CN106448703A - 一种激光反射声源定位方法 - Google Patents

一种激光反射声源定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种激光反射声源定位方法。所述语音监听方法包括获取参考光和测量光在光电传感器上的干涉混频信号；对所述干涉混频信号进行处理得到包括正比于总光强的直流分量和正弦型分量的中间信号，所述正弦型信号的振幅正比于参考光和测量光的强度，相位中包含多普勒相位；将所述中间信号与参考信号相减后，还原成声音信号。本发明通过激光反射来无接触检测声源引起不同位置的振动情况，从而确定声源的位置及声源播放内容。

Description

一种激光反射声源定位方法
本专利申请为分案申请，原申请的申请日为：2014年3月5日，申请号为：201410078849.0，发明创造名称：一种语音监听方法和设备，以及激光反射声源定位方法。
技术领域
本发明涉及激光通信技术领域，尤其涉及的是一种激光多普勒频移干涉型语音监听方法和设备，以及音频声源定位方法。
背景技术
激光音频解析技术经过多年的发展，随着激光技术的发展，其原理在实验研究上已日趋成熟，渐渐转入了实际应用，市面上也开始出现相应的产品。在20世纪时，国外就应经对该技术进行了研究。在海湾战争中，美国就曾使用该技术监听到汽车座上伊拉克将领对话的内容。
目前，国内在这项技术的研究方法主要集中在光杠杆法(反射式光斑移动法)和半导体激光自混频干涉法进行音频解析。采用光杠杆法(反射式光斑移动法)对于外界环境的干扰要求相对比较小，探测距离远，但是采用该方法探测的精度低。基于半导体激光自混频干涉的方法具有装置结构简单,调整方便,体积小等优点，但是由于自混频过程存在干涉对比度低、信号稳定性相对较低、探测距离太近等缺点。。
发明内容
鉴于现有技术的上述缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种激光多普勒频移干涉型的语音监听方法和装置，以及一种激光反射声源定位方法，其有别于现有的光杠杆(反射式光斑移动)和半导体激光自混频干涉装置，通过激光反射来无接触检测监听声源，提高信噪比，从而到达更高的探测精度。
为此，本发明采用的技术方案如下：
一种语音监听方法，包括：
获取参考光和测量光在光电传感器上的干涉混频信号；
对所述干涉混频信号进行处理得到包括正比于总光强的直流分量和正弦型分量的中间信号，所述正弦型信号的振幅正比于参考光和测量光的强度，相位中包含多普勒相位；
将所述中间信号与参考信号相减后，还原成声音信号。
优选的，将所述中间信号与参考信号相减后，还包括通过带低通滤波增益可调放大电路和差分电路对信号进行放大滤波的步骤。
优选的，所述还原声音信号的步骤包括对相减后的信号依次进行归一化处理、反余弦函数变换和抽样处理。
一种语音监听设备，包括探测器和与所述探测器连接的控制器，所述探测器包括激光器和传递所述激光器发射的激光的光路，激光在所述光路中依次经过第一反射镜、第二反射镜和分光片，所述分光片将激光分成反射光和透射光，所述反射光经分光镜返回，经所述分光片进入光电传感器；所述透射光经透镜组聚焦在目标上，所述目标具有能够反射光的功能。
优选的，所述透镜组为焦距可调的透镜组，其依次包括光轴相互重合的第一平凸镜、第二平凸镜和双凸镜，所述第一平凸镜和第二平凸镜相向设置，所述第二平凸镜与所述双凸镜之间的距离为15～17cm。
进一步，所述分光镜的反射率和透射率的比例为1:9，所述分光片的反射率和透射率的比例为1:1。
一种激光反射声源定位方法，包括：
同时获取第一激光反射信号和第二激光反射信号；
对所述第一激光反射信号进行最大值检测，根据检测到的最大值产生阈值；
根据所述阈值，对该路激光反射信号进行过阈值峰检测得到第一中间信号；
根据所述第一中间信号和第二激光信号进行区间划分，生成若干个数据段；
对所述数据段进行中心值加权平均平滑后进行广义互相关，由相关峰的坐标值得到时延；
对所述数据段产生的时延进行加权平均得到偏离值；
根据所述偏离值的正负得到声源的偏离方向，以及根据所述偏离值的数值大小计算声源的位置偏移量。
