一种基于听觉小波包的毫米波生物雷达语音增强方法技术

本发明专利技术公开了一种基于听觉小波包的毫米波生物雷达语音增强方法。本发明专利技术是在小波包方法的基础上，为解决雷达语音受噪声干扰的问题，以提高生物雷达语音质量。该方法针对雷达语音噪声分布特点，采用小波包拟和人耳Bark频带划分，利用听觉小波包自适应节点阈值算法对雷达语音进行增强。实例表明该语音增强技术能够在不造成语音失真的前提下，有效的去除雷达语音中的噪声，提高雷达语音质量。本发明专利技术能够为以后利用生物雷达探测人体语音方面提供有效的技术支持。

A method of speech enhancement for millimeter wave biological radar based on auditory wavelet packet

The invention discloses a millimeter wave biological radar speech enhancement method based on an auditory wavelet packet. The invention is based on the wavelet packet method to improve the quality of the biological radar speech in order to solve the problem that the voice of the radar is disturbed by noise. According to the characteristics of radar speech noise distribution, wavelet packet and ear Bark frequency band are used to classify radar speech noise, and the acoustic wavelet packet adaptive node threshold algorithm is adopted to enhance radar speech. The example shows that the speech enhancement technology can effectively eliminate the noise in radar speech and improve the quality of radar speech without causing speech distortion. The invention can provide effective technical support for using the biological radar to detect the human voice in the future.

