CN105092013B - 声音识别系统及声音识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种声音识别系统，包括：一激光模组，用于连续的输出激光；其中，进一步包括：一分光镜，设置于从所述激光模组输出激光的光路上，且所述分光镜与所述激光模组间隔设置，将激光器输出的激光分为反射光及透射光，所述透射光用于对待测物体发出的声音信号进行探测；一光学耦合模组，所述光学耦合模组设置于从分光镜输出的激光的光路上，以对输出激光进行准直；一光电探测模组，设置于所述反射光的光路上，并将反射光转换为电信号；一声音还原模组，与所述光电探测模组电连接，以将光电探测模组输出的电信号还原为声音信号。本发明进一步提供一种声音识别方法。

Description

声音识别系统及声音识别方法

技术领域

本发明涉及声音识别技术领域，尤其涉及一种基于激光回馈的声音识别系统及声音识别方法。

背景技术

声音识别是一种行为识别技术，声音识别设备不断地测量、纪录被识别物体发出声音的波形和变化，将现场采集到的声音同登记过的声音模板进行精确的匹配，从而确定物体发出的声音。

现有技术中，传统的声音识别技术一般是基于激光多普勒效应和干涉效应。然而，在识别远距离目标的声波信号时，返回声音信号非常微弱，探测极其困难，从而造成识别精度不高，灵敏度低。

发明内容

综上所述，确有必要提供一种识别精度高、结构简单的声音识别系统。

一种声音识别系统，包括：一激光模组，用于连续的输出激光；其中，进一步包括：一分光镜，设置于从所述激光模组输出激光的光路上，且所述分光镜与所述激光模组间隔设置，将激光器输出的激光分为反射光及透射光，所述透射光用于对待测物体发出的声音信号进行探测；一光学耦合模组，所述光学耦合模组设置于从分光镜出射的透射光的光路上，以对透射光进行准直；一光电探测模组，设置于所述反射光的光路上，并将反射光转换为电信号；一声音还原模组，与所述光电探测模组电连接，以将光电探测模组输出的电信号还原为声音信号。

一种利用如上所述的声音识别系统识别声音的方法，包括：激光模组连续输出激光，模式为单纵模、基横模、线偏振光；提供一待测物体，所述待测物体一表面因振动而发出声音；提供一待测物体，所述待测物体一表面因振动而发出声音；调整分光镜与待测物体之间的位置关系，使从分光镜出射的透射光经过光学耦合模组汇聚后入射到所述待测物体表面，并且经过待测物体反射后沿原光路返回激光模组，形成回馈光；利用光电探测模组对分光镜出射的反射光进行探测，并转换为电信号；驱动声音还原模组，将光电探测模组输出的电信号还原为声音信号。

一种声音识别系统，包括：一激光模组，用于连续的输出激光；其中，一分光镜，设置于从所述激光模组输出激光的光路上，且所述分光镜与所述激光模组间隔设置，将激光器输出的激光分为反射光及透射光，所述透射光用于对待测物体发出的声音信号进行探测；一声光调制模组，设置于从分光镜出射的透射光的光路上，以对透射光的频率进行调制；一光学耦合模组，所述光学耦合模组设置于从声光调制模组出射的激光的光路上，以对输出的激光进行准直；一光电探测模组，设置于所述反射光的光路上，并将反射光转换为电信号；一声音还原模组，与所述光电探测模组电连接，以将光电探测模组输出的电信号还原为声音信号。

一种声音识别系统，包括：一激光模组，用于连续的输出激光；其中，进一步包括：一分光镜，设置于从所述激光模组输出激光的光路上，且所述分光镜与所述激光模组间隔设置，将激光器输出的激光分为反射光及透射光，所述透射光用于对待测物体发出的声音信号进行探测；一光电探测模组，设置于所述反射光的光路上，并将反射光转换为电信号；一电光调制模组，设置于从分光镜出射的透射光的光路上，以对透射光的相位进行调制；一光学耦合模组，所述光学耦合模组设置于从电光调制模组输出的激光的光路上，以对输出激光进行准直；一声音还原模组，与所述光电探测模组电连接，以将光电探测模组输出的电信号还原为声音信号。

