聲源定位技術(shù)新應(yīng)用：鳴笛抓拍系統(tǒng)原理詳解

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

近年來，“聲吶電子警察”——違法鳴笛抓拍系統(tǒng)從無到有，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(tǒng)覆蓋了全國上百個城市，無疑成為了備受關(guān)注的產(chǎn)品之一。?

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

由于鳴笛抓拍系統(tǒng)太過于神奇，相關(guān)的亂按喇叭就抓拍的產(chǎn)品一在社會上亮相就“問題不斷”，例如：其高鳴笛抓拍系統(tǒng)是如何做到精準抓拍的？兩車并排挨著會不會抓錯？短按一下，喇叭聲也能被抓拍嗎？會不會因剎車聲被誤抓？下雨也能抓嗎？……

其實，上面這些都不是“問題”。其高專注于聲學技術(shù)與聲音定位研發(fā)十多年，這種“問題”見多了，已經(jīng)發(fā)布了可大量使用復制的鳴笛抓拍系統(tǒng)產(chǎn)品，亂鳴喇叭抓拍系統(tǒng)在全國一百多個城市長期穩(wěn)定使用，實現(xiàn)對亂鳴笛車輛的即時精準抓拍。

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

聲源定位技術(shù)

介紹原理之前，我們先來簡單了解一下聲源定位技術(shù)。

聲學技術(shù)的應(yīng)用有很多細分領(lǐng)域，如語音識別、語音增強、智能音箱、降噪耳機等。其高科技則深耕聲源定位應(yīng)用十多年，解決聲音從哪里來的問題。聲源定位一般應(yīng)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、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。其高科技在麥克風陣列、聲學相機、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(yīng)用于潛艇在水下對敵方艦船的定位。所謂聲吶，即是由多個水聽器組成的設(shè)備，水聽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陣列（又稱聲學照相機）一樣，也是根據(jù)各個水聽器收到信號的時間差來反推水聲來源方向。

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

其高自主研發(fā)用于鳴笛抓拍的麥克風陣列

鳴笛抓拍系統(tǒng)工作原理?

如圖1所示，基于麥克風陣列的鳴笛抓拍系統(tǒng)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(tǒng)框圖

“麥克風陣列”模塊是硬件，由幾十個麥克風同時采集聲音信號，也稱為聲學照相機，可分辨噪聲源位置。

“鳴笛聲識別”模塊解決“聽準”的問題，也就是確保鳴笛抓拍系統(tǒng)抓拍結(jié)果是依據(jù)鳴笛聲的定位，而不是因為其他聲音而抓拍。機動車在禁鳴區(qū)域發(fā)出鳴笛聲，抓拍系統(tǒng)可以取證并由交管部門進行處罰。但是，機動車發(fā)出其他聲音，聲音再大，目前也沒有相關(guān)法規(guī)可以依據(jù)進行處罰，抓拍系統(tǒng)不應(yīng)實施抓拍取證，例如，大貨車的剎車聲也擾民，但不能因為它發(fā)出剎車聲而對其進行處罰。

“鳴笛聲定位”模塊解決“定準”的問題，也就是通過聲源定位算法確定按喇叭車輛。抓拍系統(tǒng)定位誤差必須足夠小，不能因A車鳴笛，結(jié)果對B車進行抓拍。

鳴笛聲識別

通過分析鳴笛聲與環(huán)境噪聲的能量比、鳴笛聲的持續(xù)時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、風雨聲、鳥叫聲等區(qū)分開來。

典型鳴笛聲聲紋特征

鳴笛聲是一種通過多個正弦信號調(diào)制、具有豐富諧波的信號。

圖2是麥克風陣列單個通道采集的一個包含噪聲與鳴笛聲的時域信號。

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

圖4是該時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，且各個譜線之前呈類似諧波的特征。

圖2 典型鳴笛聲時域波形

圖3 典型鳴笛聲短時能量

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)境噪聲也會有類似的特征，例如剎車聲、雨滴聲、鳥叫聲、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(tǒng)采用深度學習神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別鳴笛聲，通過上千萬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，實現(xiàn)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

普通剎車是指小轎車的剎車聲。

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

圖5 剎車信號的時域波形

圖6 剎車信號的頻譜

氣剎聲

氣剎聲是指由大貨車發(fā)出的剎車聲。

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(jié)比普通剎車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(tǒng)的麥克風陣列，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域波形。

圖10和圖11分別是該信號的短時能量和頻譜，通過短時能量發(fā)現(xiàn)雨滴聲持續(xù)的時間遠小于鳴笛聲，且頻譜也與鳴笛聲不同，故可以排除該類噪聲。

圖9 雨滴信號的時域波形

圖10 雨滴信號的時域波形

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：

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

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窄帶進行定位，但由此帶來的計算量成倍增長。

3.基于波束形成的方法：該方法通過將陣列中各個傳感器所采集到的信號進行濾波、加權(quán)疊加后形成波束，掃描整個接收空間。波束最大的點即為目標聲源，該方法可以同時定位多個聲源。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(tǒng)采用波束形成算法來實現(xiàn)鳴笛聲的精準定位。

將圖2采集到的一組鳴笛信號進行波束形成，定位結(jié)果如圖12所示。

圖13是與畫面信息疊加后的結(jié)果，可見定位結(jié)果與車輛真實位置一致。

圖12 鳴笛聲定位結(jié)果

圖13 鳴笛聲定位結(jié)果

違法鳴笛抓拍系統(tǒng)應(yīng)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?qū)崟r精準定位汽車鳴笛聲，生成符合GAT832-2014《道路交通安全違法行為圖像取證技術(shù)規(guī)范》要求的處罰依據(jù)圖片，以及生成2s的“聲音視頻“，為違法鳴笛抓拍取證提供權(quán)威依據(jù)。鳴笛抓拍系統(tǒng)作為違法亂鳴笛抓拍的輔助執(zhí)法手段已在全國各大城市得到了應(yīng)用和推廣。

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

1、 固定式鳴笛抓拍系統(tǒng)：行業(yè)內(nèi)應(yīng)用廣泛,成熟可靠的一款產(chǎn)品,可根據(jù)需求安裝于不同路段，1根現(xiàn)有電警桿即可安裝完成。目前已在全國100多個城市應(yīng)用，且開始實施非現(xiàn)場處罰。

2、 車載式鳴笛抓拍系統(tǒng)：了兼顧移動性和實用性的鳴笛抓拍設(shè)備，可彌補固定式鳴笛抓拍無法迅速改變部署位置的不足， 便于交警隨時隨地進行違法鳴笛監(jiān)管，

3、 便攜式鳴笛抓拍儀：一體式鳴笛抓拍系統(tǒng)，攜帶方便，重量不超過5kg，可架設(shè)于三腳架上，立于路邊，即開即用，無需復雜的安裝調(diào)試工作，即可對過往機動車的違法鳴笛行為進行抓拍取證。

其高科技自主研發(fā)的多款違法鳴笛抓拍系統(tǒng)