进一步，所述对所述数据段进行中心值加权平均平滑后进行广义互相关，由相关峰的坐标值得到时延的步骤包括使用倒谱分析的广义互相关时延估计算法，通过求两路信号倒功率谱之间的互相关，并在一定的频域给予一定加权，突出相关的信号部分而抑制噪音干扰部分，再反变换到时域得到互相关函数，计算出信号之间的时延。
本发明通过激光反射来无接触检测声源引起不同位置的振动情况，运用多种手段实现信号采集和处理，解调出声源振动信号，从而确定声源的位置及声源播放内容。相较于现有的技术，所述的激光多普勒语音监听方法和装置使用削弱参考光匹配信号光的光强；提高两束光干涉的对比度，在探测光路增加焦距可调节的透镜组解决激光远距离传输因发散角导致光斑变大，实现探测臂长为数十米甚至几百米；电路消噪上使用光电传感器探测激光光功率抖动，通过差分电路降低激光噪声，提高信噪比，从而到达更高的探测精度。
另外，本发明还具有以下有益效果：
1.参考光使用1：9(反射：透射)的分光镜作为反射镜，达到平衡参考光和探测光光强的目的，大大提高干涉条纹的对比度，提高信噪比，提高系统的测量精度；
2.采用光阑在频谱面低通滤波，减少激光光噪声干扰，同时防止其他光的干扰，提高系统信噪比；
3.采用带增益可调放大电路的差分电路降低激光噪声对系统的干扰，进一步提高系统信噪比；
4.运用虚拟仪器概念和技术，综合高速专用数据采集卡、Labview软件编程、Matlab专用工具箱的运用，实现高精度A/D转换、利用多软件混合编程技术实现强大、灵活的信号处理功能，符合仪器发展潮流和趋势。
5.采用透镜组聚焦和光路可逆原来解决激光发散角导致光斑变大的问题，并利用透镜组焦距和透镜距离之间的关系实现焦距调节，实现不同探测距离聚焦调节。
附图说明
图1是本发明所述的激光多普勒频移干涉型语音监听设备结构示意图；
图2是本发明所述的激光多普勒频移干涉型语音监听设备一实施例中的光路结构示意图；
图3是图2中透镜组的结构示意图。
图4是采集信号的差分放大电路，电路主要由带低通滤波的增益可调放大电路和差分电路两部分组成；
图5是光电传感器采集到的信号示意图；
图6是经过差分放大电路处理后的信号图，与图5进行对比可以知道，光电传感器探测到的信号经过差分电路处理过之后，波形中大量的激光噪声引起的毛刺被消除，得到一个非常平滑的波形。
图7是labview程序滤波前后的信号波形对比图；
图8是声音还原成声音信号的示意图图；
图9是还原成声音信号的WAV文件的波形图；
图10是本发明所述激光反射声源定位方法的示意图；
图11是声源定位方法的示意图；
图12是声源定位程序的互相关运算示意图，其中图(a)两路采集的声音信号，图(b)互相关后的波形表；
图13是Labview程序设计框图，经过差分电路处理的信号，采用数据采集卡进行采集，通过Labview程序的NI-DAQ模块调用2个探测器共计2个通道的信号，生成离散的信号，再使用Labview软件里面的控件结合Matlab言语进行滤波、声音识别和声源定位。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步说明：
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提下进行实施，给出详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当属于本发明的保护范围。
实施例1
本发明实施例提供一种激光多普勒干涉型语音监听方法，以实现运用激光拍频的方法探测由于声音传播引起的玻璃窗轻微振动，从探测的信号中提取玻璃窗振动引起的激光多普勒拍频变化，对信号进行解调和滤波处理，最后还原出语音信息。该方法包括：
步骤S101：获取参考光和测量光在光电传感器上的干涉混频信号；
步骤S102：对所述干涉混频信号进行处理得到包括正比于总光强的直流分量和正弦型分量的中间信号，所述正弦型信号的振幅正比于参考光和测量光的强度，相位中包含多普勒相位；
步骤S103：将所述中间信号与参考信号相减后，还原成声音信号。
其中，将所述中间信号与参考信号相减后，还包括通过带低通滤波增益可调放大电路差分电路对信号进行过滤的步骤。所述还原声音信号的步骤包括对相减后的信号依次进行归一化处理、反余弦函数变换和抽样处理。
