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)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，鳴笛抓拍產(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)是如何做到準確抓拍的?兩車并排挨著會不會抓錯?短按一下也能抓拍嗎?用慘叫雞或嘴巴喊是不是才不會被抓拍? 會不會因剎車聲被誤抓?下雨也能抓嗎?……

　　小編告訴你，上面這些都不是“問題”。其高專注于聲學技術(shù)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，在全國一百多個城市長期穩(wěn)定使用，實現(xiàn)對亂鳴喇叭車輛的即時準確抓拍。

　　其高鳴笛抓拍系統(tǒng)為何能夠在嘈雜的環(huán)境中，準確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。‍

　　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。

　　“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噪聲區(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，通過上百萬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 雨滴信號的短時能量

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。

　　其高鳴笛抓拍系統(tǒng)采用波束形成算法來實現(xiàn)鳴笛聲的準確定位。

　　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

　　鳴笛抓拍系統(tǒng)應(yīng)用

　　基于上述方法，其高自主研發(fā)出了多款基于克風陣列的鳴笛抓拍產(chǎn)品，可以實時準確定位汽車鳴笛聲，系統(tǒng)作為輔助執(zhí)法手段已在全國各大城市得到了應(yīng)用和推廣。

其高自主研發(fā)的32通道和64通道麥克風陣列

基于麥克風陣列的汽車鳴笛聲系統(tǒng)應(yīng)用