移，趋势项的阶次参数可以选为2～3阶；然后，将信号输入滤波器模块，在滤波器内，先通过截止频率为f_d的低通滤波器滤除高频杂波(以95式步枪为例，f_d可取为1.6kHz)，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/f_s为信号时长，目的就是要检测出T时间内枪声个数N_shot。下面的第2到第6步是枪声信号检测和计数模块的具体操作步骤。

2)为获得短时平稳信号以便于对其进行分析，将预处理之后的信号x(n)输入分帧单元进行分帧处理，考虑到信号的非平稳特性，采用短帧长和短帧移，帧长设为N_wlen，以采样点为单位，帧移N_inc设为1/4帧长，可视枪声密集情况的不同设置帧长N_wlen为64～128点。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y_i(j)，其中i＝1,2,…,M，j＝1,2,…,N_wlen。

3)将每帧声序列段y_i(j)输入信号短时幅度计算单元，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Y_i，其中i＝1,2,…,M；为了进一步去除较强环境噪声(如测试时的人声、烟花、爆竹等)，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E_i。同时，设置时长为T_IS的前导噪声段，将其按照同样的方法分为M_IS帧，然后计算M_IS帧的短时幅值的平均值

4)将短时幅度序列E_i通过微分单元计算相邻两个短时幅度的差值E_i′＝E_i-E_i+1，将幅度变化转变为反映幅度变化剧烈程度，也就是脉冲冲击剧烈程度的幅度导数序列E_i′，便于据此进行上升沿判决；

5)进入枪声判定单元进行上升沿判定，采用单门限检测，设置检测门限为阈值E_T，当第i帧的变化剧烈程度，也就是幅度导数E_i′大于阈值E_T时，判定该帧为枪声。阈值E_T的确定，主要依据经验值，一般可取为前导噪声段短时平均幅值的2～20倍；当信噪比较大时，可依据枪声信号的最大值来确定，可取为最大值的0.1～0.5倍。若从第i帧到第j帧，每一帧的幅度导数都大于阈值E_T，而第j+1帧的幅度导数小于阈值E_T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。计枪声计数单元共检测到N_shot次枪声。

6)在枪声击发时刻和结束时刻计算单元中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 $t_1=\frac{\left(\right(i-1)N_{inc}+1)-3/2N_{wlen}}{f_s},$ 结束时刻为 $t_2=\frac{\left(\right(j-1)N_{inc}+1)-3/2N_{wlen}}{f_s},$ 枪声持续时间为击发时刻和结束时刻公式中3/2N_wlen是考虑到枪声信号的脉冲特性，击发时刻对应的帧的短时幅度会由于与前面的平稳噪声段，或结束时刻与后面的平稳噪声段一起求和而导致幅度值较小，利用阈值判别时，可能导致刚开始的脉冲部分被视为噪声段，或结束时刻后面的噪声段被视为信号段，因此为了更好的确定枪声的开始时刻和结束时刻，将开始时刻和结束时刻提前3/2N_wlen点以确保找到的枪声信号的完整性。将每一次的枪声数据存入长为N_shot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。

7)在计数显示模块中显示检测到的枪声个数、每一个枪声信号的击发时刻和结束时刻以及持续时间等信息。

下面给出应用本发明的一个实例，当然本发明不局限于本实例所对应的条件。采集环境如下：20位射击者，每人10发子弹，同时连续射击，一共击发的枪声数为200发。20位射击者站成一排，他们离传声器探测系统的距离有远有近，最强枪声信号和最弱枪声信号在声压级上相差20dB以上。图3为采集到的所有枪声信号的波形，横轴为时间，纵轴为幅值。这组信号除了包含200发枪声以外，还包含有人的说话声和烟花爆炸声等噪声干扰信号。图4为图3中的某一枪声的声信号在时间轴上的放大，枪声击发时会形成一个负压，然后再形成一个较大的正压，后面还混有回声信号。可以看出，图3中的信号非常密集，最密集的两击发时刻间隔为17ms，如图5(a)所示，图5(b)中给出了应用本发明得到的这两最密集枪声的正确探测的结果图。总的应用结果是：对于本实例，应用本发明，对图3所示的密集枪声信号进行探测计数的准确率是100％。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

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f_s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f_d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/f_s为信号时长，目的就是要检测出T时间内枪声个数N_shot；

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N_wlen，以采样点为单位，帧移N_inc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y_i(j)，其中i＝1,2,…,M，j＝1,2,…,N_wlen；

4)对每帧声序列段y_i(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Y_i，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E_i；同时，设置时长为T_IS的前导噪声段，将其按照同样的方法分为M_IS帧，然后计算M_IS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E_i进行微分，即E′_i＝E_i-E_i+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E_T，当第i帧的变化剧烈程度，也就是幅度导数E′_i大于阈值E_T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E_T，而第j+1帧的幅度导数小于阈值E_T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N_shot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 $t_2=\frac{\left(\right(j-1)N_{inc}+1)-3/2N_{wlen}}{f_s},$ 枪声持续时间为 $\mathrm{\&Delta;}t=t_2-t_1=\frac{(j-i)N_{inc}}{f_s},$ 并将每一次的枪声数据存入长为N_shot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。

2.根据权利要求1所述的一种枪声探测计数方法，其特征在于：所述步骤1)中的采样率f_s不低于25.6kHz，传声器距枪的距离小于传声器距周围较大障碍物的距离。

3.根据权利要求2所述的一种枪声探测计数方法，其特征在于：所述步骤3)中的帧长N_wlen取值范围为64～128点。

4.根据权利要求3所述的一种枪声探测计数方法，其特征在于：所述步骤6)中的阈值E_T为步骤4)所述前导噪声段短时平均幅值的2～20倍，或者当信噪比较大时，可依据枪声信号的最大值来确定，可取为最大值的0.1～0.5倍。

5.一种枪声探测计数系统，其特征在于：包括传声器模块、枪声信号采集模块、信号预处理模块、滤波器模块、枪声信号检测和计数模块、计数显示模块等6个模块；

所述传声器模块，由低噪声传声器和前置放大器组成，用于接收枪声信号，将声信号转变为电信号并进行前置滤波和放大后输出；

所述枪声信号采集模块，由采集卡组成，将模拟信号经采样后转变为数字信号；

所述信号预处理模块，对采集到的枪声信号进行预处理计算，用于去除枪声信号的直流分量和趋势项，以滤除一部分噪声，包含传声器在使用过程中受太阳照射或自身发热而产生的零点漂移等噪声；

所述滤波器模块，用于滤除50Hz工频干扰信号及其谐波，并通过低通滤波器滤除高频杂波；

所述枪声信号检测和计数模块，包含分帧单元、短时幅度计算单元、微分单元、枪声判定单元、枪声计数单元、枪声击发时刻和结束时刻计算单元等6个单元；所述分帧单元对信号进行窄帧长小帧移分帧；所述短时幅度计算单元计算分帧后的信号的短时幅度；所述微分单元对短时幅度进行微分；所述枪声判定单元采用阈值门限检测进行枪声判定；所述枪声计数单元对枪声个数进行计数；所述枪声击发时刻和结束时刻计算单元计算检测到的每一个枪声信号的击发时刻和结束时刻，以及枪声持续时间；

所述计数显示模块，显示检测到的枪声个数、每一个枪声信号的击发时刻和结束时刻以及持续时间等信息。