CN109612573B - 一种基于噪声频谱分析的树冠火和地面火检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于噪声频谱分析的树冠火和地面火检测方法，基于不同火势声响所对应频谱之间的差异化，即地表火灾噪声频谱的趋势线振幅逐渐向低频方向增大，而树冠火灾噪声谱趋势线具有近似钟形，据此，针对实时所采集到的火灾燃烧噪声进行采集，并进行频谱分析，通过不同频谱趋势线的走势，能够准确实现树冠火和地面火的检测。

Description

一种基于噪声频谱分析的树冠火和地面火检测方法
技术领域
本发明涉及一种基于噪声频谱分析的树冠火和地面火检测方法，属于声音频谱识别技术领域。
背景技术
森林火灾，是指失去人为控制，在林地内自由蔓延和扩展，对森林、森林生态系统和人类带来一定危害和损失的林火行为。森林火灾是一种突发性强、破坏性大、处置救助较为困难的自然灾害。由于森林火灾发生的区域广，救灾过程存在一定的困难，而且只有在消防员到达火灾现场，方可知晓其具体的着火目标物，因此，现有消防应对森林火灾的救灾效率不高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于不同火势声响所对应频谱之间的差异化，通过声响采集，频谱分析，能够准确辨别不同火势类型的基于噪声频谱分析的树冠火和地面火检测方法。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种基于噪声频谱分析的树冠火和地面火检测方法，针对实时所采集到的火灾燃烧噪声进行分析，实现树冠火和地面火的检测，包括如下步骤：
步骤A.针对实时所获火灾燃烧噪声对应的模拟信号xn进行傅里叶变换更新，然后进入步骤B；xn表示实时所获火灾燃烧噪声对应的第n个模拟信号；
步骤B.按如下公式：
Figure GDA0002726005730000011
获得模拟信号xn所对应的频谱函数Xn，然后进入步骤C；其中，n表示实时所获火灾燃烧噪声依次对应模拟信号的序号，e表示自然常数；
步骤C.按如下公式：
Figure GDA0002726005730000012
获得模拟信号xn所对应的信号频谱Cn，然后进入步骤D；其中，1≤i≤n，Si表示实时所获火灾燃烧噪声对应第i个模拟信号的频率幅度值；
步骤D.根据信号频谱Cn所对应的趋势线，确定模拟信号xn所对应的火灾燃烧噪声代表树冠火或地面火。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤D包括如下：
针对信号频谱Cn所对应的趋势线，按如下两条规则，确定模拟信号xn所对应的火灾燃烧噪声代表树冠火或地面火；
规则1.若信号频谱Cn所对应趋势线的振幅逐渐向低频方向增大，则判定实时所获火灾燃烧噪声代表地面火；
规则2.若信号频谱Cn所对应趋势线呈高斯曲线分布，则判定实时所获火灾燃烧噪声代表树冠火。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤D包括如下步骤：
步骤D-1.针对信号频谱Cn所对应的趋势线进行多项式拟合，计算获得趋势线斜率系数ka，然后进入步骤D-2；其中，0≤a≤A，A表示趋势线上各段所对应多项式中的最大多项式次数，ka表示趋势线上a次多项式所对应段的斜率系数；
步骤D-2.按如下公式：
Figure GDA0002726005730000021
获得实时所获火灾燃烧噪声对应的功率谱Pf，然后进入步骤D-3；fa表示趋势线上a次多项式所对应段、所对应火灾燃烧噪声模拟信号的频率值；
步骤D-3.根据信号频谱Cn所对应的趋势线，针对实时所获火灾燃烧噪声对应的模拟信号xn，计算各模拟信号xn低频频谱幅度与高频频谱幅度的平方和
Figure GDA0002726005730000022
然后进入步骤D-4；其中，Ci表示实时所获火灾燃烧噪声对应第i个模拟信号的频谱幅度值；
步骤D-4.按如下公式：
Figure GDA0002726005730000023
获得实时所获火灾燃烧噪声对应的评测值Y，并判断Y是否高于预设评测阈值，是则判定实时所获火灾燃烧噪声代表树冠火；否则判定实时所获火灾燃烧噪声代表地表火。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤D-4中，所述预设评测阈值等于10。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤A中，针对实时所获火灾燃烧噪声对应的模拟信号xn，按如下公式进行离散傅里叶变换更新；
