CN102564563A

CN102564563A - 基于激光多普勒干涉的语音检测系统

Info

Publication number: CN102564563A
Application number: CN2011104593089A
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: 2012-07-11

Abstract

本发明公开了一种语音检测系统。本发明语音检测系统基于多普勒干涉的M_Z干涉仪设计，通过声光调制来实现光学频率调制，从而将待测语音信号与低频环境扰动信号相分离，进而通过正交锁相解调法实现语音信号的解调输出，具有光学结构简单、非线性误差较小的优点。

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。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；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方法如图1所示，其中有除法器，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

为解决上述的技术问题，本发明提供了一种基于激光多普勒干涉的语音检测系统，以提高解调后语音信号的信噪比。

(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，用于产生激光；M_Z干涉模块，包括分光单元、信号光光路、参考光光路和干涉单元，其中：分光单元，用于将激光分为信号光和参考光；信号光光路，位于信号光的光路后端，用于利用由语音引起的待测目标的振动信号调制信号光；参考光光路，位于参考光的光路后端，用于利用由声光调制驱动信号驱动的声光介质周期性形变调制参考光；干涉单元，位于参考光光路和信号光光路共同的光路后端，用于使经过待测目标振动调制的信号光与经过声光介质调制的参考光进行干涉，产生干涉光信号；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；解调模块，用于利用声光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

本发明基于多普勒干涉的语音检测系统通过声光调制来实现光学频率调制，从而将待测语音信号与低频环境扰动信号相分离，进而通过正交锁相解调法实现语音信号的解调输出，具有以下有益效果：

(1)具有光学结构简单、非线性误差较小的优点；

(2)能够以较低的成本改善外差检测法的抗环境扰动性，具有良好的环境适应性，能大幅度提高还原语音的信噪比。

附图说明

图1为现有技术锁相解调方法的示意图；

图2为本发明实施例语音检测系统的示意图；

图3为本发明实施例语音检测系统中声光调制驱动电路的示意图；

图4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。

本发明中，为了减除环境扰动影响，采用M_Z干涉仪结构进行光路设计，利用低频待测信号对高频信号进行调制以实现频谱搬移，从而将待测信号与低频环境扰动(小于200Hz)隔离，并利用可检测低信噪比的正交锁相解调技术对系统信号进行外差解调，可以提高系统信噪比。

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2为本发明实施例语音检测系统的结构示意图。如图2所示，本实施例语音检测系统包括：激光器、分光棱镜1、分光棱镜2、声光调制系统、分光棱镜3、光电探测器、信号处理电路和解调单元。

以下首先从光路构造方面对实施例的工作原理进行整体说明。

如图2所示，激光束经过分光棱镜2后分为相互垂直的两路，分别作为信号光和参考光。参考光经过全反镜进入声光调制介质(AOM)进行移频，信号光通过分光棱镜2照射到待测目标，再返回到分光棱镜2，最后在分光棱镜3处与参考光干涉。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为干涉场直流强度；B为干涉光强度调制值，它与信号光及参考光的强度有关；ω_c为干涉仪中声光调制器调制载波引起的频移；Dcosω_st为声音引起待测目标的振动量；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如图2所示语音检测系统的各个部件分别进行描述。

激光器为窄线宽半导体光纤激光器的工作波长为1550nm，频率稳定度为10^-7，功率稳定度为1％。

分光棱镜1将激光器输出的激光分为相互垂直的信号光和参考光。

分光棱镜2位于信号光光路的后端。信号光通过分光棱镜2后，入射到待测目标上，待测目标由于语音而产生一定频率的振动，从而对入射的信号光产生调制作用，经过调制的信号光又经过分光棱镜2反射后，偏转90度入射分光棱镜3。其中，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。实际应用中的待测目标可以为玻璃、铝板等具有高反射率的介质。

全反镜，位于参考光光路的后端，其将入射的参考光的传播方向偏转90度。

声光调制系统由声光介质和声光驱动电路构成。声光介质在声光调制驱动信号的驱动下，产生周期性的形变，从而对经过其的参考光产生多普勒频移，移频范围为40MHz，从而实现了参考光的频率调制。声光驱动电路，为声光介质提供驱动电压。

一般情况下，声光驱动电路采用射频压控振荡器(VCO)作为振荡源，输出振动驱动信号。图3为本发明实施例语音检测系统中声光调制驱动电路中射频压控振荡器的示意图。该振荡电路由射频信号发生器(POS)和射频信号衰减器(PAS)组成。该图中电阻、电容值及射频信号发生器和射频信号衰减器的型号已经具体标出，该驱动只是在本发明中的一个具体应用，并非用来限制本发明，射频信号发生器和射频信号衰减器具体的管脚设置和连接关系在器件的数据手册中专门介绍。

