[发明专利]一种雨声信号降噪处理方法和系统

说明书

本发明公开了一种雨声信号降噪处理方法，包括：采集降雨时的实时声音信号，实时声音信号中至少包括实时雨声信号；基于从混合声音信号中剔除实时第一环境音信号、实时第二环境音信号的雨声分离子系统，从实时声音信号中分离出不含环境音信号的雨声信号；所述环境音信号包括第一环境音信号和第二环境音信号。本发明采用独立成分分析算法(ICA)中的固定点算法(FastICA)算法，创建雨声分离子系统，优化分离矩阵参数，将降雨时的实时声音信号导入雨声分离子系统，剔除环境音信号，导出较为纯净的雨声信号，再根据导出的雨声信号频谱判断雨量等级。

技术领域

本发明涉及雨声信号处理技术领域，具体而言涉及一种雨声信号降噪处理方法和系统。

背景技术

降水在地球水循环中扮演着至关重要的角色，降水量的大小直接影响全球大气水文系统的平衡。我国气候多样，尤其以季风性气候为显著特点，经常突发暴雨气候，除西北个别省份之外的其他区域基本都会出现暴雨天气。因此，暴雨已经成为我国主要的天气灾害。每年4至10月的汛期使我国经济蒙受巨大的损失。降水量的测量在当今气象学和水文学中起着至关重要的作用，一般把雨量计作为测量工具。市面上多见的为虹吸式雨量计、称重式雨量计和翻斗式雨量计等直接测量的雨量计。这两种雨量计对环境要求比较严苛，除了在风力过大时无法进行测量以外，如遇上温度低于0摄氏度的天气时，虹吸式雨量计和翻斗式雨量计的漏斗内容易结冰形成堵塞，导致测量结果误差过大。因为需要收集雨水来进行测量的原因，这些雨量计需要直接置于室外，在青海等地处高原又有着大片无人区域的省份，人工校准和维护变得困难。

国内外在摄像法、雷达、光学法等领域不断探索降水方法技术并逐步成熟。在声学领域中，2012年Trono,EM等利用声学传感器监测雨量，将数据上传Web服务器，当测定数值大于安全阈值触发手机短信服务(SMS)警报，并且设计并测试了基于Arduino的传感器可替代低成本降雨声学传感器；2017年Carol Bedoya等人通过声音记录来推断降雨水平，这种算法基于对功率谱的平均值和信噪比的估计来测量降水量；2010年，刘贞文等根据雨声谱的不同特征与最小二乘法和非线性方法结合，在不同频段中利用不同的模型反演出睡眠降水的强度。新型有效的雨量测量方法仍为学界关注。自然界中的雨声信号一般混杂着其他声音信号，所以去除这些噪声以获得纯净信号成为首要问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种雨声信号降噪处理方法和系统，采用独立成分分析算法(ICA)中的固定点算法(FastICA)算法，创建雨声分离子系统，优化分离矩阵参数，将降雨时的实时声音信号导入雨声分离子系统，剔除环境音信号，导出较为纯净的雨声信号，再根据导出的雨声信号频谱判断雨量等级。

为达成上述目的，结合图1，本发明提出一种雨声信号降噪处理方法，所述方法包括：

采集降雨时的实时声音信号，实时声音信号中至少包括实时雨声信号；

基于从混合声音信号中剔除实时第一环境音信号、实时第二环境音信号的雨声分离子系统，从实时声音信号中分离出不含环境音信号的雨声信号；所述环境音信号包括第一环境音信号和第二环境音信号；

其中，采用固定点算法以构建雨声分离子系统，构建方法包括以下步骤：

S1：采集若干个雨声信号、第一环境音信号、第二环境音信号；

S2：结合若干个雨声信号、第一环境音信号、第二环境音信号和随机矩阵A_j，计算以得到若干组观测信号，每组观测信号包括三个混合信号，每个混合信号均包含有不同分量的雨声信号、第一环境音信号、第二环境音信号；

S3：将一部分观测信号和对应的原始信号作为训练样本，其他观测信号和对应的原始信号作为测试样本；