Figure GDA0002726005730000031
其中，mi表示实时所获火灾燃烧噪声对应第i个模拟信号的频率值。
本发明所述一种基于噪声频谱分析的树冠火和地面火检测方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明所设计基于噪声频谱分析的树冠火和地面火检测方法，基于不同火势声响所对应频谱之间的差异化，针对实时所采集到的火灾燃烧噪声进行采集、以及频谱分析，能够准确实现树冠火和地面火的检测。
附图说明
图1是本发明设计基于噪声频谱分析的树冠火和地面火检测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
经过森林火灾噪声功率谱分析，地表火灾噪声频谱可以建模成红色噪声(趋势线振幅逐渐向低频方向增大)，而树冠火灾噪声谱趋势线具有近似钟形(高斯)。树冠火灾的噪声频率范围相对较小，范围在250-450赫兹之间。森林火灾噪声功率谱的不同趋势线是可用于确定无线传感器网络中森林火灾类型的参数。
基于这种差异，本发明设计了一种基于噪声频谱分析的树冠火和地面火检测方法，针对实时所采集到的火灾燃烧噪声进行分析，实现树冠火和地面火的检测，实际应用中，针对整个系统设计前端，包括温度传感器、以及诸如麦克风等声音捕获设备，当温度传感器所检测温度超过设定的阈值时，热开关打开控制声音捕获设备工作，并将声音捕获设备连接到数据传输系统，即针对声音捕获设备所捕获的噪声向系统数据处理后台传输，然后按图1所示，具体执行如下步骤：
步骤A.针对实时所获火灾燃烧噪声对应的模拟信号xn进行傅里叶变换更新，然后进入步骤B；xn表示实时所获火灾燃烧噪声对应的第n个模拟信号。
上述步骤A具体来说，可以应用离散傅里叶变换，即针对实时所获火灾燃烧噪声对应的模拟信号xn，按如下公式进行离散傅里叶变换更新；
Figure GDA0002726005730000041
其中，mi表示实时所获火灾燃烧噪声对应第i个模拟信号的频率值。
步骤B.按如下公式：
Figure GDA0002726005730000042
获得模拟信号xn所对应的频谱函数Xn，然后进入步骤C；其中，n表示实时所获火灾燃烧噪声依次对应模拟信号的序号，e表示自然常数。
步骤C.按如下公式：
Figure GDA0002726005730000043
获得模拟信号xn所对应的信号频谱Cn，然后进入步骤D；其中，1≤i≤n，Si表示实时所获火灾燃烧噪声对应第i个模拟信号的频率幅度值。
步骤D.根据信号频谱Cn所对应的趋势线，确定模拟信号xn所对应的火灾燃烧噪声代表树冠火或地面火。
对于这里的步骤D，实际应用中，步骤D具体可以设计两种方法，进行执行。
第一种方法，是针对信号频谱Cn所对应的趋势线，按如下两条规则，确定模拟信号xn所对应的火灾燃烧噪声代表树冠火或地面火。
规则1.若信号频谱Cn所对应趋势线的振幅逐渐向低频方向增大，则判定实时所获火灾燃烧噪声代表地面火。
规则2.若信号频谱Cn所对应趋势线呈高斯曲线分布，则判定实时所获火灾燃烧噪声代表树冠火。
第二种方法，相对复杂些，但是最终确定模拟信号xn所对应的火灾燃烧噪声代表树冠火或地面火的准确性，要高于第一种方法。
步骤D所对应的第二种方法，如下步骤：
步骤D-1.针对信号频谱Cn所对应的趋势线进行多项式拟合，计算获得趋势线斜率系数ka，然后进入步骤D-2；其中，0≤a≤A，A表示趋势线上各段所对应多项式中的最大多项式次数，ka表示趋势线上a次多项式所对应段的斜率系数。
步骤D-2.按如下公式：
Figure GDA0002726005730000051
获得实时所获火灾燃烧噪声对应的功率谱Pf，然后进入步骤D-3；fa表示趋势线上a次多项式所对应段、所对应火灾燃烧噪声模拟信号的频率值。
步骤D-3.根据信号频谱Cn所对应的趋势线，针对实时所获火灾燃烧噪声对应的模拟信号xn，计算各模拟信号xn低频频谱幅度与高频频谱幅度的平方和
Figure GDA0002726005730000052
然后进入步骤D-4；其中，Ci表示实时所获火灾燃烧噪声对应第i个模拟信号的频谱幅度值。
步骤D-4.按如下公式：
Figure GDA0002726005730000053
获得实时所获火灾燃烧噪声对应的评测值Y，并判断Y是否高于预设评测阈值，是则判定实时所获火灾燃烧噪声代表树冠火；否则判定实时所获火灾燃烧噪声代表地表火。实际应用执行中，可以设定预设评测阈值等于10。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (4)

