CN113686425B - 一种基于双光路的光子拾音方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双光路的光子拾音方法装置，激光器发出的激光信号分为测量光信号和参考光信号，测量光信号与参考光信号平行进入收发光学器件后出射至光子音频感知模块；在光子音频感知模块中，将采集到的音频信息调制到测量光信号，调制后的测量光信号与参考光信号原路返回并发生干涉形成拍频信号，拍频信号在混频器中改变频率值后再被光电探测器接收，经过光电探测器后输出中间信号，中间信号再经过处理后得到目标音频信号，通过对目标音频信号进行计算，再现目标音频信息。本发明可使测量光信号与参考光信号能够同时平行出射，减少测量光信号与参考光信号受到的干扰，同时降低了对激光光源的要求。

Description

一种基于双光路的光子拾音方法及装置

技术领域

本发明涉及激光拾音技术领域，特别涉及一种基于双光路的光子 拾音方法及装置。

背景技术

音频监控已经成为广场、机场、车站、公园、会场等场所安防系 统的重要组成部分，是应对群体突发事件的重要手段。声音采集部分 是音频监控系统中的核心，主要是通过声音的震动来采集现场的声音。 由于室外远距离拾音有强环境噪声干扰，传统的麦克风集音器效果不 佳，实施难度很大。随着激光这一高强度相干光源的发明、计算机等 硬件处理数据能力的提升，激光干涉测量逐渐成为光学干涉测量技术 中应用最为广泛的方法之一。基于信号调制的原理，可以将音频信号 调制到激光信号，对激光信号经过一系列处理后可以再现音频信号。 但目前的激光拾音方法中，会发生信号之间干扰现象，探测精度较低， 而且对激光光源的要求较高。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于双光路的光子拾音方法及装置。 本发明能够减少测量光信号与参考光信号受到的干扰，降低了对激光 光源的要求。

本发明的技术方案：一种基于双光路的光子拾音方法，将激光器 发出的激光信号分为测量光信号和参考光信号，测量光信号与参考光 信号平行进入收发光学器件后出射至光子音频感知模块；在光子音频 感知模块中，将采集到的音频信息调制到测量光信号，调制后的测量 光信号与参考光信号原路返回并发生在混频器中干涉形成拍频信号， 拍频信号再被光电探测器接收，经过光电探测器后输出中间信号，中 间信号再经过模拟数字转换器与数字信号处理器处理后得到目标音 频信号，通过对目标音频信号进行计算，再现目标音频信息。

上述的基于双光路的光子拾音方法，激光器发出的激光信号通过 分光镜分成测量光信号和参考光信号；

其中测量光信号表示为：

参考光信号表示为：

式中：

exp是以自然常数e为底的指数函数；ω₀是激 光信号的频率；

是激光器的初始相位；

是测量光信号振幅；

是参考光信号振幅。

前述的基于双光路的光子拾音方法，所述参考光信号通过角度反 射镜改变出射角度，使得参考光信号和测量光信号平行出射，并通过 收发光学器件保证测量光信号与参考光信号的准直性。

前述的基于双光路的光子拾音方法，所述测量光信号与参考光信 号平行进入光子音频感知模块的透镜后，分别照射至对应的振膜与反 射镜上；所述反射镜改变参考光信号的角度，使参考光信号沿着光路 原路返回；所述振膜随音频信息振动，从而将采集到的音频信息调制 到测量光信号上，调制后的测量光信号同样沿着光路原路返回；

其中返回的测量光信号表示为：

返回的参考光信号表示为：

式中：E_s是返回的测量光信号振幅；E_L是返回的参考光信号振 幅；L_L是收发光学器件与反射镜的距离；L_S是收发光学器件与振膜 之间的距离；λ是波长；

返回光路中的测量光信号与参考光信号进入混频器发生干涉形 成拍频信号，拍频信号再被光电探测器接收，在光电探测器中滤除拍 频信号的直流项，保留交流项，得到中间信号：

式中：P为光电探测器的光电转换效率；

中间信号再经过模拟数字转换器与数字信号处理器处理后得到 目标音频信号，通过音频解析算法对目标音频信号进行计算，再现目 标音频信息。

前述的基于双光路的光子拾音方法，所述参考光信号通过角度反 射镜改变出射角度，使得参考光信号和测量光信号平行出射，参考光 信号在经过角度反射镜改变出射角度后进入移频器进行移频，表示为：

