一种航空供氧面罩通讯检测方法与流程

本发明涉及航空面罩检测，尤其涉及一种航空供氧面罩通讯检测方法。

背景技术：

1、航空供氧面罩通讯系统是保障飞行员与地面指挥中心进行高效信息交互的核心枢纽，其通讯质量的可靠性直接关系到飞行任务的绝对安全。现有的通讯检测手段多侧重于对硬件组件进行独立的声音频响测试，这种方式割裂了受话器与麦克风在狭小空间内的相互影响，忽略了面罩佩戴后形成的独特声腔环境对声音传播路径的改变。

2、在面罩佩戴后的密闭腔体内，受话器发出的声音极易在面罩内壁发生强烈反射，这种反射信号会被麦克风直接拾取，形成严重的声学耦合现象。这种高强度的声学耦合直接破坏了通讯系统的收发隔离度，使得麦克风无法准确区分飞行员的真实语音和受话器传来的干扰音。收发隔离度的恶化进一步导致系统内置的回声消除滤波器在工作时失去准确的参考基准，无法有效区分和抵消回声信号。例如在飞行员保持静音准备接收地面指令时，受话器播放的指令声音在面罩内回荡并被麦克风重新录入，系统误以为这是飞行员的讲话而进行处理，导致地面人员听到严重的延迟回声，严重干扰了正常的语音交互过程。

3、如何准确获取面罩内的声学反射情况并以此为依据动态平衡受话器与麦克风的工作状态，进而修正回声消除系统的偏差，成为突破航空供氧面罩通讯检测瓶颈的关键问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种航空供氧面罩通讯检测方法，能够解决密闭腔体内声学耦合导致的音频干扰问题。

2、为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种航空供氧面罩通讯检测方法，其创新点在于：具体检测方法如下：

3、s101：通过麦克风获取面罩密闭腔体内的初始音频信号，采用快速傅里叶变换算法对初始音频信号进行时频域转换处理，得到初始频域信号，基于初始频域信号提取频谱特征参数，通过分析频谱特征参数判断面罩的密闭状态；

4、s102：根据初始频域信号，分离初始频域信号中的直达声分量与声音反射分量，提取声音反射分量的幅度特征与相位特征，获得目标反射特征；

5、s103：若目标反射特征的幅值大于预先建立的幅值阈值，则判定密闭腔体内发生声学耦合，确定初始音频信号中包含干扰信号；

6、s104：针对包含干扰信号的初始音频信号，计算受话器播放信号与麦克风拾取信号之间的互相关序列，根据互相关序列计算受话器与麦克风之间的隔离程度，得到目标隔离数值；

7、s105：若目标隔离数值小于预设的隔离阈值，则根据目标隔离数值生成动态平衡指令，通过动态平衡指令调整受话器的输出增益与麦克风的拾音灵敏度，获得更新后的收发状态；

8、s106：在更新后的收发状态下，控制受话器单独播放预设测试音频信号，此时麦克风处于非拾取状态，获取受话器播放的测试音频信号作为纯净基准音频信号；提取基准音频信号的声学包络特征，包括幅度包络曲线和频谱分布特征，将该声学包络特征存储为回声消除算法的参考基准模板；该参考基准模板用于后续实时通话过程中，与麦克风拾取信号进行对比匹配，识别其中的回声成分并进行针对性消除，其中声学包络特征的提取采用希尔伯特变换获得瞬时幅度a和瞬时相位θ，参考基准模板的有效期为当前通话会话周期；

9、s107：获取参考基准，参考基准为通过麦克风阵列中的参考麦克风采集的纯干扰信号，参考麦克风与主麦克风距离音频源的距离不同，使得参考麦克风主要接收环境噪声和反馈干扰；根据参考基准，采用自适应滤波算法对包含干扰信号的初始音频信号进行滤波处理，其中自适应滤波算法基于最小均方误差准则动态调整滤波器系数，使得滤波器输出逼近参考基准中的干扰成分，从而抵消初始音频信号中的干扰信号，获得偏差修正后的目标音频信号。