一种声音识别系统，包括：一激光模组，用于连续的输出激光；其中，进一步包括：一分光镜，设置于从所述激光模组输出激光的光路上，且所述分光镜与所述激光模组间隔设置，将激光器输出的激光分为反射光及透射光，所述透射光用于对待测物体发出的声音信号进行探测；一光电探测模组，设置于所述反射光的光路上，并将反射光转换为电信号；一超声波发生器，设置于从分光镜出射的透射光的光路上，以对透射光的频率进行移频；一光学耦合模组，所述光学耦合模组设置于从超声波发生器输出的激光的光路上，以对输出激光进行准直；一声音还原模组，与所述光电探测模组电连接，以将光电探测模组输出的电信号还原为声音信号。

与现有技术相比较，本发明所提供的声音识别系统及声音识别方法，基于激光回馈原理，利用激光器出射的光束经过光学耦合模组，直接照射被测目标表面，后沿原路返回激光器谐振腔内部形成激光回馈进行测量，从激光器的输出功率信号中，提取反映被测物体在声波作用下的运动信息，从中可还原声波信号，所述声音识别系统结构简单，自准直，灵敏度高。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的声音识别系统示意图。

图2为本发明第二实施例提供的声音识别系统示意图。

图3为本发明第三实施例提供的声音识别系统示意图。

图4为本发明第四实施例提供的声音识别系统示意图。

主要元件符号说明

声音识别系统	100，200，300，400
		激光模组	1
光学耦合模组	2
		分光镜	3
光电探测模组	4
		声音还原模组	5
待测物体	6
		激光调制器	7
声音信号处理单元	51
		声音信号还原单元	52

如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明提供的光学材料折射率的测量系统及测量方法。

请参阅图1，本发明第一实施例提供的声音识别系统100，包括一激光模组1，一光学耦合模组2，一分光镜3，一光电探测模组4及一声音还原模组5。

所述激光模组1用于输出激光。激光模组1可为全内腔、半外腔或全外腔，可采用固体激光器或半导体激光器或光纤激光器，并且可连续的输出激光。优选的，所述激光模组1的工作模式为单纵模、基横模。本实施例中，所述激光模组1采用固体Nd:YAG激光器，从而能够有效的避免正交偏振，减小频谱噪声。所述激光模组1输出单纵模、基横模、线偏振的激光，即所述激光模组1的工作模式为单纵模、基横模，激光为线偏振光。

所述分光镜3与激光模组1间隔设置，且设置于从所述激光模组1输出激光的光路上。所述分光镜3将激光模组1输出的激光分为反射光及透射光两束，所述反射光用于光强探测，所述透射光用于对待测物体发出的声音信号进行探测，形成回馈光路。本实施例中，所述分光镜3的透光率为96%，反射率为4%。

所述光电探测模组4设置于从所述分光镜3输出的反射光的光路上，用于探测反射光的光强并将光强信号转换为电信号。本实施例中，所述光电探测模组4采用PIN探测器。

所述声音还原模组5与所述光电探测模组4电连接，用于对光电探测模组4输出的电信号进行处理，并还原为声音。所述声音还原模组5可包括一声音信号处理单元51及一声音信号还原单元52。所述声音信号处理单元51用于对光电探测模组4输出的包含待测物体运动信息的电信号进行提取解调，获得反映待测物体在声波作用下的运动信息，并将其传输给声音信号还原单元52。所述声音信号还原单元52读取声音信号处理单元51的输出信号，计算出待测物体的位移信息，对此信息做再处理，还原得到待测物体原始的声音信号。