式中：ω_c为移频量；

移频后的参考光信号与测量光信号通过收发光学器件保证准直 性。

前述的基于双光路的光子拾音方法，测量光信号与移频后的参考 光信号平行进入光子音频感知模块的透镜后，分别照射至对应的振膜 与反射镜上；所述反射镜改变参考光信号的角度，使参考光信号沿着 光路原路返回；所述振膜随音频信息振动，从而将采集到的音频信息 调制到测量光信号上，调制后的测量光信号同样沿着光路原路返回；

其中返回的测量光信号表示为：

返回的参考光信号表示为：

式中：E_s是返回的测量光信号振幅；E_L是返回的参考光信号振 幅；L_L是收发光学器件与反射镜之间的距离；L_S是收发光学器件与 振膜之间的距离；λ是波长；

返回光路中的测量光信号与参考光信号进入混频器发生干涉形 成拍频信号，拍频信号再被光电探测器接收，在光电探测器中滤除拍 频信号的直流项，保留交流项，得到中间信号：

式中：P为光电探测器的光电转换效率；

中间信号再经过模拟数字转换器与数字信号处理器处理后得到 目标音频信号，通过音频解析算法对目标音频信号进行计算，再现目 标音频信息。

实现如前述的基于双光路的光子拾音方法的装置，包括激光器， 激光器的前端连接有分光镜，分光镜连接有测量光发射通道、参考光 发射通道和拍频信号通道；

所述测量光发射通道包括依次连接的收发光学器件、聚光器件和 振膜；所述参考光发射通道包括依次连接的角度反射镜、收发光学器 件、聚光器件和反射镜；

所述拍频信号通道包括混频器，混频器的输出端经光电探测器连 接有模拟数字转换器，模拟数字转换器的输出端经数字信号处理器连 接有音频信号处理器。

实现如前述的基于双光路的光子拾音方法的装置，包括激光器， 激光器的前端连接有分光镜，分光镜连接有测量光发射通道、参考光 发射通道和拍频信号通道；

所述测量光发射通道包括依次连接的收发光学器件、聚光器件和 振膜；所述参考光发射通道包括依次连接的角度反射镜、移频器、收 发光学器件、聚光器件和反射镜；

所述拍频信号通道包括混频器，混频器的输出端经光电探测器连 接有模拟数字转换器，模拟数字转换器的输出端经数字信号处理器连 接有音频信号处理器。

与现有技术相比，本发明将激光器发出的激光信号分为测量光信 号和参考光信号，测量光信号与参考光信号平行进入收发光学器件后 出射至光子音频感知模块；在光子音频感知模块中，将采集到的音频 信息调制到测量光信号，调制后的测量光信号与参考光信号原路返回 在混频器中发生干涉形成拍频信号，拍频信号再被光电探测器接收， 经过光电探测器后输出中间信号，中间信号再经过模拟数字转换器与 数字信号处理器处理后得到目标音频信号，通过对目标音频信号进行 计算，再现目标音频信息；由此本发明可使测量光信号与参考光信号 能够同时平行出射，减少测量光信号与参考光信号受到的干扰，同时 降低了对激光光源的要求，具有抗噪声干扰能力强、精度高、语音清 晰的特点。此外，本发明还具有整体结构较简单，系统运行简便的特 点，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例2的装置结构示意图；

图2是本发明实施例3的装置结构示意图。

附图中的标记为：1、激光器；2、分光镜；3、收发光学器件；4、 聚光器件；5、振膜；6、角度反射镜；7、反射镜；8、混频器；9、 光电探测器；10、模拟数字转换器；11、数字信号处理器；12、音频 信号处理器；13、移频器；14、光子音频感知模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对 本发明限制的依据。

