CN112763050B - 光纤迈克尔逊语音监听系统及其噪声平稳的声音提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤传感技术领域，具体为一种光纤迈克尔逊语音监听系统及其噪声平稳的声音提取方法。本发明语音监听系统是以现有语音监听系统为基础，加入了光环形器，将3×3光纤耦合器的连接光源的这条臂中的回光引出到光电探测器，实现三路光电探测，并且防止反射回的信号光进入激光器；本发明利用散粒噪声与探测光强之间的比例关系，建立噪声平稳的声音提取方法。本发明方法无需实施干涉仪的工作点控制技术即可保证监听到的声音具有平稳的本底噪声，使该系统具有稳定的语音监听效果，并且保证了光纤语音传感器的抗电磁干扰能力及系统的简便性。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及基于迈克尔逊干涉仪的语音监听系统及其噪声平稳的声音提取方法。
背景技术
光纤传感具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、结构简单和耗电少等优点，在很多场合可以取代现有的电学传感器。基于迈克尔逊(Michelson)干涉仪的光纤传感语音监听系统具有体积小、抗干扰、隐蔽性好等优点，可以广泛应用于监狱、地下管廊等特殊应用场景。由于光电探测器的散粒噪声影响，利用传统的基于3×3耦合器的相位解调算法对语音信号进行解调时，噪声的强度会随着干涉仪的工作点漂移而变化，即出现噪声不稳定的情况。这种不稳定的噪声会对语音监听产生一定的影响。现有的技术在控制干涉仪的工作点时，需要在传感光纤部分增加压电陶瓷等有源器件或者使用可变波长光源等，这会带来成本的增加与抗电磁干扰能力下降。本发明通过在软件中实现噪声平稳算法，无需控制干涉仪工作点即可平抑其变化带来的不稳定噪声，经过该算法处理后，可以实现稳定的声音监听。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够平抑光电探测器散粒噪声引起的不稳定噪声的光迈克尔逊语音监听系统及其声音提取方法。
本发明提供的光迈克尔逊语音监听系统，即基于迈克尔逊干涉仪的语音监听系统，其光路结构如图1所示，包括：窄带激光器，光环行器，第一光电探测器，第二光电探测器，第三光电探测器，3×3光纤耦合器，参考光纤，传感光纤，第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜；窄带激光器发射出相干光波，经过光环行器后进入3×3光纤耦合器，被3×3光纤耦合器分成三束相等功率的光，其中一束光通过打结的光纤时被耦合出纤芯；另外两束光作为探测光波分别进入参考光纤和传感光纤；其中第一探测光波1和第二探测光波2分别由第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜反射回来，再次进入3×3光纤耦合器并产生干涉；外界语音对光纤的作用被记录在传感光纤的相位中；相位信息通过第一光探测器、第二光探测器、第三光探测器的电压强度呈现出来；
本发明的基于迈克尔逊光纤干涉仪的语音监听系统，是基于现有基于迈克尔逊光纤干涉仪的语音监听系统的，其中加入了光环形器，可以将3×3光纤耦合器的连接光源的这条臂中的回光引出到光电探测器，实现三路光电探测，并且防止反射回的信号光进入激光器，以免影响其工作状态；参考臂、传感臂末端均采用法拉第旋转镜，以实现系统保持偏振稳定状态；参考光纤和传感光纤的长度精准匹配以减少相位噪声的影响。
基于上述语音监听系统，本发明提出一种噪声平稳的声音提取算法，具体如下：
由于光电探测器的散粒噪声与进入光电探测器光强的平方根成正比，检测到的迈克尔逊干涉仪的三路干涉信号分别如下：
其中，E01、E02、E03为传感光的振幅；
为环境中的声音引起的相位变化，
