CN102543064A

CN102543064A - 基于激光多普勒干涉的语音检测系统

Info

Publication number: CN102543064A
Application number: CN2011104582582A
Authority: CN
Inventors: 曾华林; 周燕; 何军; 李丽艳; 张勤
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2011-12-31
Filing date: 2011-12-31
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明公开了一种语音检测系统。本发明通过在迈克尔逊干涉仪的参考臂上加入压电陶瓷(PZT)进行光学调制，周期性地改变参考光和信号光的光程差，从而实现相位调制。光电探测器将干涉信号转化为电信号并送入数据采集卡，采样数据通过数字PGC(相位生成载波)算法进行解调并输出。本发明保留迈克尔逊干涉仪结构简单紧凑优点的基础上，以较低的代价获得了良好的抗干扰性能，能够在常规工作条件下获得较好的语音信噪比和分辨率。

Description

基于激光多普勒干涉的语音检测系统

技术领域

本发明涉及光学行业音频检测技术领域，尤其涉及一种基于激光多普勒干涉的语音检测系统。

背景技术

激光多普勒语音检测技术源于传统的激光多普勒测振技术，可分为零差干涉测量和外差干涉测量两种方法。零差干涉法采用迈克尔逊干涉仪结构，光路结构简单，但极易受环境扰动影响，不适用于实际工作场合。在由语音引起的振动信号来还原语音的过程中，其振动信号甚至远远低于环境扰动信号，大大增加了语音还原的难度。

外差干涉法一般采用马赫-曾德尔(M-Z)干涉仪结构或双频激光器结构，该方法可以有效地避免环境扰动带来的影响，提高系统的抗干扰能力。

对应外差干涉法的外差解调技术分为频率调制解调技术、相位调制解调技术和锁相解调技术。锁相解调技术普遍用于已加载调制信号的发射信号，因其可以极大的提高系统信噪比而得到广泛应用。现有技术的锁相解调器中有除法器，如果除数为零，则该方法不可能在继续运行。

在实际应用场景中，由于语音引起的振动信号很低，甚至远远低于环境扰动信号，采用频率解调技术和相位解调技术对其进行解调后的语音信号信噪比很低，而现有的锁相解调技术并不能够应用于语音检测当中。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种基于激光多普勒干涉的语音检测系统，以提高其抗干扰性能。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种语音检测系统。该语音检测系统包括：激光器；迈克尔逊干涉模块，包括分光单元、信号光光路和参考光光路，其中：分光单元，位于激光器的光路后端，用于将激光器输出的激光分为相互垂直的信号光和参考光；并将从反射镜反射回的参考光与从待测目标反射回的信号光混合并干涉，产生干涉光信号；信号光光路，用于将信号光引导至待测物表面，由待测物表面的振动对信号光进行调制并将其反射回分光模块；以及参考光光路，用于利用由调制驱动信号驱动的声光介质周期性形变引起的反射镜振动对参考光进行调制并将其反射回分光模块；接收模块，用于将干涉光信号转换为相应的光电信号，并将该光电信号进行放大和模数转换；以及解调模块，用于利用调制驱动信号对模数转换后的光电数字信号进行正交锁相解调，还原出语音。

(三)有益效果

本发明基于激光多普勒干涉的语音检测系统，在保留迈克尔逊干涉仪结构简单紧凑优点的基础上，以较低的代价获得了良好的抗干扰性能，能够在常规工作条件下获得较好的语音信噪比和分辨率。

附图说明

图1为本发明实施例语音检测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例语音检测系统中解调模块的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于所述值。

本发明基于激光多普勒干涉的语音检测系统通过在迈克尔逊干涉仪的参考臂上加入压电陶瓷(PZT)进行光学调制，周期性地改变参考光和信号光的光程差，从而实现相位调制。光电探测器将干涉信号转化为电信号并送入数据采集卡，采样数据通过数字PGC(相位生成载波)算法进行解调并输出。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种基于激光多普勒干涉的语音检测系统。图1为本发明实施例基于激光多普勒干涉的语音检测系统的结构示意图。如图1所示，本实施例语音检测系统包括：激光器、分光棱镜、信号发生器、压电陶瓷(PZT)及其驱动电路、参考镜、光电探测器和信号处理单元和调制模块。

以下首先从光路构造方面对实施例的工作原理进行说明。

如图1所示，由激光器发出的激光束经过分光棱镜(BS)之后分为两路，分别作为信号光和参考光。参考光到达参考镜后被反射，由于参考镜受压电陶瓷驱动进行光学调制，因此返回分光棱镜的参考光也受到固定频率的光学调制；信号光到达待测反射镜之后也被反射并发生多普勒频移，多普勒频移信号携带了待测目标振动的速度、位移等信息。根据光的干涉理论，可以得到光电探测器接收到的干涉信号表达式：