本发明第一实施例提供的声音识别系统100用于探测声音时，将待测物体6设置于从分光镜3输出的透射光的光路上，并且经过待测物体6的反射后，反射回激光模组1中，形成测量光路。激光模组1发出的激光束从激光模组1出发，经过光学耦合模组2，分光镜3，照射待测物体6，被待测物体6反、散射，又反馈回激光器内部，该激光束经过的空间光程即为回馈外腔。当待测物体6因振动而发出声音时，激光模组1出射的光束经过光学耦合模组，直接照射待测物体6表面，经过待测物体6反射后的光沿原路返回激光模组1谐振腔内部，在谐振腔内被极大地放大，并调制激光器的输出功率。从激光模组1的输出功率信号中，提取反映待测物体在声波作用下的运动信息，从中可还原声波信号。本实施中，所述待测物体6采用一扬声器，所述扬声器的振膜在声音信号输入时产生振动而发出声音。所述声音识别系统100具有结构简单，自准直，灵敏度高等优点。

所述激光模组1在光回馈情况下，其输出功率为：

（1）

式中，I_f为激光模组1在回馈条件下的输出功率；I₀为无回馈条件下激光模组1的输出功率；(为激光回馈增益因子，取决于激光器类型一般在10³~10⁶不等；(f为调制器频率（当激光回馈外腔没有调制器件时，该项为零）；(为激光波长；为激光回馈外腔长；(为固定相因子。

从公式（1）代表的激光输出功率信号中解调出激光回馈外腔长l的变化规律，就能准确地反映待测物体在声波作用下的运动信息，根据此信息可以还原声波信号，从而实现对声音的识别。

进一步，所述声音识别系统100包括一光学耦合模组2，所述光学耦合模组2与所述分光镜3间隔设置，且设置于从所述分光镜3透射出的激光的光路上，所述光学耦合模组2用于对激光进行准直。具体的，所述光学耦合模组2用于对输出激光的发散角进行压缩，提高准直性。本实施例中，所述光学耦合模组2为一自聚焦透镜，设置于所述分光镜3与待测物体6之间。

请一并参阅图2，本发明第二实施例提供的声音识别系统200，包括一激光模组1，一光学耦合模组2，一分光镜3，一光电探测模组4，一激光调制器7，及一声音还原模组5。

本发明第二实施例提供的声音识别系统200与第一实施例声音识别系统100基本相同，其不同在于，进一步包括一激光调制器7，用于对激光模组1输出的激光进行调制，以提高测量精度。

具体的，所述激光调制器7设置于从分光镜3出射的透射光的光路上，从激光模组1出射的部分激光依次经过分光镜3、激光调制器7及光学耦合模组2后，入射到所述待测物体6的表面，并且经过反射后，返回激光模组1，形成激光回馈。进一步，所述激光调制器7可设置于所述分光镜3与激光汇聚模组之间。本实施例中，所述激光调制器7为一声光调制模组。

所述声光调制模组设置于从所述分光镜3透射的透射光的光路上，用于对透射光进行移频。所述声光调制模组可包括至少一声光移频器，以实现移频。

进一步，所述声光调制模组可包括一第一声光移频器及第二声光移频器沿透射光的传播方向间隔设置，用于对从分光镜3出射的透射光进行移频。所述声光调制模组的调制器频率（即移频量）为Δf，其中Δf=Δf₂-Δf₁，Δf₁是第一声光移频器的驱动信号频率，Δf₂为第二声光移频器的驱动信号频率，且Δf₂≠Δf₁。

本发明第二实施例提供的声音识别系统200用于识别声音时，从激光模组1输出的激光经过待测物体6反射后，返回激光模组1的谐振腔中，所述返回的激光引起激光模组1的输出光产生调制功率为2Δf的正弦信号：

(2)

式中，为激光模组1的功率调制信号，为激光模组1的稳态输出功率，为外腔回馈系数，G()是增益项，为第一声光移频器与第二声光移频器驱动电源的频率之差，为信号固定的附加相位，与外腔的腔长有关，其变化量反映了待测物体的相对运动位移。

从第一声光移频器与第二声光移频器的驱动电源中可以获得标准的正弦电信号：

(3)