分光棱镜3，经过待测目标振动调制的信号光与经过声光介质调制的参考光进行干涉，产生干涉光信号。

光电探测器，用于将干涉光转化为光电信号并送入信号处理系统，其采用内置前级放大的PIN型探测器，响应频率大于200MHz。

信号处理电路包括两级放大电路、带通滤波电路、后级输出电路及模数转换电路，放大倍数为100倍，而后经过数据采集卡进行模数转换。

解调模块，用于信号解调，数字化的干涉信号与声光驱动电路的声光调制驱动信号一起进入FPGA解调，将语音信号从调制信号中解调出来。

图4为本发明实施例语音检测系统中解调模块的结构示意图。如图4所示，解调模块包括：

第一乘法器，其两输入端分别输入模数转换后的光电信号和声光调制驱动的余弦信号；

第一低频滤波器，其输入端与第一乘法器的输出端相连接，起始频率为3KHz，截止频率为5KHz，其输出为：

BCsinθ(t)(2)

其中，B和C为干涉光强度调制值和正弦以及余弦系数；

第一微分器，其输入端与第一低频滤波器的输出端相连接；

第二乘法器，与模数转换单元相连，其两输入端分别输入模数转换后的干涉电信号和声光调制驱动的余弦信号；

第二低频滤波器，其输入端与第二乘法器的输出端相连接，起始频率为3KHz，截止频率为5KHz，其输出为：

BCcosθ(t)(3)

第二微分器，其输入端与第二低频滤波器的输出端相连接；

第三乘法器，其两输入端分别与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，其两输入端分别与第三乘法器和第四乘法器的输出端相连接，其输出为：

B²C²θ′(t)(4)；

积分器，其输入端与减法器的输出端相连接，其输出为：

B²C²fθ(t)(5)，

从而解调输出θ(t)包含语音振动Dcosω_st及扰动量

带通滤波器，其输入端与积分器的输出端相连接，其通带范围为：低频截止频率为200Hz，高频截止频率为3KHz，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的数字信号；

D/A转换器，其输入端与带通滤波器的输出端相连接，用于将带通滤波器输出的数字信号转换为模拟信号；具体来讲，将软件解调输出的数字语音信号进行数模转换，通过音频输出接口即可得到检测的语音信号；

扬声器，与D/A转换器相连接，用于将模拟信号还原语音。

综上所述，本发明基于多普勒干涉的语音检测系统通过声光调制来实现光学频率调制，从而将待测语音信号与低频环境扰动信号相分离，进而通过正交锁相解调法实现语音信号的解调输出，具有以下有益效果：

(1)具有光学结构简单、非线性误差较小的优点；

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，用于产生激光；

M_Z干涉模块，包括分光单元、信号光光路、参考光光路和干涉单元，其中：

分光单元，用于将所述激光分为信号光和参考光；

信号光光路，位于所述信号光的光路后端，用于利用由语音引起

的待测目标的振动信号调制所述信号光；

参考光光路，位于所述参考光的光路后端，用于利用由声光调制

驱动信号驱动的声光介质周期性形变调制所述参考光；

干涉单元，位于所述参考光光路和信号光光路共同的光路后端，

用于使经过待测目标振动调制的信号光与经过声光介质调制的参考

光进行干涉，产生干涉光信号；

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；

解调模块，用于利用所述声光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模数转换后的光电信号和声光调制驱动的余弦信号；

依次连接的第二乘法器、第二低频滤波器和第二微分器，其中，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声光调制驱动的正弦信号；

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；

依次连接的减法器、积分器、带通滤波器、D/A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，所述分光单元包括：第一分光棱镜，用于将所述激光分为信号光和参考光。

5.根据权利要求4所述的语音检测系统，其特征在于，所述参考光光路包括：

全反镜，位于所述第一分光棱镜的参考光光路后端，用于将参考光的传播方向偏转90度；

声光驱动电路，用于产生周期性的声光调制驱动信号；

声光介质，位于所述全反镜的参考光光路后端，与所述声光驱动模块相连接，用于在所述声光调制驱动信号的作用下，产生周期性形变，对通过其的参考光进行调制。

6.根据权利要求5所述的语音检测系统，其特征在于，所述信号光光路包括：

第二分光棱镜，位于所述第一分光棱镜的信号光光路后端，用于透射信号光，使其投射至待测目标上，由语音引起的待测目标振动对所述信号光进行调制；并使调制后的信号光偏转90度，从而使其与经过声光介质调制的参考光进行干涉。

7.根据权利要求6所述的语音检测系统，其特征在于，所述干涉单元包括：

第三分光棱镜，位于所述信号光光路和参考光光路共同的光路后端，用于实现经过待测目标振动调制的信号光与经过声光介质调制的参考光进行干涉，产生干涉光信号。

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，所述激光器为窄线宽半导体光纤激光器，其工作波长为1550nm，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，位于所述干涉单元的光路后端，用于将所述干涉光信号转化为相应的光电信号；

信号处理电路，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，获得光电数字信号。

10.根据权利要求9所述的语音检测系统，其特征在于，所述光电探测器为内置前级放大的PIN型探测器，其响应频率大于200MHz。

11.根据权利要求至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。