CN110161458A - 一种基于光纤迈克尔逊干涉仪的声源定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤传感及信号处理技术领域，具体为一种基于光纤迈克尔逊干涉仪的声源定位系统。是由N个光纤迈克尔逊干涉仪构成的阵列系统，包括分布式反馈激光器、1×N分束器、N个3×3光纤耦合器、2N个光纤线圈、2N个法拉第旋转镜、2N个PIN光电探测器、数据采集设备和装有声源定位软件的计算机。激光器发出的光经1×N分束器被均分成N束，分别进入N个不同的光纤迈克尔逊干涉仪进行干涉，每个光纤迈克尔逊干涉仪到达声源的位置不同，到达光纤迈克尔逊干涉仪的信号之间存在时间差。根据时间差并通过建立几何模型可以计算得到声源的位置。本发明能够有效确定声源位置，具有较高的灵敏度和精度，在声测定位领域有着巨大的应用价值。

Description

一种基于光纤迈克尔逊干涉仪的声源定位系统

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，具体涉及基于光纤迈克尔逊干涉仪的声源定位系统。

背景技术

声源定位技术主要基于声阵列对接收的信号进行处理来获取目标的位置。利用声传感器阵列进行声源定位不受声源方位的限制，组网工作能力强，还可以根据阵列信号进行“电子瞄准”，具有空间选择特性。基于阵列信号的语音处理技术融合了语音信号的空时信息，因此具有灵活的波束控制、较高的空间分辨率、较高的信号增益等特点。与其他声源定位方式相比，利用声传感器阵列进行声源定位还具有其独特的优势：

(1)通视条件好。不受恶劣天气如雾霾、雨雪等环境的影响。声波的波长比光波长，可以衍射绕过一些障碍物，克服其他传感系统不能穿过非透光障碍物和视场有限的不足。

(2)抗干扰能力强。声源定位系统不向外辐射能量，仅依靠接受目标声源所发出的信号，进行被动声源定位。系统不易受到外界的电磁干扰，不产生额外的电磁噪声，稳定可靠。

(3)体积小、成本低。与雷达系统、高清防抖摄像头等设备相比，声源定位系统的结构简单，制作成本低，应用范围广泛，灵活性高。

因其独特的优势，基于声传感器阵列的声源定位技术广泛应用于仿人智能机器人、智能手机降噪、视频会议系统、智能交通、安防监控等各种场景。

对于特殊环境如发电站、水下等，当进行故障排查、噪声源监测时，也有声源定位的需求，这些环境对于声源定位系统具有更高的要求。传统的声传感器主要基于电声技术，在发电站等强电磁干扰环境下易受到影响，甚至其接收的信号无法完成声源定位。基于光声传感技术的光纤声传感器具有灵敏度高、动态范围大的优点，同时由于其抗电磁干扰(EMI)、防水防潮、抗环境干扰等独特的优越性，受到了越来越广泛的关注。另外，光纤不仅是传送信号的介质，同时是敏感元件本身，起到了获取信息和传送信号的双重作用，具有遥感和分布式传感的能力，使用安全、方便。

光纤声传感器可以用于传统电声传感器难以正常工作的高温、高压、强腐蚀、强辐射等环境。对于煤矿、石油化工、油库和管道等不适合使用电气设备的场合，光纤声传感器由于其传感部分均为无源器件，可以安全地使用。对于地下管廊等潮湿的环境，光纤具有防水防潮的特性，耐腐蚀程度比传统的电声传感器高出很多。特别是对于水下环境，光纤声传感器可以做到干湿分离，传感部分完全防水，具备传统的电声传感器无法比拟的性能。而且构成光纤的主要成分为二氧化硅，很难被探测器检测到，在被动声源定位中具有更强的隐蔽性，在军事、安防等领域具有很高的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单有效且精度、灵敏度高的探测声源位置的系统。

本发明提供的探测声源位置的系统，利用光纤干涉技术，是由N个光纤迈克尔逊干涉仪构成的阵列系统，其结构示意图如图1所示，具体包括：分布式反馈激光器，1×N分束器，N个3×3光纤耦合器，N个参考臂光纤线圈，N个传感臂光纤线圈：S₁，S₂,…,S_N，2N个法拉第旋转镜，2N个PIN型光电探测器：PINA_i和PINB_i，i＝1，2，…,N，数据采集设备和装有声源定位软件的计算机；PINA_i和PINB_i为第i个传感器对应的两路输出信号的光电探测器；其中，计算机与数据采集设备之间，数据采集设备分别与PINA_i和PINB_i之间，由电缆连接；分布式反馈激光器与1×N分束器之间，1×N分束器与N个3×3光纤耦合器之间，N个3×3光纤耦合器与N个参考臂光纤线圈之间，N个3×3光纤耦合器与N个传感臂光纤线圈：S₁，S₂,…,S_N之间，N个参考臂光纤线圈和N个传感臂光纤线圈：S₁，S₂,…,S_N分别与2N个法拉第旋转镜之间，由单模光纤依次对应连接。