此外，本发明实施方式还提供了一种语音监听设备，包括探测器和与所述探测器连接的控制器，所述探测器包括激光器和传递所述激光器发射的激光的光路，激光在所述光路中依次经过第一反射镜、第二反射镜和分光镜，所述分光片将激光分成反射光和透射光，所述反射光经分光镜返回，经所述分光片进入光电传感器；所述透射光经透镜组聚焦在目标上。
所述透镜组为焦距可调的透镜组，其依次包括光轴相互重合的第一平凸镜、第二平凸镜和双凸镜，所述第一平凸镜和第二平凸镜相向设置，所述第二平凸镜与所述双凸镜之间的距离为15～17cm。所述分光镜的反射率和透射率的比例为1:9，所述分光片的反射率和透射率的比例为1:1。
下面结合监听方法和设备通过一实施方式详细论述本发明的精神和实质。
如图2和图8所示，图2中以迈克尔逊干涉仪结构为基本框架，测量光轴与振动方向平行。激光束通过1:1分光片M4后经分光镜反射和折射后一分为二；①反射光(参考光)经过1:9(R：T)分光镜M3反射削弱90％后沿原光路返回，透过1:1分光片M4达到OPT101光电传感器2的光敏面，②透射光(测量光)经组合透镜聚焦在玻璃窗面，玻璃窗反射光携带声音信息沿原光路返回，经1:1分光镜反射后到达OPT101光电传感器的光敏面。这样，参考光和测量光在OPT101光电传感器2的光敏面上实现干涉混频。
激光监听方法的流程如下：
第一步：给玻璃窗一个微小的振动信号，玻璃窗面振动位移x(t)与多普勒相位的关系为
第二步：参考光和探测光同时照射在OPT101传感器上，因为该传感器的电压输出与入射光的强度成正比，即与光学的电场的平方成正比，这里，设t时刻的参考光和探测光的光学电场为
其中是f激光频率，和是初相位，玻璃窗面振动引起的相位变化。
检测器的输出总是正比于总电场的平方
第三步：对上式作三角变换，因为光学频率远大于光学拍信号，在检测器输出中不能清楚的观察到此频率因此可以略去，整理后得：
第四步：OPT101探测器将同时检测到两个量：一个正比于总光强的直流分量，另外一个是振幅正比于E1E2或(I1和I2是两束光的强度)、相位中包含多普勒相位的正弦型信号，其中多普勒相位由玻璃窗面振动位移x(t)决定。
第五步：由图2可知，OPT101传感器1将检测到激光的直流光强和光噪声，OPT101传感器2则检测到直流光强、多普勒相位余弦调制的光信号和光噪声。
OPT101光电传感器1输出的光电信号U1为
U1(t)＝a+bN(t)
OPT101光电传感器2输出的光电信号U2为
式中a，c是由传感器及前置放大电路引起的直流分量；b，d为电压增益；为振动引起的多普勒相位；为光程差导致的相位差，N(t)为激光光噪声。
当调节电压增益倍数b＝d时，上述的两式相减，得
达到抑制激光光噪声影响，提高采集信号信噪比和系统灵敏度的目的。
所设计的电路主要由带低通滤波的增益可调放大电路和差分电路两部分组成原理图如图4所示。
电路主要采用LM348四运放芯片，可以改变可变电阻的阻值实现增益调节，其放大电路前采用了一级RC低通滤波，其截止频率为
这个截止频率既保留了振动信号中人耳敏感频率又可以防止放大电路中因为增益不一致而产生自激振荡从而导致的相位不同。实验结果表明，如果出现相位不同的现象，其弊端在于使得两个OPT101光电传感器输出的电信号的差分不能有效抑制光噪声。这里通过在放大电路前采用一级RC低通滤波很好地消除了因自激振荡导致的相位不同的现象，从而真正达到用差分电路抑制光噪声影响的目的，效果如图5、图6所示。
第六步：在声音还原程序上，Labview声音还原程序中对滤波后的信号进行归一化处理，将中的直流分量剔除，然后对电压增压系数进行归一后得到：
对上式进行反余弦函数变换后，结合式并进行抽样后得到：
由此可得到数字信号I(i)，该信号与振动信号成线性关系，可以直接保存为wav格式文件，存储探测到得声音信号。
图8是还原声音WAV文件的波形图，从图中的波形图可以看出，系统探测到字符声音时就会产生一个明显的信号波包；通过对比有声音和安静时的振动波形，发现系统的声音还原信噪比很高。
本发明的激光多普勒干涉型语音监听装置对于振动源的振动强度要求很低，只要大于0.1um的振幅振动都能检测出来；另外，探测器的最远探测距离最多可以达到20m。表1是该发明的主要技术指标参数。