式中：A为干涉场背景光强度；B为干涉光强，它与信号光及参考光的强度有关；Ccosω_ct为干涉仪中PZT调制载波引起的相位差；Dcosω_st为声音引起待测物的振动量；

为环境扰动引起的振动量；

为待测量与扰动量的合成信号。经过调制之后，振动目标的信息附加在载波及其谐波分量上，从而在频谱上与低频环境扰动相隔离，有利于准确恢复振动信息，进而还原出语音信号。

以下继续从系统组成方面对实施例中各个部件分别进行描述。

本发明中，激光器为He-Ne激光器，工作波长为632.8nm，频率稳定度为10^-7，功率稳定度为1％。分光棱镜(BS)用于将激光器输出分为信号光和参考光，并将反射回的信号光与参考光混合并干涉。参考镜用于将参考光反射回分光棱镜，采用前镀膜的平面反射镜，反射率大于99％。信号发生器产生预定频率的调制驱动信号，压电陶瓷驱动电路在调制驱动信号的作用下，为压电陶瓷本体提供预设频率的驱动电压。压电陶瓷(PZT)本体驱动反射镜以特定频率周期性振动，以实现对参考光的光程调制。其中压电陶瓷(PZT)为堆叠型压电陶瓷块，电容量为130nF，应变量为40nm/V，压电陶瓷与反射镜采用硬胶粘连，确保系统具有较高的响应频率。信号发生器采用MAX038作为振荡源，通过自动增益控制电路(AGC)实现稳定幅值输出，为压电陶瓷(PZT)提供频率为6KHz、幅值大约为4Vp-p(峰峰值)的驱动信号。光电探测器用于将干涉光转化为电信号并送入信号处理电路，采用内置前级放大的PIN型探测器，响应频率大于14KHz。信号处理单元包括两级放大电路、带通滤波电路以及后级输出电路、模数转换电路，其放大倍数为50倍，3dB通带范围为1KHz-18KHz。经过处理后的干涉光信号与PZT驱动电路输出的载波信号一起经过数据采集卡进行模数转换，数字化的干涉信号通过USB接口送入PC机进行软件解调。

图1中，扬声器用于模拟实际场景中的语音，其通过声场的作用去激励待测目标产生微小位移，从而使得反射回的信号光带有语音振动信息。待测物可以为玻璃、铝板等具有高反射率的介质。

由上述说明可知，光电探测器的光电信号需要经过一系列的信号处理过程才能最终还原出语音信号。图2为本发明实施例基于激光多普勒干涉的语音检测系统中解调模块的结构示意图。如图2所示，解调模块包括：

第一乘法器，其两输入端分别与信号处理单元和信号发生器相连接，用于将信号处理单元输出的数字化的光电信号

与信号发生器的调制驱动信号(Ccosω_ct)相乘，以实现一次谐波下变频；

第一低频滤波器，其输入端与所述第一乘法器的输出端相连接，其通带范围为3KHz～5KHz，用于去除信号中的高频成分；其输出为：

-BGJ₁(C)sinθ(t)(2)

其中，G为一倍频载波的幅值，J₁(C)为C的一阶贝塞尔函数；

第一微分器，其输入端与第一低频滤波器的输出端相连接，用于对第一低频滤波器输出的信号进行微分；

倍频器，其输入端与信号发生器相连接，用于将调制驱动信号倍频，生成Ccos(2ω_ct)信号；

第二乘法器，其两输入端分别与信号处理单元和倍频器相连接，用于将光电探测器输出的干涉信号

与调制载波的二倍频信号(Ccos(2ω_ct))相乘，以实现二次谐波下变频；

第二低频滤波器，其输入端与所述第二乘法器的输出端相连接，其通带范围为3KHz～5KHz，用于去除信号中的高频成分，其输出为：

-BHJ₂(C)cosθ(t)(3)

其中，H为二倍频载波的幅值，J₂(C)分别为C的二阶贝塞尔函数。

第二微分器，其输入端与所述第二低频滤波器的输出端相连接，用于对第二低频滤波器输出的信号进行微分；

第三乘法器，其两输入端分别与所述第一微分器和第二低频滤波器的输出端相连接；

第四乘法器，其两输入端分别与所述第二微分器和第一低频滤波器的输出端相连接；

减法器，其两输入端分别与所述第三乘法器和第四乘法器的输出端相连接，其输出信号：

B²GHJ₁(C)J₂(C)θ′(t)(4)；

积分器，其输入端与所述减法器的输出端相连接，其输出信号：

B²GHJ₁(C)J₂(C)θ(t)(5)，

由式5可见，解调输出θ(t)包含语音振动Dcosω_st及扰动量

带通滤波器，其输入端与所述积分器的输出端相连接，用于将其输出的信号进行高频滤波；由于音频振动信号(300Hz-3KHz)在频谱上与扰动信号(小于200Hz)相隔离，所以经过高通滤波器之后的输出信号即为待测语音信号，至此，解调过程结束；

