聲源定位技術(shù)新應用：鳴笛抓拍系統原理詳解

為更高效查處各種交通違法違規行為，交管部門(mén)不斷加大信息化建設，積極引入各種創(chuàng )新治理方式。

近年來(lái)，“聲吶電子警察”——違法鳴笛抓拍系統從無(wú)到有，對亂鳴喇叭不文明行為起到了很大的威懾作用。其高自主研發(fā)的鳴笛抓拍系統覆蓋了全國上百個(gè)城市，無(wú)疑成為了備受關(guān)注的產(chǎn)品之一。?

其高鳴笛抓拍系統（又稱(chēng)鳴號抓拍）可以把鳴笛過(guò)程完完整整地記錄下來(lái)了，音視頻全再現，違法亂鳴喇叭的司機想抵賴(lài)都不好意思。

由于鳴笛抓拍系統太過(guò)于神奇，相關(guān)的亂按喇叭就抓拍的產(chǎn)品一在社會(huì )上亮相就“問(wèn)題不斷”，例如：其高鳴笛抓拍系統是如何做到精準抓拍的？?jì)绍?chē)并排挨著(zhù)會(huì )不會(huì )抓錯？短按一下，喇叭聲也能被抓拍嗎？會(huì )不會(huì )因剎車(chē)聲被誤抓？下雨也能抓嗎？……

其實(shí)，上面這些都不是“問(wèn)題”。其高專(zhuān)注于聲學(xué)技術(shù)與聲音定位研發(fā)十多年，這種“問(wèn)題”見(jiàn)多了，已經(jīng)發(fā)布了可大量使用復制的鳴笛抓拍系統產(chǎn)品，亂鳴喇叭抓拍系統在全國一百多個(gè)城市長(cháng)期穩定使用，實(shí)現對亂鳴笛車(chē)輛的即時(shí)精準抓拍。

其高鳴笛抓拍系統為何能夠在嘈雜的環(huán)境中，精準識別出亂鳴喇叭的車(chē)輛？本文將詳細闡述其高鳴笛抓拍系統的底層工作原理。?

聲源定位技術(shù)

介紹原理之前，我們先來(lái)簡(jiǎn)單了解一下聲源定位技術(shù)。

聲學(xué)技術(shù)的應用有很多細分領(lǐng)域，如語(yǔ)音識別、語(yǔ)音增強、智能音箱、降噪耳機等。其高科技則深耕聲源定位應用十多年，解決聲音從哪里來(lái)的問(wèn)題。聲源定位一般應用在工業(yè)和軍工領(lǐng)域的故障診斷和聲品質(zhì)提升，例如汽車(chē)、家電產(chǎn)品等的異響定位、故障定位、潛艇的噪聲傳遞路徑、飛機起飛噪聲分布等。其高科技在麥克風(fēng)陣列、聲學(xué)相機、聲吶的技術(shù)上擁有從軟件、硬件到算法的全部自主研發(fā)能力。

聲吶技術(shù)目前被廣泛應用于潛艇在水下對敵方艦船的定位。所謂聲吶，即是由多個(gè)水聽(tīng)器組成的設備，水聽(tīng)器在水下可以接收到艦船航行的聲音。聲吶定位的原理和麥克風(fēng)陣列（又稱(chēng)聲學(xué)照相機）一樣，也是根據各個(gè)水聽(tīng)器收到信號的時(shí)間差來(lái)反推水聲來(lái)源方向。

鳴笛抓拍系統是聲吶定位技術(shù)在交通管理領(lǐng)域的成功應用典范，其高KeyVES系列鳴笛抓拍產(chǎn)品是市場(chǎng)上第一款真正可以穩定使用的鳴笛抓拍產(chǎn)品， 在實(shí)際道路場(chǎng)景下達到95%以上的準確率。

其高自主研發(fā)用于鳴笛抓拍的麥克風(fēng)陣列

鳴笛抓拍系統工作原理?