实施例1：一种基于双光路的光子拾音方法，将激光器发出的激 光信号分为测量光信号和参考光信号，测量光信号与参考光信号平行 进入收发光学器件后出射至光子音频感知模块；在光子音频感知模块 中，将采集到的音频信息调制到测量光信号，调制后的测量光信号与 参考光信号原路返回并发生干涉形成拍频信号，拍频信号在混频器中 改变频率值后再被光电探测器接收，经过光电探测器后输出中间信号， 中间信号再经过模拟数字转换器与数字信号处理器处理后得到目标 音频信号，通过对目标音频信号进行计算，再现目标音频信息。

实施例2：一种基于双光路的光子拾音方法，如图1所示，包括 激光器1，采用人眼安全的1550nm单模窄线宽连续光纤激光器，激 光器线宽10kHz，输出功率为20mW，光纤输出有隔离保护，激光器发 出的是一束稳定激光，作为拾音光源，用于测量；激光器1的前端连接有分光镜2，分光镜2连接有测量光发射通道、参考光发射通道和 拍频信号通道；

所述测量光发射通道包括依次连接的收发光学器件3、聚光器件4和振膜5，振膜5由低声阻的材料制成，振膜会随着音频信息振动； 所述的聚光器件4为透镜；所述参考光发射通道包括依次连接的角度 反射镜6、收发光学器件3、聚光器件4和反射镜7；所述的振膜5和反射镜7是位于光子音频感知模块14中；所述收发光学器件3可 以为准直透镜、单片平凸透镜或者双片平凸透镜等，本实施例的收发 光学器件选择准直透镜。

所述拍频信号通道包括混频器8，混频器8的输出端经光电探测 器9连接有模拟数字转换器10，模拟数字转换器10的输出端经数字 信号处理器11连接有音频信号处理器12，音频信号处理器12可以 是上位计算机。

在上述基于双光路的光子拾音装置中，采用基于零差干涉测量法 进行拾音。激光器发出的激光信号通过分光镜按能量比例分成测量光 信号和参考光信号，大部分能量作为测量光信号，小部分能量作为参 考光信号；

其中测量光信号表示为：

参考光信号表示为：

式中：E_s是返回的测量光信号振幅；E_L是返回的参考光信号振 幅；L_L是收发光学器件与反射镜的距离；L_S是收发光学器件与振膜 之间的距离；λ是波长；

所述参考光信号通过角度反射镜改变出射角度，使得参考光信号 和测量光信号平行出射，并通过准直透镜保证测量光信号与参考光信 号的准直性。

所述测量光信号与参考光信号平行进入光子音频感知模块的透 镜后，分别照射至对应的振膜与反射镜上；所述反射镜改变参考光信 号的角度，使参考光信号沿着光路原路返回；所述振膜随音频信息振 动，从而将采集到的音频信息调制到测量光信号上，调制后的测量光 信号同样沿着光路原路返回；

其中返回的测量光信号表示为：

返回的参考光信号表示为：

式中：E_s是返回的测量光信号振幅；E_L是返回的参考光信号振 幅；L_L是收发光学器件与反射镜之间的距离；L_S是收发光学器件与 振膜之间的距离；λ是波长；

返回光路中的测量光信号与参考光信号进入混频器发生干涉形 成拍频信号，拍频信号再被光电探测器接收，在光电探测器中，参考 光信号和测量光信号来自于同一束激光信号，则频率相等，因此滤除 信号的直流项，保留交流项，得到中间信号：

式中：P为光电探测器的光电转换效率；

中间信号再经过模拟数字转换器与数字信号处理器处理后得到 目标音频信号，通过音频解析算法对目标音频信号进行计算，再现目 标音频信息。

实施例3：一种基于双光路的光子拾音方法，如图2所示，包括 激光器1，采用人眼安全的1550nm单模窄线宽连续光纤激光器，激 光器线宽10kHz，输出功率为20mW，光纤输出有隔离保护，激光器发 出的是一束稳定激光，作为拾音光源，用于测量；激光器1的前端连接有分光镜2，分光镜2连接有测量光发射通道、参考光发射通道和 拍频信号通道；

