CN114221711B - 一种双向光声通信系统及其通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双向光声通信系统及其通信方法。该系统通过采用光声通信方法，以编码激光和侦听激光为声音信息载体，采用激光直接照射接收端的光致发声器件，使光致发声器件在光声效应作用下直接产生声音，或回波激光照射光电探测器的方式，侦听接收端的声音信息，接收端无需处理电信号，通过将光能转换为声能，能够实现远距离点对点的双向通信，而且保密性强，抗电磁干扰能力强。由于激光的发射角较小，具有极强的方向性，易于实现声音信息的远距离定向传输，接收端无需有源接收器件即可直接听到声音并发送声音。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术及应用领域，具体涉及一种双向光声通信系统及其通信方法。
背景技术
为实现声音信息的远距离定向传输，通常需要在发送端将加载声音信息的电信号、无线电信号或光信号发送至接收端，通过有源接收器件对信号解调得到声音信息。常见的有源接收器件包括电话、手机、对讲机、电脑和耳机等，均需要电能才能正常工作。但在某些场景中，当信息接收端不具备有源接收器件，或接收器件没有电能供应时，则无法实现声音的远距离定向传输。
随着声学技术的发展，可实现声音定向传播的定向声技术得到快速发展，利用定向声学设备将发送定向声波传输至接收端，无需有源接收器件，人们即可听到声音。但由于定向声波的发散角通常较大，声压强度会随着传输距离的增加而迅速下降，不易实现声音信息的远距离传输。
此外，在实际应用时，往往需要发送端和接收端进行双向通信，而目前的单向通信往往不能满足实际应用要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种双向光声通信系统及其通信方法。该系统通过采用光声通信方法，以编码激光和侦听激光为声音信息载体，采用激光直接照射接收端的光致发声器件，使光致发声器件在光声效应作用下直接产生声音，或回波激光照射光电探测器的方式，侦听接收端的声音信息，接收端无需处理电信号，通过将光能转换为声能，能够实现远距离点对点的双向通信，而且保密性强，抗电磁干扰能力强。
一种双向光声通信系统，包括设置在发送端的传声器、编码器、第一编码激光器、侦听激光器、跟瞄发射转台、光电探测器和解码器，还包括设置在接收端的光致发声器件；其中，
所述传声器，用于实时采集声音信息的频域信号，并传递至编码器；
所述编码器，用于在接收到声音的频域信号后，实时将频域信号转化为相应的时域信号，为第一编码激光器提供调制信号；
所述第一编码激光器，用于根据所述时域信号对激光强度进行调制，产生相应时域波形的编码激光，传送至跟瞄发射转台；
所述侦听激光器，用于产生侦听激光；并且分为两路，一路发射至跟瞄发射转台，另一路进行移频后发射至光电探测器，为激光相干多普勒探测提供本征光；
所述跟瞄发射转台，用于瞄准接收端目标的光致发声器件，并将编码激光与侦听激光进行合束，照射至光致发声器件上；
所述光致发声器件，所述光致发声器件设有光声特性的材料，用于在接收到编码激光后，产生相应的声音信息；并当接收端有声音产生时，声音会引起光致发声器件的振动，并产生带有多普勒频率的回波信号；
所述光电探测器用于收集由侦听激光器发出的本征光和光致发生器件发出的回波信号所共同构成的混合光，将混合光中的多普勒频移信息转化为相应的光电流信号并传递给解码器；
所述解码器用于分析光电流信号中携带的多普勒频移量，从而获取光致发声器件的振动频谱和振幅，即可还原接收端的声音信息。
一种双向光声通信系统，包括设置在发送端的传声器、编码器、第二编码激光器、跟瞄发射转台、光电探测器和解码器，还包括设置在接收端的光致发声器件；其中，
所述传声器，用于时采集声音信息的频域信号，并传递至编码器；