比较光信号和电信号，经过外差测相即可解调出相位的变化量。因此待测物体的运动位移Δl（即激光回馈外腔长的变化量）可以表示为：

(4)

式中，为真空中Nd:YAG激光器输出光的波长值，为空气折射率。通过实时动态的检测待测物体的运动位移，就可解调出待测物体所发出的声音信号。

请一并参阅图3，本发明第三实施例提供的声音识别系统300，包括一激光模组1，一光学耦合模组2，一分光镜3，一光电探测模组4，一激光调制器7，及一声音还原模组5。本发明第三实施例提供的声音识别系统300与第二实施例提供的声音识别系统200结构基本相同，其不同在于，所述激光调制器7包括一电光调制模组，用以对从分光镜3出射的透射光进行相位调制，以提高灵敏度。

请一并参阅图4，本发明第四实施例提供的声音识别系统400，包括一激光模组1，一光学耦合模组2，一分光镜3，一光电探测模组4，一激光调制器7，及一声音还原模组5。本发明第四实施例提供的声音识别系统400与第二实施例提供的声音识别系统200结构基本相同，其不同在于，所述激光调制器7包括一超声波发生器，用以对从分光镜3出射的透射光进行移频，以提高灵敏度。

本发明提供的声音识别系统，利用激光器回馈的原理来识别声音，激光器本身既是光源又是传感器。激光器出射的光束经过光学耦合模组，直接照射被测目标表面，反射的光沿原路返回激光器谐振腔内部，在谐振腔内被极大地放大，并调制激光器的输出功率。从激光器的输出功率信号中，提取反映被测物体在声波作用下的运动信息，从中可还原声波信号。该发明具有结构简单，自准直，灵敏度高等优点。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (9)

1.一种声音识别系统，包括：

一激光模组，用于连续地输出激光；

其特征在于，进一步包括：

一分光镜，设置于从所述激光模组输出激光的光路上，且所述分光镜与所述激光模组间隔设置，将激光模组输出的激光分为反射光及透射光，所述透射光用于对待测物体发出的声音信号进行探测；

一光学耦合模组，所述光学耦合模组设置于从分光镜出射的透射光的光路上，以对透射光进行准直；

一光电探测模组，设置于所述反射光的光路上，用于探测所述激光模组输出的反射光，并将反射光转换为电信号；

一声音还原模组，与所述光电探测模组电连接，以将光电探测模组输出的电信号还原为声音信号；

其中，所述激光模组发出的激光从激光模组出发，经过分光镜，光学耦合模组，照射待测物体，经过被待测物体反射和散射之后，又反馈回激光模组的谐振腔内部，在谐振腔内被极大地放大，并调制激光模组的输出功率，从激光模组的输出功率信号中，提取反映待测物体在声波作用下的运动信息，从中还原声波信号。

2.如权利要求1所述的声音识别系统，其特征在于，所述声音还原模组包括一声音信号处理单元及一声音信号还原单元。

3.如权利要求2所述的声音识别系统，其特征在于，所述声音信号处理单元与所述光电探测模组输出的电信号进行解调，获得反应待测物体在声波作用下的运动信息，并将其传输给声音信号还原单元，所述声音信号还原单元读取声音信号处理单元的输出信号，并还原得到待测物体的声音信号。

4.如权利要求1所述的声音识别系统，其特征在于，所述激光模组的工作模式为单纵模、基横模、线偏振光。

5.如权利要求1所述的声音识别系统，其特征在于，所述激光模组在回馈条件下的输出功率为：

式中，I_f为激光模组在回馈条件下的输出功率；I₀为无回馈条件下激光模组的输出功率；χ为激光回馈增益因子；Δf为激光调制器频率；λ为激光波长；l为激光回馈外腔长；φ为固定相因子。