所述测量光发射通道包括依次连接的收发光学器件3、聚光器件 4和振膜5，振膜5由低声阻的材料制成，振膜会随着音频信息振动； 所述的聚光器件4为透镜；所述参考光发射通道包括依次连接的角度 反射镜6、移频器13、收发光学器件3、聚光器件4和反射镜7；所述的振膜5和反射镜7是位于光子音频感知模块14中；所述收发光 学器件3可以为准直透镜、单片平凸透镜或者双片平凸透镜等，本实 施例的收发光学器件选择准直透镜。

所述拍频信号通道包括混频器8，混频器8的输出端经光电探测 器9连接有模拟数字转换器10，模拟数字转换器10的输出端经数字 信号处理器11连接有音频信号处理器12，音频信号处理器12可以 是上位计算机。

在上述基于双光路的光子拾音装置中，采用基于外差干涉测量法 进行拾音。激光器发出的激光信号通过分光镜按能量比例分成测量光 信号和参考光信号，大部分能量作为测量光信号，小部分能量作为参 考光信号；

其中测量光信号表示为：

参考光信号表示为：

式中：

exp是以自然常数e为底的指数函数；ω₀是激 光信号的频率；

是激光器的初始相位；

是测量光信号振幅；

是参考光信号振幅。

所述参考光信号通过角度反射镜改变出射角度，使得参考光信号 和测量光信号平行出射；参考光信号在经过角度反射镜改变出射角度 后进入移频器进行移频，表示为：

式中：ω_c为移频量；

移频后的参考光信号与测量光信号通过准直透镜保证准直性。

测量光信号与移频后的参光信号平行进入光子音频感知模块的 透镜后，分别照射至对应的振膜与反射镜上；所述反射镜改变参考光 信号的角度，使参考光信号沿着光路原路返回；所述振膜随音频信息 振动，从而将采集到的音频信息调制到测量光信号上，调制后的测量 光信号同样沿着光路原路返回；

其中返回的测量光信号表示为：

返回的参考光信号表示为：

式中：E_s是返回的测量光信号振幅；E_L是返回的参考光信号振 幅；L_L是收发光学器件与反射镜之间的距离；L_S是收发光学器件与 振膜之间的距离；λ是波长；

返回光路中的测量光信号与参考光信号进入混频器发生干涉形 成拍频信号，拍频信号再被光电探测器接收，在光电探测器中，滤除 信号的直流项，保留交流项，得到中间信号：

式中：P为光电探测器的光电转换效率；

中间信号再经过模拟数字转换器与数字信号处理器处理后得到 目标音频信号，通过音频解析算法对目标音频信号进行计算，再现目 标音频信息。

综上所述，本发明将激光器发出的激光信号分为测量光信号和参 考光信号，测量光信号与参考光信号平行进入收发光学器件后出射至 光子音频感知模块；在光子音频感知模块中，将采集到的音频信息调 制到测量光信号，调制后的测量光信号与参考光信号原路返回并发生 干涉形成拍频信号，拍频信号在混频器中改变频率值后再被光电探测 器接收，经过光电探测器后输出中间信号，中间信号再经过模拟数字 转换器与数字信号处理器处理后得到目标音频信号，通过对目标音频 信号进行计算，再现目标音频信息；由此本发明可使测量光信号与参 考光信号能够同时平行出射，减少测量光信号与参考光信号受到的干 扰，同时降低了对激光光源的要求，具有抗噪声干扰能力强、精度高、 语音清晰的特点。此外，本发明还具有整体结构较简单，系统运行简 便的特点，具有良好的应用前景。

Claims (1)

1.一种基于双光路的光子拾音方法，其特征在于：将激光器发出的激光信号分为测量光信号和参考光信号，测量光信号与参考光信号平行进入收发光学器件后出射至光子音频感知模块；在光子音频感知模块中，将采集到的音频信息调制到测量光信号，调制后的测量光信号与参考光信号原路返回并发生在混频器中干涉形成拍频信号，拍频信号再被光电探测器接收，经过光电探测器后输出中间信号，中间信号再经过模拟数字转换器与数字信号处理器处理后得到目标音频信号，通过对目标音频信号进行计算，再现目标音频信息；