所述编码器，用于在接收到声音的频域信号后，实时将频域信号转化为相应的时域信号，为第一编码激光器提供调制信号；
所述第二编码激光器，用于根据所述时域信号对激光强度进行调制，产生相应时域波形，且线宽＜1MHz的编码激光；并且分为两路，一路发射至跟瞄发射转台，另一路进行移频后发射至光电探测器，为激光相干多普勒探测提供本征光；
所述跟瞄发射转台，用于接收编码激光，并瞄准接收端目标的光致发声器件，将编码激光照射至光致发声器件上；
所述光致发声器件，所述光致发声器件设有光声特性的材料，用于在接收到编码激光后，产生相应的声音信息；并当接收端有声音产生时，声音会引起光致发声器件的振动，并产生了带有多普勒频率的回波信号；
所述光电探测器用于收集所述本征光和光致发生器件发出的回波信号所共同构成的混合光，将混合光中的多普勒频移信息转化为相应的光电流信号并传递给解码器；
所述解码器用于分析光电流信号中携带的多普勒频移量，从而获取光致发声器件的振动频谱和振幅，即可还原接收端的声音信息。
较佳地，所述光致发声器件上的光声特性材料为石墨烯材料。
较佳地，所述光致发声器件上的光声特性材料为水蒸气。
较佳地，所述侦听激光器产生的侦听激光，发送至跟瞄发射转台的激光功率占比为99％，发送至光电探测器的激光功率占比为1％。
较佳地，所述第二编码激光器产生的编码激光，发送至跟瞄发射转台的激光功率占比为99％，发送至光电探测器的激光功率占比为1％。
一种双向光声通信系统的通信方法，包括：
步骤1、发送端采集所要发送的声音信息的频域信号，通过编码转化为时域信号；
步骤2、根据时域信号对第一编码激光器进行激光强度调制并输出编码激光；
步骤3、利用侦听激光器产生侦听激光；
步骤4、跟瞄发射转台接收步骤2产生的编码激光和步骤3产生的侦听激光，并通过跟瞄发射转台照射至光致发声器件上；
步骤5、设有光声特性材料的光致发声器件设置在接收端目标上，在接收到编码激光后，产生相应的声音信息；同时，当光致发声器件所在位置有声音时，声音会引起光致发声器件的振动，并产生带有多普勒频率的回波信号；
步骤6、发送端的光电探测器实时接收步骤3中产生的侦听激光和步骤5中产生的回波信号并进行解析，将多普勒频移信息转化为相应的光电流信号；
步骤7、通过分析光电流信号中携带的多普勒频移量，从而还原接收端的声音信息。
一种双向光声通信系统的通信方法，具体实现方法为：
步骤一、发送端采集所要发送的声音信息的频域信号；
步骤二、对所述频域信号进行编码，转化为相应的时域信号；
步骤三、根据时域信号对第二编码激光器的激光强度进行调制，输出相应时域波形，且线宽＜1MHz的编码激光；并且分为两路，一路编码激光通过跟瞄发射转台照射至光致发声器件上；另一路发射至光电探测器；
步骤四、设有光声特性材料的光致发声器件设置在接收端目标上，在接收到编码激光后，产生相应的声音信息；同时，当光致发声器件所在位置有声音时，声音会引起光致发声器件的振动，并产生了带有多普勒频率的回波信号；
步骤五、发送端的光电探测器实时接收步骤三中产生的编码激光和步骤五中产生的回波信号，并将多普勒频移信息转化为相应的光电流信号；
步骤六、通过分析光电流信号中携带的多普勒频移量，从而还原接收端的声音信息。
较佳地，所述光致发声器件上的光声特性材料为石墨烯材料。
较佳地，所述光致发声器件上的光声特性材料为水蒸气。
有益效果：
1、本发明采用传声器1、编码器2、第一编码激光器3、侦听激光器4、跟瞄发射转台5、光致发声器件6、光电探测器7和解码器8相互之间的配合，采用光声通信理论，以激光为声音信息载体(编码激光，作为发送端到接收端的声音信息载体；侦听激光，作为所述接收端发出的声音向所述发送端的声音信息载体)，在光声效应作用下使材料直接产生声音，无需处理电信号，打破了传统的无线电信号传输方式，通过将光能转换为声能，能够实现远距离点对点的双向通信，而且保密性强，抗电磁干扰能力强。