为传感光纤受到冲击后或温度变化引起的缓慢相位漂移，这种漂移会引发工作点的低频变化；ψ为3×3光纤耦合器引入的固定相位差，为2π/3。nshi(t)(i＝1,2,3)为各光电探测器产生的散粒噪声，A为交流项的放大系数，D为信号的直流量，它们取决于进入光电探测器的光强与光电探测器的偏置与放大电路的性质。在实际使用中，通过实验测量可以获知A与D的近似值。
对三路信号进行去直流、振幅归一化处理，则可以表示为：
对上述三个信号进行零相位低通滤波，分别得到
对于IPD1*信号，先减去
再除以散粒噪声的平方根系数，得到V1：
在V1中，
这项反映了声音传感的灵敏度随工作点的漂移而变化的情况，把它记为VS。
当
时，
当
时，
由于
是小量，所以当
时，声音传感的灵敏度较高。此时，V1可化简为：
对IPD1*、IPD2*、IPD3*三路信号作同样的处理，则当
和
时，第二路、第三路的信号可以达到最大的声音灵敏度，可以得到：
Vi(i＝1,2,3)是经过噪声平稳处理的声音信号，它们没有噪声随工作点的波动，但在每一时刻具有不同的声音灵敏度。由于三路信号具有固定的相位差，总能在三路信号中选取出灵敏度最高的一路。选取的方法是对比每一时刻
的值，选取三者的中间值对应的Vi(i＝1,2,3)值作为提取的声音信号，这意味着最终的声音信号由V1、V2、V3拼接而成。这样可以保证在每一时刻，传感器都具有最佳的灵敏度。在V1、V2、V3中，由于A与D较小，因此平方根项带来的信号功率波动可以忽略。
最后，经过上述算法提取出的声音信号，经过适当的降采样、功率调整与滤波处理后，可以转变为可播放的音频信号，从而实现语音监听。降采样的目的是使信号适应音频信号的采样率；功率调整的目的是使播放出的声音不至于太大或太小；滤波的目的是可选取出特定的监听频段，提高监听的信噪比。具体的降采样、功率调整与滤波的参数依实际使用环境而定。
本发明中的上述噪声平稳的语音提取算法，由计算机软件实现。
本发明利用光纤迈克尔逊干涉仪进行语音信号的探测，并提供了一种可以平抑不稳定噪声的算法。本发明可以实现稳定的声音监听效果，解决了传统相位解调算法未考虑到散粒噪声带来的噪声变化的难题。
附图说明
图1为本发明基于迈克尔逊光纤干涉仪的语音传感系统光路图。
图2为本发明提出的噪声平稳的声音提取算法流程图。
图3为本发明基于迈克尔逊光纤干涉仪的语音传感系统，在安静环境中三个光电探测器探测到的电信号IPD1、IPD2、IPD3。
图4为本发明基于迈克尔逊光纤干涉仪的语音传感系统，在安静环境中原始信号经过传统的相位解调算法得到的相位。
图5为本发明基于迈克尔逊光纤干涉仪的语音传感系统，在安静环境中原始信号经过零相位滤波后剩余的高频成分。
图6为本发明基于迈克尔逊光纤干涉仪的语音传感系统，在安静环境中经过噪声稳定的声音提取算法得到的相位。
图7为本发明基于迈克尔逊光纤干涉仪的语音传感系统，在有语音环境中经过噪声稳定的声音提取算法得到的V1、V2、V3三路信号。
图8为本发明基于迈克尔逊n光纤干涉仪的语音传感系统，在有语音环境中经过噪声稳定的声音提取算法得到的声音信号。
图中标号：1为窄谱光源；2为第一光探测器；3为第二光探测器；4为第三光探测器；5为光纤环形器；6为3×3光纤耦合器；7为第一法拉第旋转镜；8为第二法拉第旋转镜；9为传感光纤；10为参考光纤。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