实现基于双光路的光子拾音方法的装置，包括激光器(1)，激光器(1)的前端连接有分光镜(2)，分光镜(2)连接有测量光发射通道、参考光发射通道和拍频信号通道；

所述测量光发射通道包括依次连接的收发光学器件(3)、聚光器件(4)和振膜(5)；所述参考光发射通道包括依次连接的角度反射镜(6)、收发光学器件(3)、聚光器件(4)和反射镜(7)；

所述拍频信号通道包括混频器(8)，混频器(8)的输出端经光电探测器(9)连接有模拟数字转换器(10)，模拟数字转换器(10)的输出端经数字信号处理器(11)连接有音频信号处理器(12)；

或者该装置包括激光器(1)，激光器(1)的前端连接有分光镜(2)，分光镜(2)连接有测量光发射通道、参考光发射通道和拍频信号通道；

所述测量光发射通道包括依次连接的收发光学器件(3)、聚光器件(4)和振膜(5)；所述参考光发射通道包括依次连接的角度反射镜(6)、移频器(13)、收发光学器件(3)、聚光器件(4)和反射镜(7)；

所述拍频信号通道包括混频器(8)，混频器(8)的输出端经光电探测器(9)连接有模拟数字转换器(10)，模拟数字转换器(10)的输出端经数字信号处理器(11)连接有音频信号处理器(12)；

激光器发出的激光信号通过分光镜分成测量光信号和参考光信号；

其中测量光信号表示为：

参考光信号表示为：

式中：

exp是以自然常数e为底的指数函数；ω₀是激光信号的频率；

是激光器的初始相位；E`<sub>s</sub>是测量光信号振幅；E`_L是参考光信号振幅；

所述参考光信号通过角度反射镜改变出射角度，使得参考光信号和测量光信号平行出射，并通过收发光学器件保证测量光信号与参考光信号的准直性；

所述测量光信号与参考光信号平行进入光子音频感知模块的透镜后，分别照射至对应的振膜与反射镜上；所述反射镜改变参考光信号的角度，使参考光信号沿着光路原路返回；所述振膜随音频信息振动，从而将采集到的音频信息调制到测量光信号上，调制后的测量光信号同样沿着光路原路返回；

其中返回的测量光信号表示为：

返回的参考光信号表示为：

式中：E_s是返回的测量光信号振幅；E_L是返回的参考光信号振幅；L_L是收发光学器件与反射镜的距离；L_S是收发光学器件与振膜之间的距离；λ是波长；

返回光路中的测量光信号与参考光信号进入混频器发生干涉形成拍频信号，拍频信号再被光电探测器接收，在光电探测器中滤除拍频信号的直流项，保留交流项，得到中间信号：

式中：P为光电探测器的光电转换效率；

中间信号再经过模拟数字转换器与数字信号处理器处理后得到目标音频信号，通过音频解析算法对目标音频信号进行计算，再现目标音频信息；

所述参考光信号通过角度反射镜改变出射角度，使得参考光信号和测量光信号平行出射；参考光信号在经过角度反射镜改变出射角度后进入移频器进行移频，表示为：

式中：ω_c为移频量；

移频后的参考光信号与测量光信号通过收发光学器件保证准直性；

测量光信号与移频后的参考光信号平行进入光子音频感知模块的透镜后，分别照射至对应的振膜与反射镜上；所述反射镜改变参考光信号的角度，使参考光信号沿着光路原路返回；所述振膜随音频信息振动，从而将采集到的音频信息调制到测量光信号上，调制后的测量光信号同样沿着光路原路返回；

其中返回的测量光信号表示为：

返回的参考光信号表示为：

式中：E_s是返回的测量光信号振幅；E_L是返回的参考光信号振幅；L_L是收发光学器件与反射镜之间的距离；L_S是收发光学器件与振膜之间的距离；λ是波长；

返回光路中的测量光信号与参考光信号进入混频器发生干涉形成拍频信号，拍频信号再被光电探测器接收，在光电探测器中滤除拍频信号的直流项，保留交流项，得到中间信号：

式中：P为光电探测器的光电转换效率；

中间信号再经过模拟数字转换器与数字信号处理器处理后得到目标音频信号，通过音频解析算法对目标音频信号进行计算，再现目标音频信息。

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