2、为了简化器材，去掉侦听激光器4，用线宽＜1MHz的第二编码激光器9代替第一编码激光器3，这样既可在保证双向通信的基础上，能够尽可能的简化器件的使用。
3、本发明将石墨烯等光声能量转换效率较高的材料镀在玻璃、金属等基底材料上，在光声效应作用下，无需外接电源，石墨烯会直接产生相应的声音信息，声音的频谱和声压与编码激光的频谱和脉冲能量相对应。
4、本发明利用激光照射光致发声器件时，材料会在光声效应作用下将部分光能转化为声能,且所产生声音的声压和频谱与激光的脉冲能量、时域波形和光斑尺寸等特征参数相关的特性，采用光声通信方法，在发送端将声音信息加载到编码激光中，使编码激光照射接收端的光致发声器件，或在接收端将声音信息加载到侦听激光中，使回波信号反馈至光电探测器进行解码。在光声效应作用下，激光加载的信息可直接转化为相应的声音信息。由于激光的发射角较小，具有极强的方向性，易于实现声音信息的远距离定向传输，接收端无需有源接收器件即可直接听到声音。
附图说明
图1为本发明系统结构图；
图2为双向光声通信系统工作流程图；
图3为本发明系统替代方案结构图；
其中，1-传声器、2-编码器、3-第一编码激光器、4-侦听激光器、5-跟瞄发射转台、6-光致发声器件、7-光电探测器、8-解码器、9-第二码激光器
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。本发明的原理是：
由于物质的光声效应可在缺乏有源接收器件的情况下实现声音信息的远距离定向传输，当激光照射光致发声器件时，材料会在光声效应作用下将部分光能转化为声能，且所产生声音的声压和频谱与激光的脉冲能量、时域波形和光斑尺寸等特征参数相关。
因此，在发送端将声音信息加载到编码激光中，使编码激光照射接收端的光致发声器件，在光声效应作用下，激光加载的信息可直接转化为相应的声音信息。
为了能够实现双向通信，在发送端引入侦听激光，当侦听激光照射光致发声器件时，接收端的声音会引起光致发声器件的振动，这种振动会改变侦听激光回波光的方向和光斑能量分布，并引入与振动频率相关的多普勒频率，即接收端的声音信息加载到了侦听激光的回波光。通过测量回波光的光强、光斑位移量和多普勒频移等参数，即可还原出接收端的声音信息。
综上所述，本发明即采用光声通信方法，利用光声效应将光能转换为声能，无需处理电信号，抗电磁干扰能力强。同时由于激光的发射角较小，具有极强的方向性，易于实现声音信息的远距离定向传输，接收端无需有源接收器件即可直接听到声音，同时也可直接发送声音。
实施例一：
如图1所示，本发明提供了一种双向光声通信系统，包括传声器1、编码器2、第一编码激光器3、侦听激光器4、跟瞄发射转台5、光致发声器件6、光电探测器7和解码器8。传声器1实时采集声音信息的频域信号，并传递至编码器2，编码器2在接收到声音的频域信号后，实时将频域信号转化为相应的时域信号，为第一编码激光器3提供调制信号；第一编码激光器3采用声光调制器(AOM)对连续激光进行外调制，根据调制信号电平大小，AOM可实时的调整其衍射效率，对通过AOM的激光强度进行调制，产生相应时域波形的编码激光，并传输至跟瞄发射转台5；侦听激光器4用于产生探测接收端声音信息的侦听激光；侦听激光的线宽＜1MHz，以降低侦听激光解码器8的噪音。侦听激光分为两路，其中一路激光功率占比为99％，用于传输至跟瞄发射转台5；另一路激光功率占比为1％，首先经过AOM进行移频，然后传输至光电探测器7，为激光相干多普勒探测提供本征光。跟瞄发射转台5能够瞄准接收端目标的光致发声器件6，并将编码激光与侦听激光进行合束，通过控制激光的发射方向和发散角，以特定的光斑大小照射光致发声器件6，实现将信号传递至光致发声器件。光致发声器件6位于声音信息的接收端，它主要由石墨烯等光致发声器件构成，当编码激光照射光致发声器件时，在光声效应作用下，无需外接电源，光致发声器件6会直接产生相应的声音信息，声音的频谱和声压与编码激光的频谱和激光强度相对应。