D/A转换器，其输入端与所述带通滤波器的输出端相连接；

扬声器，其输入端与所述数模转换单元的输出端相连接，用于将所述模拟信号还原语音。

简单来讲，数模转换单元和扬声器单元的功能是将软件解调输出的数字语音信号送入PC机声卡进行数模转换，通过PC机音频输出接口接通音响即可得到检测的语音信号。

至此，本发明基于激光多普勒干涉的语音检测系统中的信号处理模块介绍完毕。

综上所述，本发明基于激光多普勒干涉的语音检测系统在保留迈克尔逊干涉仪结构简单紧凑优点的基础上，以较低的代价获得了良好的抗干扰性能，能够在常规工作条件下获得较好的语音信噪比和分辨率。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种语音检测系统，其特征在于，包括：

激光器；

迈克尔逊干涉模块，包括分光单元、信号光光路和参考光光路，其中：

所述分光单元，位于所述激光器的光路后端，用于将所述激光器输出的激光分为相互垂直的信号光和参考光；并将从反射镜反射回的参考光与从待测目标反射回的信号光混合并干涉，产生干涉光信号；

所述信号光光路，用于将所述信号光引导至待测物表面，由待测物表面的振动对信号光进行调制并将其反射回所述分光模块；以及

所述参考光光路，用于利用由调制驱动信号驱动的声光介质周期性形变引起的反射镜振动对所述参考光进行调制并将其反射回所述分光模块；

接收模块，用于将所述干涉光信号转换为相应的光电信号，并将该光电信号进行放大和模数转换；以及

解调模块，用于利用所述调制驱动信号对所述模数转换后的光电数字信号进行正交锁相解调，还原出所述语音。

2.根据权利要求1所述的语音检测系统，其特征在于，所述解调模块包括：

依次连接的第一乘法器、第一低频滤波器和第一微分器，其中，所述第一乘法器，其两输入端分别输入所述模数转换后的光电信号和调制驱动信号的余弦信号；

依次连接的倍频器、第二乘法器、第二滤波器和第二微分器，其中，所述倍频器，与所述接收模块相连，其输入端输入模数转换后的调制驱动信号；所述第二乘法器，其两输入端分别输入模数转换后的光电信号和倍频后的调制驱动信号；

依次连接的减法器、积分器、带通滤波器、数模转换器和扬声器，其中，所述减法器，其两输入端分别与所述第三乘法器和第四乘法器的输出端相连接。

3.根据权利要求2所述的语音检测系统，其特征在于：

所述第一低频滤波器和第二低频滤波器的通带范围为：起始频率为3KHz，截止频率为5KHz；

所述带通滤波器的通带范围为：低频截止频率为200Hz，高频截止频率为3KHz。

4.根据权利要求1所述的语音检测系统，其特征在于，所述参考光光路包括：

信号发生器，用于产生预设频率的调制驱动信号，其与解调模块相连接；

压电陶瓷驱动电路，与所述信号发生器相连接，用于在所述调制驱动信号的作用下，产生相应频率的驱动电压；

压电陶瓷本体，与所述压电陶瓷驱动电路相连接，用于在所述驱动电压的驱动下产生周期性振动；

参考镜，其背面固定于所述压电陶瓷本体上，用于反射所述信号光。

5.根据权利要求4所述的语音检测系统，其特征在于，所述信号发生器产生的调制驱动信号的频率为6KHz。

6.根据权利要求4所述的语音检测系统，其特征在于，所述反光镜的背面通过硬胶粘结至所述压电陶瓷本体。

7.根据权利要求4所述的语音检测系统，其特征在于，所述压电陶瓷本体为堆叠型压电陶瓷块，其电容量为130nF，应变量为40nm/V。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的语音检测系统，其特征在于，所述激光器为He-Ne激光器，其工作波长为632.8nm，频率稳定度为10^-7，功率稳定度为1％。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的语音检测系统，其特征在于：所述接收模块包括：

光电探测器，位于所述干涉光路的光路后端，用于将所述干涉光信号转化为相应的光电信号；

信号处理单元，与所述光电探测器相连接，用于将所述光电信号进行放大，并将放大后的光电信号进行模数转换，获得数字化的光电信号；

10.根据权利要求1至7中任一项所述的语音检测系统，其特征在于，所述待测目标为玻璃或铝板。