1.一种基于噪声频谱分析的树冠火和地面火检测方法，其特征在于：针对实时所采集到的火灾燃烧噪声进行分析，实现树冠火和地面火的检测，包括如下步骤：
步骤A.针对实时所获火灾燃烧噪声对应的模拟信号xn进行傅里叶变换更新，然后进入步骤B；xn表示实时所获火灾燃烧噪声对应的第n个模拟信号；
步骤B.按如下公式：
Figure FDA0002806318170000011
获得模拟信号xn所对应的频谱函数Xn，然后进入步骤C；其中，n表示实时所获火灾燃烧噪声依次对应模拟信号的序号，e表示自然常数；
步骤C.按如下公式：
Figure FDA0002806318170000012
获得模拟信号xn所对应的信号频谱Cn，然后进入步骤D；其中，1≤i≤n，Si表示实时所获火灾燃烧噪声对应第i个模拟信号的频率幅度值；
步骤D.根据信号频谱Cn所对应的趋势线，确定模拟信号xn所对应的火灾燃烧噪声代表树冠火或地面火；
上述步骤D包括如下步骤：
步骤D-1.针对信号频谱Cn所对应的趋势线进行多项式拟合，计算获得趋势线斜率系数ka，然后进入步骤D-2；其中，0≤a≤A，A表示趋势线上各段所对应多项式中的最大多项式次数，ka表示趋势线上a次多项式所对应段的斜率系数；
步骤D-2.按如下公式：
Figure FDA0002806318170000013
获得实时所获火灾燃烧噪声对应的功率谱Pf，然后进入步骤D-3；fa表示趋势线上a次多项式所对应段、所对应火灾燃烧噪声模拟信号的频率值；
步骤D-3.根据信号频谱Cn所对应的趋势线，针对实时所获火灾燃烧噪声对应的模拟信号xn，计算各模拟信号xn低频频谱幅度与高频频谱幅度的平方和
Figure FDA0002806318170000014
然后进入步骤D-4；其中，Ci表示实时所获火灾燃烧噪声对应第i个模拟信号的频谱幅度值；
步骤D-4.按如下公式：
Figure FDA0002806318170000021
获得实时所获火灾燃烧噪声对应的评测值Y，并判断Y是否高于预设评测阈值，是则判定实时所获火灾燃烧噪声代表树冠火；否则判定实时所获火灾燃烧噪声代表地表火。
2.根据权利要求1所述一种基于噪声频谱分析的树冠火和地面火检测方法，其特征在于，所述步骤D包括如下：
针对信号频谱Cn所对应的趋势线，按如下两条规则，确定模拟信号xn所对应的火灾燃烧噪声代表树冠火或地面火；
规则1.若信号频谱Cn所对应趋势线的振幅逐渐向低频方向增大，则判定实时所获火灾燃烧噪声代表地面火；
规则2.若信号频谱Cn所对应趋势线呈高斯曲线分布，则判定实时所获火灾燃烧噪声代表树冠火。
3.根据权利要求1所述一种基于噪声频谱分析的树冠火和地面火检测方法，其特征在于：所述步骤D-4中，所述预设评测阈值等于10。
4.根据权利要求1所述一种基于噪声频谱分析的树冠火和地面火检测方法，其特征在于：所述步骤A中，针对实时所获火灾燃烧噪声对应的模拟信号xn，按如下公式进行离散傅里叶变换更新；
Figure FDA0002806318170000022
其中，mi表示实时所获火灾燃烧噪声对应第i个模拟信号的频率值。
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Application publication date: 20190412

Assignee: Nanjing Ruixi Technology Co.,Ltd.

Assignor: NANJING FORESTRY University

Contract record no.: X2021320000091

Denomination of invention: A detection method of crown fire and ground fire based on noise spectrum analysis

Granted publication date: 20210112

License type: Common License

Record date: 20211013

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EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20190412

Assignee: Nanjing Daolian Biological Technology Co.,Ltd.

Assignor: NANJING FORESTRY University

Contract record no.: X2021320000096

Denomination of invention: A detection method of crown fire and ground fire based on noise spectrum analysis

Granted publication date: 20210112

License type: Common License

Record date: 20211021

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