【技术实现步骤摘要】
一种基于听觉小波包的毫米波生物雷达语音增强方法
本专利技术涉及语音信号获取和语音增强领域，尤其涉及一种基于听觉小波包的毫米波生物雷达语音增强方法。
技术介绍
生物雷达语音探测技术克服了传统麦克风语音探测装置极易受环境声学噪声干扰，喉部送话器、骨传导麦克风需将探测装置与人体皮肤接触、光学语音探测传感器易受温度、气候等环境因素影响等缺点，具有非接触、非侵入、安全、方向性好、灵敏度高、探测距离远、抗干扰能力强等优点。基于生物雷达的非接触语音信号探测技术以电磁波为探测媒介，当电磁波到达人体时，经人体生理活动引起的体表微动调制，引起电磁波相位、频率发声改变，通过对接收的雷达回波信号进行解调，即可获得人体语音信号。该语音探测技术为语音信号的获取提供了一种新途径。虽然生物雷达采集的语音信号质量较传统的语音探测装置有较大的提高，然而，以电磁波为媒介的雷达语音往往叠加有电路噪声、电磁干扰噪声以及谐波噪声。这使得原始雷达语音信号噪声分布特点为：在高频部分，噪声含量较低，在低频部分噪声量较大。这些噪声在很大程度上降低了雷达语音的质量，也阻碍了生物雷达语音探测技术前进的步伐。因此，研究雷达语音增强方法，为该新的语音探测技术的发展具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：提供一种提高生物雷达语音质量的语音增强方法，该方法有针对性的根据雷达语音噪声分布特点，能够有效减少雷达语音中噪声的含量，尤其是低频成分。为生物雷达语音探测技术的发展提供了语音增强方面的技术支持。为有效实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于听觉小波包的毫米波生物雷达语音增强方法，包括以下步骤：1)对生物雷达语音进行采样，得到原始带噪雷达语音信号；2)将采集的原始雷达语音信号根据听觉特性划分为多个频率带；3)根据听觉频率带对原始雷达语音信号进行听觉特性小波包分解；4)对分解后的听觉小波包通过自适应节点阈值和修正的阈值函数去噪；5)将经节点阈值去噪后的听觉小波包进行重构得到增强后的雷达语音。2、根据权利要求1所述的基于听觉小波包的毫米波生物雷达语音增强方法，其特征在于：步骤1)中利用8通道的Powerlab生理记录仪对生物雷达语音进行采样，采样率为10kHz。作为本专利技术的进一步改进，原始雷达语音信号根据人耳听觉特性可以分为五层17个频率带。作为本专利技术的进一步改进，步骤3)生物雷达语音听觉特性小波包分解方法如下：假设生物雷达探测到的带噪雷达语音信号为x(n)，雷达语音信号频率分布范围为0-4000Hz，对该雷达语音信号可由下式分解为多个听觉频率带：z(f)＝13tan-1(7.6×10-4f)+3.5tan-1(1.33×10-4f)2[Bark](I)其中，f是信号频率，单位为Hz。其中心频率可由下式计算：CBW(fc)＝25+75(1+1.4×10-6fc2)0.69[Hz](2)其中fc是雷达语音信号中心频率，单位为Hz。带噪雷达语音信号可用小波包表示为其中，是小波包系数，l是平移参数，j是尺度参数，n是频率参数。那么小波包分解可以由下式表示：其中，是小波包系数，h2l-k和g2l-k分别是低通滤波器和高通滤波器。作为本专利技术的进一步改进，步骤4中：对每个尺度的和进行自适应节点阈值处理，各尺度自适应软阈值由下式表示：其中，Nj第j个尺度信号的长度，σj是各个尺度信号的估计噪声，可用下式计算：σj＝MADj/0.675(6)其中，MADj是尺度j上各小波系数绝对值的中值；修正的阈值函数为：其中，di(n)为式(4)中的小波包系数，Tj为自适应软阈值，T1＝2/3Tj，sign是符号函数γ为常数。作为本专利技术的进一步改进，γ取值为3。作为本专利技术的进一步改进，步骤5)中，将经节点阈值去噪后的听觉小波包进行重构得到增强后的雷达语音，具体重构按下式计算：增强后的雷达语音增强算法可由下式表示：其中，是去噪后的小波包系数，l是平移参数，n是频率参数，j是尺度参数。un是小波包簇函数。本专利技术由于采用上述技术，使之与现有雷达语音增强技术相比具有的积极效果是：该方法针对雷达语音噪声分布特点，采用小波包拟和人耳Bark频带划分，利用听觉小波包自适应节点阈值算法对雷达语音进行增强。采用听觉小波包方法对雷达语音进行分解，听觉小波包分解充分利用频谱成分之间的相关关系，保证了去噪后的雷达语音在频谱上的连续性。在此基础上，根据雷达语音噪声分布的特点，采用自适应节点阈值和修正的阈值函数对雷达语音噪声进行消除，通过采用该方法对雷达语音噪声消除实例表明，雷达语音噪声被有效去除，语音质量得到大大提高。实例表明该语音增强技术能够在不造成语音失真的前提下，有效的去除雷达语音中的噪声，提高雷达语音质量。本专利技术能够为以后利用生物雷达探测人体语音方面提供有效的技术支持。进一步，本专利技术采用的修正的阈值函数是在软硬阈值基础上，根据雷达语音信号噪声分布特点对原始小波阈值函数进行了修正，由于软阈值函数往往会产生较大的偏差，这会导致语音过度损伤，硬阈值函数往往会产生较大的方差，这会导致残留噪声过多。因此，我们对阈值函数进行了修正，这样不仅可以有效避免语音信号的过度损伤，还可以有效抑制噪声雷达语音中的残留噪声。【附图说明】图1为基于听觉小波包毫米波生物雷达语音增强方法流程图；图2根据人耳听觉特性可以分为五层17个频率带；图3(a)原始雷达语音信号；图3(b)是谱减法增强语音后的雷达语音语谱图；图3(c)是本专利技术所述的听觉小波包方法增强后的雷达语音语谱图。【具体实施方式】下面结合附图，对本专利技术的具体实施方式进行详细阐述，但本专利技术不限于该实施例。为了使公众对本专利技术有彻底的了解，在以下本专利技术优选施例中详细说明具体的细节。参见图1，本专利技术基于听觉小波包的毫米波生物雷达语音增强方法的基本原理为：首先将采集的雷达语音信号根据听觉特性划分为17个频率带；根据听觉频率带对雷达语音信号进行小波包分解；对各阶雷达语音信号进行自适应节点阈值和修正的阈值函数处理；对处理后的雷达语音信号进行小波包重构。其具体步骤如下：1)利用8通道的Powerlab生理记录仪对生物雷达语音进行采样，采样率为10kHz；经采样得到原始带噪雷达语音信号；2)原始雷达语音信号噪声分布特点为：频率越低，噪声量越大；3)对上述原始雷达语音信号进行听觉特性小波包分解；4)对分解后的听觉小波包通过自适应节点阈值和修正的阈值函数去噪；5)将去噪后的听觉小波包进行重构得到增强后的雷达语音。整个处理步骤可表述如下：假设生物雷达探测到的带噪雷达语音信号为x(n)，雷达语音信号频率分布范围为0-4000Hz，对该雷达语音信号可由下式分解为17个听觉频率带：z(f)＝13tan-1(7.6×10-4f)+3.5tan-1(1.33×10-4f)2[Bark](I)其中，f是信号频率，单位为Hz。其中心频率可由下式计算：CBW(fc)＝25+75(1+1.4×10-6fc2)0.69[Hz](2)其中fc是雷达语音信号中心频率，单位为Hz。带噪雷达语音信号可用小波包表示为那么小波包分解可以由下式表示：其中，是小波包系数，h2l-k和g2l～k分别是低通滤波器和高通滤波器。生物雷达语音经听觉特性小波包分解后可得，频率群如表1所示。表1根据人耳听觉特性可以分为五层17本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于听觉小波包的毫米波生物雷达语音增强方法，其特征在于，包括以下步骤：1)对生物雷达语音进行采样，得到原始带噪雷达语音信号；2)将采集的原始雷达语音信号根据听觉特性划分为多个频率带；3)根据听觉频率带对原始雷达语音信号进行听觉特性小波包分解；4)对分解后的听觉小波包通过自适应节点阈值和修正的阈值函数去噪；5)将经节点阈值去噪后的听觉小波包进行重构得到增强后的雷达语音。