10、本发明的优点在于：

11、1）本发明公开了一种航空供氧面罩通讯检测方法，主要解决密闭腔体内声学耦合导致的音频干扰问题。在面罩密闭环境中，受话器播放声音会通过腔体反射被麦克风重复拾取，形成声学耦合干扰，严重影响通讯质量。本发明通过快速傅里叶变换将音频信号转换到频域，分离直达声与反射声分量，提取反射分量的幅度和相位特征来判断是否发生声学耦合。当检测到耦合干扰后，计算受话器与麦克风信号的互相关序列以评估隔离程度，若隔离不足则动态调整受话器输出增益和麦克风灵敏度，实现收发状态的动态平衡。在优化状态下提取受话器基准音频的声学包络特征作为回声消除参考，运用自适应滤波算法精确抵消干扰信号。该方法有效解决了密闭腔体通讯中的声学耦合问题，显著提升了航空面罩通讯的清晰度和可靠性。

1.一种航空供氧面罩通讯检测方法，其特征在于：具体检测方法如下：

2.根据权利要求1的一种航空供氧面罩通讯检测方法，其特征在于：s101中频谱特征参数包括主频分量、谐波分布和频带能量比，其中主频分量反映呼吸气流的基本频率特征，谐波分布体现气流通过面罩缝隙时产生的非线性振动特性，频带能量比表征不同频段的能量分布情况；s101具体为：获取面罩密闭腔体内的初始音频信号，采用快速傅里叶变换算法对初始音频信号执行时频域转换，获得包含幅值谱和相位谱的初始频域信号；对初始频域信号的幅值谱采用带通滤波器执行滤波处理，滤波频段设定为100hz至2000hz，得到目标频谱幅值；通过对目标频谱幅值进行包络线提取，获得频谱包络曲线，将峰值大于0.15作为预设峰值阈值，该阈值通过静息状态下100组样本的95百分位值确定，若频谱包络曲线的峰值大于该阈值，则确定频谱包络曲线对应的目标呼吸音片段；针对目标呼吸音片段提取梅尔频率倒谱系数，获得初始声学特征向量，采用主成分分析算法对初始声学特征向量进行降维处理，保留累计方差贡献率达到95%的前k个主成分，得到目标声学特征向量；根据目标声学特征向量计算相邻时间窗口的欧氏距离d=√σ(xi-yi)²，其中xi和yi分别为相邻窗口的特征分量，若欧氏距离小于0.08的预设距离阈值，该阈值通过平稳呼吸状态样本的距离均值加1倍标准差确定，则判定目标声学特征向量属于平稳呼吸状态，获得平稳呼吸特征集；通过对平稳呼吸特征集进行均值计算，得到基准呼吸特征均值μ0，根据基准呼吸特征均值与实时采集的待测呼吸特征μt计算偏差率r=(μt-μ0)/μ0,当偏差率r小于10%时判定密闭状态良好，当偏差率r大于等于10%且小于25%时判定密闭状态一般，当偏差率r大于等于25%时判定密闭状态不良。

3.根据权利要求1的一种航空供氧面罩通讯检测方法，其特征在于：s102具体为：获取初始频域信号，通过逆傅里叶变换将其转换为时域信号，采用独立成分分析算法对时域信号进行盲源分离处理，得到直达声分量与声音反射分量；将声音反射分量重新转换至频域，提取各频率节点的幅度值与相位角，按列拼接构建目标反射特征矩阵，其中每列对应一个频率节点，第1行为幅度值、第2行为相位角；针对目标反射特征矩阵计算相邻频率节点的能量衰减率，计算方式为，其中表示第i个频率节点的能量、通过幅度值平方获得，若小于-3分贝，则确定该频段为异常共振频段；获取异常共振频段内的峰值频率，以为中心频率、上下各扩展50赫兹作为阻带范围，采用4阶巴特沃斯带阻滤波器对声音反射分量执行滤波处理，得到平滑反射信号；通过对平滑反射信号进行短时能量计算，采用25毫秒长度的汉明窗、50%重叠率进行分帧处理，获得反射能量序列，若反射能量序列的方差小于0.15，则判定平滑反射信号属于稳定反射状态，提取包含频谱质心、过零率、梅尔频率倒谱系数等共128维的稳定反射特征向量；采用径向基核函数的支持向量机算法对稳定反射特征向量进行分类处理，输出硅胶、聚氨酯、橡胶、塑料、复合材料5类材质标签，提取对应材质的反射衰减系数作为目标反射特征，用于后续的面罩密闭状态检测。