实施例2
本发明实施例提供一种激光反射声源定位装置，以实现通过激光光程差对声源进行定位，其定位原理模型图如图10所示，采用两个探测对两个不同的玻璃窗进行探测，根据声音传播到两个玻璃窗的光程差建立声源定位的模型。
本发明实施例提供的一种激光反射声源定位方法，包括：
步骤S201：同时获取第一激光反射信号和第二激光反射信号；
步骤S202：对所述第一激光反射信号进行最大值检测，根据检测到的最大值产生阈值；
步骤S203：根据所述阈值，对该路激光反射信号进行过阈值峰检测得到第一中间信号；
步骤S204：根据所述第一中间信号和第二激光信号进行区间划分，生成若干个数据段；
步骤S205：对所述数据段进行中心值加权平均平滑后进行广义互相关，由相关峰的坐标值得到时延；
步骤S206：对所述数据段产生的时延进行加权平均得到偏离值；
步骤S207：根据所述偏离值的正负得到声源的偏离方向，以及根据所述偏离值的数值大小计算声源的位置偏移量。
其中，所述对所述数据段进行中心值加权平均平滑后进行广义互相关，由相关峰的坐标值得到时延的步骤包括使用倒谱分析的广义互相关时延估计算法，通过求两路信号倒功率谱之间的互相关，并在一定的频域给予一定加权，突出相关的信号部分而抑制噪音干扰部分，再反变换到时域得到互相关函数，计算出信号之间的时延
下面结合一具体实施方式对本发明的精神和实质进行详细说明。
设声音的传播速度为VS，声音传到玻璃窗的时间差为τ，偏离量为A(以向上偏为正)，可以得到关系式为：
由这个三个式子求解得到偏离量A为：
声源定位程序如图11所示，其中先对采集到的数据的其中一路进行最大值检测，根据最大值产生一个阈值，并对该路信号进行过阈值峰检测，两组信号就以得到的峰值的坐标为中心左右按一定的区间进行划分，生成几个数据段。生成的每个数据段采用中心值加权平均平滑后进行广义互相关，由相关峰的坐标计算出时延τ。把所有片段得到的时延进行加权平均，由其正负得到声源的偏离方向，根据其数值大小计算位置偏移量。
声源定位程序应考虑声音在房间中存在混响的情况，故采用带倒谱分析的广义互相关时延估计算法，通过求两路信号倒功率谱之间的互相关，并在一定的频域给予一定加权，突出相关的信号部分而抑制噪音干扰部分，再反变换到时域得到互相关函数，计算出信号之间的时延，互相关结果图如图12所示。
从图12是在无风安静环境进行的定位实验，从图12(b)可知声源定位的互相关运算后的峰值非常尖陡，受干扰较少，效果很显著。
图13是Labview程序设计框图，经过差分电路处理的信号，采用数据采集卡进行采集，通过Labview程序的NI-DAQ模块调用2个探测器共计2个通道的信号，生成离散的信号，再使用Labview软件里面的控件结合Matlab言语进行滤波、声音识别和声源定位。
应该理解，本发明并不局限于上述实施方式，凡是对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意味着包含这些改动和变型。

Claims (2)

1.一种激光反射声源定位方法，其特征在于，包括：
同时获取第一激光反射信号和第二激光反射信号；
对所述第一激光反射信号进行最大值检测，根据检测到的最大值产生阈值；
根据所述阈值，对该路激光反射信号进行过阈值峰检测得到第一中间信号；
根据所述第一中间信号和第二激光信号进行区间划分，生成若干个数据段；
对所述数据段进行中心值加权平均平滑后进行广义互相关，由相关峰的坐标值得到时延；
对所述数据段产生的时延进行加权平均得到偏离值；
根据所述偏离值的正负得到声源的偏离方向，以及根据所述偏离值的数值大小计算声源的位置偏移量。
2.如权利要求1所述的激光反射声源定位方法，其特征在于，所述对所述数据段进行中心值加权平均平滑后进行广义互相关，由相关峰的坐标值得到时延的步骤包括使用倒谱分析的广义互相关时延估计算法，通过求两路信号倒功率谱之间的互相关，并在一定的频域给予一定加权，突出相关的信号部分而抑制噪音干扰部分，再反变换到时域得到互相关函数，计算出信号之间的时延。
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