【技术特征摘要】
1.一种基于听觉小波包的毫米波生物雷达语音增强方法，其特征在于，包括以下步骤：1)对生物雷达语音进行采样，得到原始带噪雷达语音信号；2)将采集的原始雷达语音信号根据听觉特性划分为多个频率带；3)根据听觉频率带对原始雷达语音信号进行听觉特性小波包分解；4)对分解后的听觉小波包通过自适应节点阈值和修正的阈值函数去噪；5)将经节点阈值去噪后的听觉小波包进行重构得到增强后的雷达语音。2.根据权利要求1所述的基于听觉小波包的毫米波生物雷达语音增强方法，其特征在于：步骤1)中利用8通道的Powerlab生理记录仪对生物雷达语音进行采样，采样率为10kHz。3.根据权利要求1所述的基于听觉小波包分解雷达语音信号，其特征在于：原始雷达语音信号根据人耳听觉特性可以分为五层17个频率带。4.根据权利要求1所述的基于听觉小波包的毫米波生物雷达语音增强方法，其特征在于：步骤3)生物雷达语音听觉特性小波包分解方法如下：假设生物雷达探测到的带噪雷达语音信号为x(n)，雷达语音信号频率分布范围为0-4000Hz，对该雷达语音信号可由下式分解为多个听觉频率带：z(f)＝13tan-1(7.6×10-4f)+3.5tan-1(1.33×10-4f)2[Bark](1)其中，f是信号频率，单位为Hz；其中心频率可由下式计算：CBW(fc)＝25+75(1+1.4×10-6fc2)0.69[Hz](2)其中fc是雷达语音信号中心频率，单位为Hz；带噪雷达语音信号可用小波包表示为其中，是小波包系数，l是平移参数，j是尺度参数，n是频率参数；那么小波包分解可以由下式表示：

【专利技术属性】
技术研发人员：陈扶明，王健琪，李盛，吕昊，
申请(专利权)人：中国人民解放军第四军医大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61