如圖1所示，基于麥克風(fēng)陣列的鳴笛抓拍系統主要由鳴笛聲識別和鳴笛聲定位兩部分組成。

圖1 鳴笛抓拍系統框圖

“麥克風(fēng)陣列”模塊是硬件，由幾十個(gè)麥克風(fēng)同時(shí)采集聲音信號，也稱(chēng)為聲學(xué)照相機，可分辨噪聲源位置。

“鳴笛聲識別”模塊解決“聽(tīng)準”的問(wèn)題，也就是確保鳴笛抓拍系統抓拍結果是依據鳴笛聲的定位，而不是因為其他聲音而抓拍。機動(dòng)車(chē)在禁鳴區域發(fā)出鳴笛聲，抓拍系統可以取證并由交管部門(mén)進(jìn)行處罰。但是，機動(dòng)車(chē)發(fā)出其他聲音，聲音再大，目前也沒(méi)有相關(guān)法規可以依據進(jìn)行處罰，抓拍系統不應實(shí)施抓拍取證，例如，大貨車(chē)的剎車(chē)聲也擾民，但不能因為它發(fā)出剎車(chē)聲而對其進(jìn)行處罰。

“鳴笛聲定位”模塊解決“定準”的問(wèn)題，也就是通過(guò)聲源定位算法確定按喇叭車(chē)輛。抓拍系統定位誤差必須足夠小，不能因A車(chē)鳴笛，結果對B車(chē)進(jìn)行抓拍。

鳴笛聲識別

通過(guò)分析鳴笛聲與環(huán)境噪聲的能量比、鳴笛聲的持續時(shí)間及鳴笛聲頻域特征，可以將鳴笛聲與其他非鳴笛聲，比如道路噪聲、人聲、環(huán)境聲、風(fēng)雨聲、鳥(niǎo)叫聲等區分開(kāi)來(lái)。

典型鳴笛聲聲紋特征

鳴笛聲是一種通過(guò)多個(gè)正弦信號調制、具有豐富諧波的信號。

圖2是麥克風(fēng)陣列單個(gè)通道采集的一個(gè)包含噪聲與鳴笛聲的時(shí)域信號。

圖3是該時(shí)域波形的短時(shí)能量，從該圖可知鳴笛時(shí)的能量遠大于噪聲能量。不僅如此，從該短時(shí)能量圖上可以看出，鳴笛聲的其持續時(shí)間一般要大于200毫秒。

圖4是該時(shí)域波形的中分別截取0.2秒的鳴笛信號和噪聲信號的功率譜比對圖，從該圖可知鳴笛信號具有豐富的譜線(xiàn)，且各個(gè)譜線(xiàn)之前呈類(lèi)似諧波的特征。

圖2 典型鳴笛聲時(shí)域波形

圖3 典型鳴笛聲短時(shí)能量

圖4 典型鳴笛聲音與噪聲頻譜

非鳴笛噪聲排除

鳴笛聲的頻譜聲紋特征很明顯，但也不是100%獨有，很多環(huán)境噪聲也會(huì )有類(lèi)似的特征，例如剎車(chē)聲、雨滴聲、鳥(niǎo)叫聲、蟬鳴聲等等都有可能被誤認為是鳴笛聲。

其高鳴笛抓拍系統采用深度學(xué)習神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )識別鳴笛聲，通過(guò)上千萬(wàn)筆各種道路狀況下的鳴笛聲訓練，形成魯棒的模型，能夠排除各種非鳴笛噪聲的干擾，實(shí)現準確定位抓拍。

以下是幾種典型非鳴笛噪聲信號的特征分析。

普通剎車(chē)

普通剎車(chē)是指小轎車(chē)的剎車(chē)聲。

圖5為典型的剎車(chē)信號；圖6為剎車(chē)信號的頻譜圖。通過(guò)該頻譜特征可以有效識別為非鳴笛聲。

圖5 剎車(chē)信號的時(shí)域波形

圖6 剎車(chē)信號的頻譜

氣剎聲

氣剎聲是指由大貨車(chē)發(fā)出的剎車(chē)聲。

圖7為典型的氣剎信號；圖8為氣剎信號的頻譜圖。

該頻譜結比普通剎車(chē)聲具有更加豐富的諧波，但與鳴笛聲的頻譜特征還是有差別。

圖7 氣剎信號的時(shí)域波形

圖8 氣剎信號的頻譜

雨滴聲

雨滴直接敲擊鳴笛抓拍系統的麥克風(fēng)陣列，可以產(chǎn)生很大聲壓級的噪聲。

圖9為一典型小雨情況下的雨滴聲時(shí)域波形。

圖10和圖11分別是該信號的短時(shí)能量和頻譜，通過(guò)短時(shí)能量發(fā)現雨滴聲持續的時(shí)間遠小于鳴笛聲，且頻譜也與鳴笛聲不同，故可以排除該類(lèi)噪聲。