4.根据权利要求1的一种航空供氧面罩通讯检测方法，其特征在于：s103具体为：获取初始音频信号，提取初始音频信号的目标反射特征，目标反射特征包含频域幅值分量；若频域幅值分量的峰值大于60分贝且持续时间超过0.5秒，则判定密闭腔体发生声学耦合；通过带通滤波器分离初始音频信号中频率范围为200赫兹至800赫兹的干扰波分量；针对干扰波分量进行希尔伯特变换处理，获得解析信号，计算解析信号的模值得到干扰包络线，根据干扰包络线提取包络峰值序列；采用孤立森林算法对包络峰值序列进行异常检测处理，设置污染率为0.1,子采样大小为256,树的数量为100,将异常分数大于0.6的峰值点标记为异常耦合序列，其余为正常峰值序列；对异常耦合序列对应的时间段内的干扰波分量执行快速傅里叶变换，统计频谱能量分布，将能量最大值对应的频率作为中心频率fc；根据中心频率fc构建自适应陷波器，设置陷波带宽为fc的5%，品质因数q值为fc除以带宽，通过自适应陷波器对初始音频信号执行陷波处理，获得纯净音频流；输出声学耦合检测结果，包括干扰波中心频率fc和滤波后的纯净音频流。

5.根据权利要求1的一种航空供氧面罩通讯检测方法，其特征在于：s104具体为：获取包含干扰信号的初始音频信号，针对受话器播放信号与麦克风拾取信号执行互相关运算，获得互相关序列；对互相关序列归一化至-1到+1范围，提取归一化后的最大峰值作为目标隔离数值；若目标隔离数值小于0.3，则判定受话器与麦克风存在声学泄漏；针对互相关序列提取主峰位置对应的样本点索引，将该索引除以音频采样率16000赫兹，得到声学延迟时间；根据声学延迟时间对受话器播放信号进行延迟对齐处理，将播放信号整体后移对应样本数，获得对齐播放信号；针对对齐播放信号与麦克风拾取信号执行相减运算，得到粗消除后的残余回声信号；针对残余回声信号提取13维梅尔频率倒谱系数，采用支持向量机模型对梅尔频率倒谱系数进行分类处理，输出回声类型标签，标签包括线性回声、非线性回声和混合回声三类；根据回声类型标签从预设映射表中匹配对应的频域衰减掩膜，其中线性回声对应的掩膜为低频0.8高频0.9的128点增益数组，非线性回声对应的掩膜为低频0.6高频0.7的128点增益数组，混合回声对应的掩膜为低频0.7高频0.8的128点增益数组；对残余回声信号进行短时傅里叶变换，将频域系数与对应掩膜逐点相乘后逆变换，获得精消除后的纯净语音信号；针对纯净语音信号计算20毫秒窗长的短时能量序列，若短时能量序列大于0.01，则判定纯净语音信号处于激活状态，提取目标语音片段用于后续语音识别处理。

6.根据权利要求1的一种航空供氧面罩通讯检测方法，其特征在于：s105中，预设的隔离阈值设置为15分贝；动态平衡指令的生成规则为：首先计算隔离差值δ，δ=隔离阈值-目标隔离数值；然后根据隔离差值确定调整方向和幅度，当δ大于0时表示隔离不足需要降低回声风险，此时减小受话器输出增益同时降低麦克风拾音灵敏度；受话器增益调整量g=-0.3×δ，单位为分贝，麦克风灵敏度调整量m=-0.2×δ，单位为分贝；调整完成后重新检测收发状态，若隔离数值仍小于阈值则继续迭代调整直至满足要求或达到设备调整极限。

7.根据权利要求1的一种航空供氧面罩通讯检测方法，其特征在于：s107中，获取包含干扰音的初始音频信号、对应的参考信号以及干扰源参考信号；针对初始音频信号提取频带宽，根据频带宽确定lms自适应滤波算法的滤波器阶数n，计算方式为n=2×采样率/频带宽；采用零值初始化自适应滤波器的权重值w；将干扰源参考信号输入自适应滤波器，得到估计干扰信号y；计算初始音频信号s与估计干扰信号y之间的误差信号e，误差信号e=s-y；根据误差信号e采用lms算法更新权重值w，更新公式为w新=w旧+μ×e×x，其中μ为步长因子取值0.01，x为干扰源参考信号向量；重复上述估计和更新步骤直至误差信号e的能量低于预设阈值0.05，获得目标权重值；根据目标权重值对初始音频信号执行滤波处理，输出滤波后的信号；计算滤波后的信号与参考信号之间的幅度偏差量d；根据幅度偏差量d对滤波后的信号执行增益补偿，补偿系数k等于参考信号幅度除以滤波后信号幅度，将滤波后的信号乘以k，获得幅度修正后的目标音频信号。