6.一种应用权利要求1所述的声音识别系统识别声音的方法，包括：

激光模组连续输出激光，模式为单纵模、基横模、线偏振光；

提供一待测物体，所述待测物体一表面因振动而发出声音；

调整分光镜与待测物体之间的位置关系，使从分光镜出射的透射光经过光学耦合模组汇聚后入射到所述待测物体表面，并且经过待测物体反射后沿原光路返回激光模组，形成回馈光；

利用光电探测模组对分光镜出射的反射光进行探测，并转换为电信号；

驱动声音还原模组，将光电探测模组输出的电信号还原为声音信号。

7.一种声音识别系统，包括：

一激光模组，用于连续地输出激光；

其特征在于，进一步包括：

一分光镜，设置于从所述激光模组输出激光的光路上，且所述分光镜与所述激光模组间隔设置，将激光模组输出的激光分为反射光及透射光，所述透射光用于对待测物体发出的声音信号进行探测；

一激光调制器，所述激光调制器包括一声光调制模组，设置于从分光镜出射的透射光的光路上，以对透射光的频率进行调制；

一光学耦合模组，所述光学耦合模组设置于从声光调制模组出射的激光的光路上，以对输出的激光进行准直；

一光电探测模组，设置于所述反射光的光路上，用于探测所述激光模组输出的反射光，并将反射光转换为电信号；

一声音还原模组，与所述光电探测模组电连接，以将光电探测模组输出的电信号还原为声音信号；

其中，所述激光模组发出的激光从激光模组出发，经过分光镜，光学耦合模组，照射待测物体，经过被待测物体反射和散射之后，又反馈回激光模组的谐振腔内部，在谐振腔内被放大，并调制激光模组的输出功率，从激光模组的输出功率信号中，提取反映待测物体在声波作用下的运动信息，从中还原声波信号。

8.一种声音识别系统，包括：

一激光模组，用于连续地输出激光；

其特征在于，进一步包括：

一分光镜，设置于从所述激光模组输出激光的光路上，且所述分光镜与所述激光模组间隔设置，将激光模组输出的激光分为反射光及透射光，所述透射光用于对待测物体发出的声音信号进行探测；

一光电探测模组，设置于所述反射光的光路上，用于探测所述激光模组输出的反射光，并将反射光转换为电信号；

一电光调制模组，设置于从分光镜出射的透射光的光路上，以对透射光的相位进行调制；

一光学耦合模组，所述光学耦合模组设置于从电光调制模组输出的激光的光路上，以对输出激光进行准直；

一声音还原模组，与所述光电探测模组电连接，以将光电探测模组输出的电信号还原为声音信号；

其中，所述激光模组发出的激光从激光模组出发，经过分光镜，光学耦合模组，照射待测物体，经过被待测物体反射和散射之后，又反馈回激光模组的谐振腔内部，在谐振腔内被放大，并调制激光模组的输出功率，从激光模组的输出功率信号中，提取反映待测物体在声波作用下的运动信息，从中还原声波信号。

9.一种声音识别系统，包括：

一激光模组，用于连续地输出激光；

其特征在于，进一步包括：

一分光镜，设置于从所述激光模组输出激光的光路上，且所述分光镜与所述激光模组间隔设置，将激光模组输出的激光分为反射光及透射光，所述透射光用于对待测物体发出的声音信号进行探测；

一光电探测模组，设置于所述反射光的光路上，用于探测所述激光模组输出的反射光，并将反射光转换为电信号；

一超声波发生器，设置于从分光镜出射的透射光的光路上，以对透射光的频率进行移频；

一光学耦合模组，所述光学耦合模组设置于从超声波发生器输出的激光的光路上，以对输出激光进行准直；

一声音还原模组，与所述光电探测模组电连接，以将光电探测模组输出的电信号还原为声音信号；

其中，所述激光模组发出的激光从激光模组出发，经过分光镜，光学耦合模组，照射待测物体，经过被待测物体反射和散射之后，又反馈回激光模组的谐振腔内部，在谐振腔内被放大，并调制激光模组的输出功率，从激光模组的输出功率信号中，提取反映待测物体在声波作用下的运动信息，从中还原声波信号。