圖9 雨滴信號的時(shí)域波形

圖10 雨滴信號的時(shí)域波形

圖11 雨滴信號的頻譜

鳴笛聲定位算法

主要的聲源定位方法可分為以下三類(lèi)：

1.基于時(shí)間到達差的方法：該方法原理簡(jiǎn)單，使用麥克風(fēng)數量少，計算量小，易于實(shí)現。但其主要核心為計算聲源到達各個(gè)麥克風(fēng)的時(shí)間差，這要求系統的采樣率足夠高；此外，該方法在通過(guò)互相關(guān)或廣義互相關(guān)的方法對周期性信號的計算結果存在較大誤差，而鳴笛聲信號就可以認為是一類(lèi)準周期信號。

2.基于高分辨率譜估計的方法：該方法需要首先獲得接收信號的空間相關(guān)矩陣，這在實(shí)際中是比較困難。該方法對定位模型的誤差十分敏感，魯棒性較差。該方法常常用于窄帶的信號的定位，雖然可以將鳴笛信號分解成多個(gè)窄帶進(jìn)行定位，但由此帶來(lái)的計算量成倍增長(cháng)。

3.基于波束形成的方法：該方法通過(guò)將陣列中各個(gè)傳感器所采集到的信號進(jìn)行濾波、加權疊加后形成波束，掃描整個(gè)接收空間。波束最大的點(diǎn)即為目標聲源，該方法可以同時(shí)定位多個(gè)聲源。更為重要的是該方法魯棒性較強，不需要先驗知識。

其高KeyVES鳴笛抓拍系統采用波束形成算法來(lái)實(shí)現鳴笛聲的精準定位。

將圖2采集到的一組鳴笛信號進(jìn)行波束形成，定位結果如圖12所示。

圖13是與畫(huà)面信息疊加后的結果，可見(jiàn)定位結果與車(chē)輛真實(shí)位置一致。

圖12 鳴笛聲定位結果

圖13 鳴笛聲定位結果

違法鳴笛抓拍系統應用

基于上述方法，其高自主研發(fā)出的鳴笛抓拍產(chǎn)品，能夠實(shí)時(shí)精準定位汽車(chē)鳴笛聲，生成符合GAT832-2014《道路交通安全違法行為圖像取證技術(shù)規范》要求的處罰依據圖片，以及生成2s的“聲音視頻“，為違法鳴笛抓拍取證提供權威依據。鳴笛抓拍系統作為違法亂鳴笛抓拍的輔助執法手段已在全國各大城市得到了應用和推廣。

其高科技可為用戶(hù)提供多款自主研發(fā)，成熟可靠的鳴笛抓拍產(chǎn)品， 包括固定式鳴笛抓拍系統，便攜式鳴笛抓拍儀和車(chē)載式鳴笛抓拍系統，該系列產(chǎn)品通過(guò)公安部、計量院等權威機構的多項專(zhuān)業(yè)認證。

1、 固定式鳴笛抓拍系統：行業(yè)內應用廣泛,成熟可靠的一款產(chǎn)品,可根據需求安裝于不同路段，1根現有電警桿即可安裝完成。目前已在全國100多個(gè)城市應用，且開(kāi)始實(shí)施非現場(chǎng)處罰。

2、 車(chē)載式鳴笛抓拍系統：了兼顧移動(dòng)性和實(shí)用性的鳴笛抓拍設備，可彌補固定式鳴笛抓拍無(wú)法迅速改變部署位置的不足， 便于交警隨時(shí)隨地進(jìn)行違法鳴笛監管，

3、 便攜式鳴笛抓拍儀：一體式鳴笛抓拍系統，攜帶方便，重量不超過(guò)5kg，可架設于三腳架上，立于路邊，即開(kāi)即用，無(wú)需復雜的安裝調試工作，即可對過(guò)往機動(dòng)車(chē)的違法鳴笛行為進(jìn)行抓拍取證。

其高科技自主研發(fā)的多款違法鳴笛抓拍系統