工作时，光源发出的光经1×N分束器被均分成N束，分别进入N个不同的迈克尔逊干涉仪进行干涉，每个光纤迈克尔逊干涉仪均可以看作一个阵列单元，由于每个阵列单元到达声源的位置不同，因此到达阵列单元的信号之间存在到达时间差(TDOA)。根据TDOA并通过建立几何模型便可以计算得到声源的位置。其中，干涉信号通过PIN光探测器进行采集，并输入到计算机，通过声源定位软件实现声源定位计算。

系统进行声源定位软件包含如下算法：

由于光弹效应，光纤中传输的光的相位与外界扰动成正比，当有一个频率为ω的外界扰动施加到该系统时，在光纤中会产生一个相位变化：

为初始相位，具有相位差的光在耦合器中汇合时会发生干涉，得到干涉光如下：

这里，A_i、B_i为与输入光功率大小有关的常量，通过对PIN光探测器采集到的干涉信号进行解调，可以得到相位信号，从而进一步分析得到外部声压信号。

线性阵列的配置和各光纤迈克逊干涉仪传感器接收到的信号的波形图如图2所示。图2中，0、1、2、3...M-1表示阵列中各迈克尔逊干涉仪的光纤传感线圈，S表示声源。x₀(t)x₁(t)x₂(t)x₃(t)...x_M-1(t)表示每个探头接收到的信号。如图2所示，由于到声源的距离不同，到达阵列单元的信号之间存在到达时间差(TDOA)。根据TDOA并通过建立几何模型便可以计算得到声源的位置。

在检测到干扰信号并传输到计算机后，通过解调提取相位信号。当发生大的扰动时,动态范围的会超过2π。因此，式(2)中的I_Ai(t)和I_Bi(t)可以根据三角函数的性质得到它们的最大值和最小值。利用这些最大值和最小值以及反三角函数能够计算出相位信号，而相位信号就代表了传感器接收到的声音信号。

声源和传感器探头之间的距离是不同的。所以声音从声源到每个探头的传播时间是不同的，用t_i表示。如果将声源信号简化为s(t)，则到各探头i的信号可以表示为：

x_i(t)＝α_is(t-t_i)+σ_i(t),i＝0,1,…,M-1 (3)

其中，α_i是声压衰减因子，σ_i(t)是传播过程中的外加噪声。由于实际获取的信号是离散的，计算时需要用n代替t：

x_i(n)＝α_is(n-n_i)+σ_i(n),n＝0,1,…,N-1 (4)

其中，i＝0,1,…,M-1，N代表信号的采样点，信号的互相关函数计算如下：

将式(4)代入(5)，展开如下：

信号与噪声的相关性相对较低，噪声也相对较低。因此，在计算时可以忽略式(6)中最后三个分量。式(6)可简化为：

当m＝n_i+1-n_i时，取最大值。根据互相关函数的峰值得到两路信号的时延。

为了减少互相关函数的计算量，实验中在进行时延估计(time delayestimation,TDE)之前对信号进行拦截。采用端点检测算法获取某一信号段的起始点。本发明截取20毫秒的信号段进行互相关计算。

如果声源坐标为(x,y,z)，传感光纤探针坐标为(xi,yi,zi)，则方程为：

其中，di为声源与传感器探头i之间的距离，如图2所示。v是空气中的声速。将式(8)中探头i和探头i+1的两个方程相减，得到如下矩阵方程：

通过求解矩阵方程，可以得到声源的-坐标位置，实现系统的声源定位功能。

本发明基于光纤迈克逊干涉仪的声源定位系统，利用光纤声学传感器代替传统的麦克风，可在较高精度和灵敏度下(定位精度可达0.01m，)实现对声源的定位，且该系统具有抗电磁干扰、耐腐蚀、结构简单、重量轻、成本低等优点。在声测定位领域有着巨大的应用价值。

附图说明

图1是基于光纤迈克尔逊干涉仪的声源定位系统结构框图。

图2是线性阵列的配置和各传感器接收到的信号的波形图。

图3是阵列接收到的信号，其中：(a)干扰信号，(b)解调信号，(c)定位算法信号段。

具体实施方式

在本实施例中，利用光纤干涉技术探测声源位置的系统基本结构如图1所示，具体包括分布式反馈激光器、1×N分束器、N个3×3光纤耦合器、2N个光纤线圈、2N个法拉第旋转镜、2N个PIN光探测器、数据采集设备和装有声源定位软件的计算机。激光光源为上海瀚宇金星系列半导体激光器，其工作中心波长为1550nm，光谱线宽为3MHz，该光源有很高的稳定性。系统中所有的光纤线圈均采用1550nm的单模光纤(SMF)缠绕。每个光纤迈克尔逊干涉仪的传感光纤长度为30m，对应的参考光纤长度大致相同，误差为0.02m。光纤迈克尔逊干涉仪的两个臂之间的长度差在光源的相干长度内。每个光纤迈克尔逊干涉仪中都有一个3dB的SMF耦合器，每个光纤迈克尔逊干涉仪的耦合器和参考臂放置在一个隔音模块中，以减少噪声的影响。根传感光纤探针均匀分布在一条线上，间距为0.17m。干扰信号由PIN光电探测器检测，采集到的信号由美国国家仪器公司的DAQ卡NI 9234采集。最后，将采集信号输入到计算机通过编程实现声源定位算法。