本发明基于迈克尔逊光纤干涉仪的语音传感系统，如图1所示，该系统采用的窄带激光器为中心波长为1550.12nm的分布式反馈激光器(DFB)，激光经过光纤环形器进入3×3光纤耦合器后将被分成三束相等功率的光，其中一束光通过打结的光纤时被耦合出纤芯。三个光电探测器PD1、PD2和PD3用于光电转换。传感光纤暴露在环境中，用于探测环境中的声音或振动，参考光纤封装在隔音材料中，以增强探测的灵敏度。该系统在参考臂或激光器中不需要相位或频率调制，因此在光学域中没有有源组件。在光纤环路中，DFB的发出的激光将被第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜反射，这使两路光作为迈克尔逊干涉仪工作，干涉信号被PD1、PD2和PD3接收转换成电信号。利用带有采样率为100kS/s采集卡的计算机，采集光电信号并实现本发明中的算法，通过如图2流程图中的算法后即可得到噪声稳定的声音信号。图3所示为在安静环境中PD1、PD2和PD3接收的原始信号。图4所示为在安静环境中原始信号经过传统的相位解调算法得到的相位，可以看到这个信号的噪声强度不稳定，随时间发生变化。图5所示为在安静环境中原始信号经过零相位滤波后剩余的高频成分，它的不稳定是造成噪声不稳定的原因。图6为在安静环境中经过噪声稳定的声音提取算法得到的相位，可以看到经过该算法处理后，噪声强度稳定，不随时间变化。图7为在有语音环境中经过噪声稳定的声音提取算法得到的V1、V2、V3三路信号，可以看到这三路信号在不同时刻具有不同的灵敏度。图8为在有语音环境中经过噪声稳定的声音提取算法得到的声音信号，可以看到最终得到的声音信号在任何时刻都具有较高的灵敏度，说明该算法可以实现稳定的噪声效果与灵敏的声音探测。
Claims (2)
1.一种基于光纤迈克尔逊语音监听系统的噪声平稳的声音提取方法，其特征在于，该语音监听系统的光路结构包括：窄带激光器，光环行器，第一光电探测器，第二光电探测器，第三光电探测器，3×3光纤耦合器，参考光纤，传感光纤，第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜；窄带激光器发射出相干光波，经过光环行器后进入3×3光纤耦合器，被3×3光纤耦合器分成三束相等功率的光，其中一束光通过打结的光纤时被耦合出纤芯；另外两束光作为探测光波分别进入参考光纤和传感光纤；其中第一探测光波1和第二探测光波2分别由第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜反射回来，再次进入3×3光纤耦合器并产生干涉；外界语音对光纤的作用被记录在传感光纤的相位中；相位信息通过第一光探测器、第二光探测器、第三光探测器的电压强度呈现出来；
方法具体步骤如下：
由于光电探测器的散粒噪声与进入光电探测器光强的平方根成正比，检测到的迈克尔逊干涉仪的三路干涉信号分别如下：
其中，E01、E02、E03为传感光的振幅；
为环境中的声音引起的相位变化，
为传感光纤受到冲击后或温度变化引起的缓慢相位漂移，这种漂移会引发工作点的低频变化；ψ为3×3光纤耦合器引入的固定相位差，为2π/3；nshi(t)为各光电探测器产生的散粒噪声，其中i＝1,2,3，A为交流项的放大系数，D为信号的直流量，它们取决于进入光电探测器的光强与光电探测器的偏置与放大电路的性质；
对这三路信号进行去直流、振幅归一化处理，表示为：
再对上述三路信号进行零相位低通滤波，分别得到
对于IPD1*信号，先减去
再除以散粒噪声的平方根系数，得到V1：
在V1中，
这项反映了声音传感的灵敏度随工作点的漂移而变化的情况，把它记为VS；
当
时，其中n＝0,1,2,…，
当
时，其中n＝0,1,2,…，
由于
是小量，所以当
时，其中n＝0,1,2,…，声音传感的灵敏度较高；此时，V1化简为：
对IPD2*信号、IPD3*信号，作同样的处理，则当
时，其中n＝0,1,2,…，第二路、第三路的信号可以达到最大的声音灵敏度，得到：
最后，比较每一时刻
的值，选取三者的中间值对应的Vi，其中i＝1,2,3值作为提取的声音信号。
2.根据权利要求1所述的声音提取方法，其特征在于，对于提取出的声音信号，进一步进行降采样、功率调整与滤波处理，转变为可播放的音频信号，从而实现语音监听。
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