当接收到字母A的语音信号时，系统检测到的信号如图3所示。图3(a)中的波形为干扰信号，图3(b)为解调后的相位信号，图3(c)为定位算法截取的信号段。图3(a)中整体波动幅度较大的原因是环境噪声引起的工作点漂移。它可以通过使用50hz高通滤波器去除。通过播放图3(b)中的信号，我们可以听到清晰的声音。在图3(c)中，信号之间存在明显的时间差。这些TDOAs可以用来确定声源的位置。

然后对字母A的语音信号在5个不同的位置进行10次测试，定位结果如表1所示。表中的位置值是x坐标，作为一维位置。计算均方根误差(RMS)，得到位置结果与实际位置的偏差。5个均方根的均值为0.01m，可以表示阵列系统的定位误差。实验结果表明，采用阵列系统定位声源是可行的，且定位结果的精度很高。

表1

Claims (2)

1. 一种基于光纤迈克尔逊干涉仪的声源定位系统，其特征在于，由N个光纤迈克尔逊干涉仪构成的阵列系统，具体包括：分布式反馈激光器，1×N分束器，N个3×3光纤耦合器，N个参考臂光纤线圈，N个传感臂光纤线圈：S₁，S₂,… ,S_N，2N个法拉第旋转镜，2N个PIN型光电探测器：PINA_i和PINB_i，i=1，2，… ,N，数据采集设备DAQ和装有声源定位软件的计算机；PINA_i和PINB_i为第i个传感器对应的两路输出信号的光电探测器；

其中，计算机与数据采集设备之间，数据采集设备分别与PINA_i和PINB_i之间，由电缆连接；分布式反馈激光器与1×N分束器之间，1×N分束器与N个3×3光纤耦合器之间，N个3×3光纤耦合器与N个参考臂光纤线圈之间，N个3×3光纤耦合器与N个传感臂光纤线圈：S₁，S₂,… ,S_N之间，N个参考臂光纤线圈和N个传感臂光纤线圈：S₁，S₂,… ,S_N分别与2N个法拉第旋转镜之间，由单模光纤依次对应连接；

工作时，光源发出的光经1×N分束器被均分成N束，分别进入N个不同的迈克尔逊干涉仪进行干涉，每个光纤迈克尔逊干涉仪均看作一个阵列单元，由于每个阵列单元到达声源的位置不同，到达阵列单元的信号之间存在到达时间差TDOA；根据TDOA并通过建立几何模型便计算得到声源的位置；其中，干涉信号通过PIN光电探测器进行采集，并输入到计算机，通过有声源定位软件实现声源定位计算。

2.根据权利要求1所述的基于光纤迈克尔逊干涉仪的声源定位系统，其特征在于，所述声源定位软件包含如下算法：

设有一个频率为ω的外界扰动施加到系统时，在光纤中产生一个相位变化：

（1）

为初始相位，具有相位差的光在耦合器中汇合时发生干涉，得到干涉光如下：

（2）

A_i、B_i为与输入光功率大小有关的常量，通过对PIN光探测器采集到的干涉信号进行解调，得到相位信号，从而进一步分析得到外部声压信号；

设x₀(t) x₂(t) x₃(t)...x_M-1(t)表示各迈克尔逊干涉仪探头接收到的信号，由于到声源的距离不同，到达阵列单元的信号之间存在到达时间差TDOA；根据TDOA并通过建立几何模型计算得到声源的位置：

在检测到干扰信号并传输到计算机后，通过解调提取相位信号；当发生大的扰动时,动态范围的会超过2π，此时，式(2)中的I_Ai(t)和I_Bi(t)根据三角函数的性质得到它们的最大值和最小值；利用这些最大值和最小值以及反三角函数能够计算出相位信号，而相位信号就代表了传感器接收到的声音信号；

声源和传感器探头之间的距离是不同的，所以声音从声源到每个探头的传播时间是不同的，用t_i表示；将声源信号简化为s(t)，则到各探头i的信号表示为：

（3）

其中，是声压衰减因子，是传播过程中的外加噪声；由于实际获取的信号是离散的，计算时用n代替t：

（4）

其中，i=0, 1, …, M-1，N代表信号的采样点，信号的互相关函数计算如下：

（5）

将式(4)代入(5)，展开如下：

（6）

在计算时可以忽略式(6)中最后三个分量；式(6)简化为：

（7）

当时，取最大值；因此，根据互相关函数的峰值得到两路信号的时延；

为了减少互相关函数的计算量，在进行时延估计之前对信号进行拦截，采用端点检测算法获取某一信号段的起始点；截取20毫秒的信号段进行互相关计算；

设声源坐标为(x, y, z)，传感光纤线圈坐标为(xi, yi, zi)，则方程为：

（8）

其中，di为声源与传感器探头i之间的距离，v是空气中的声速；将式(8)中探头i和探头i +1的两个方程相减，得到如下矩阵方程：

（9）

求解该矩阵方程，得到声源的-坐标位置，实现系统的声源定位功能。