同时，当接收端发出声音时，声音会引起光致发声器件6的振动，从而导致侦听激光的回波光光程发生变化，给回波光引入多普勒频率，接收端的声音信息即加载到了侦听激光的回波光中。光致发声器件6产生的回波信号将传至给光电探测器7中。光电探测器7和解码器8可以基于相干探测法分析回波激光所携带的接收端声音信息，光电探测器7用于收集侦听激光器4发出的本征光和光致发生器发出的回波信号所共同构成的混合光，将混合光中的多普勒频移信息转化为相应的光电流信号并传递给解码器8。解码器8用于分析光电流信号中携带的多普勒频移量，从而获取光致发声器件6的振动频谱和振幅，由于声音信息的频谱和声压与振动的频谱和振幅相对应，通过解码光致发声器件6的振动信息即可还原接收端的声音信息。基于上述过程，发送端发射激光利用光声效应将光能转换为声能，并利用激光直接侦听接收端的声音信息，接收端无需有源接收设备即可实现远距离点对点双向通信，且保密性强，抗电磁干扰能力强。
其中，所述光致发声器件6位于声音信息的接收端，光致发声器件是将石墨烯镀在玻璃、金属等基底材料上构成，当编码激光照射石墨烯材料时，在光声效应作用下，无需外接电源，石墨烯会直接产生相应的声音信息，声音的频谱和声压与编码激光的频谱和脉冲能量相对应。同时，也可采用其他具有良好光声特性的材料作为光致发声器件材料，如水蒸气。
具体应用场景如：甲在激光发射端，乙在激光接收端。当甲说话时，甲的声音信息加载在激光上并随激光发射到激光接收端，接收端的光致发声器件在光声效应作用下产生声音，使乙听到甲的声音；当乙说话时，乙的声音会引起光致发声器件的振动，激光发射端发出的侦听激光会对光致发声器件的振动信息进行探测，从而还原出乙的声音，使甲也可以听到乙的声音。通过上述过程，在乙方缺少有源通信设备的情况下，甲和乙可以进行双向的对话交流。
实施例二：
如图3所示，此外，本实施例还通过另一个系统实现了本发明所要解决的技术问题，即去掉侦听激光器4，取而代之是将第一编码激光器3替换成第二编码激光器9，其余器件及系统工作用途不变。其中，第二编码激光器9除了具有采用声光调制器(AOM)对激光强度进行调制，从而输出相应时域波形的编码激光以外，还要能够实现对其发出的编码激光的线宽进行控制，即：编码激光的线宽＜1MHz，以降低解码器8的噪音，此外，该编码激光分为两路，其中一路激光功率占比为99％，用于传输至跟瞄发射转台5发射，另一路激光功率占比为1％，经过AOM进行移频后传输至光电探测器7，为激光相干多普勒探测提供本征光。
如图2所示，一种双向光声通信方法，采用实施例一所涉及的系统时：
步骤1、由于声音是由各种频率分量的声波组成，故首先发送端要采集所要发送的声音信息的频域信号，通过编码转化为时域信号；
步骤2、根据时域信号对第一编码激光器3进行激光强度调制并输出编码激光；这里可采用声光调制器(AOM)对连续激光进行外调制，即根据调制信号电平大小，AOM可实时的调整其衍射效率，通过AOM对激光强度进行调制，从而输出相应时域波形的编码激光。
步骤3、利用侦听激光器4产生侦听激光；分为两路，一路激光功率占比为99％，传输至跟瞄发射转台5；另一路激光功率占比为1％，首先经过AOM进行移频，然后传输至光电探测器7，为激光相干多普勒探测提供本征光。
步骤4、跟瞄发射转台5接收步骤2产生的编码激光和步骤3产生的侦听激光，并通过跟瞄发射转台5照射至光致发声器件6上；
步骤5、设有光声特性材料的光致发声器件6在接收端，接收到编码激光后，产生相应的声音信息；同时，当光致发声器件6所在位置有声音时，声音会引起光致发声器件6的振动，改变侦听激光回波光的方向和光斑能量分布，导致侦听激光的回波光光程发生变化，给回波光引入多普勒频率，接收端的声音信息即加载到了侦听激光的回波光中，从而产生带有多普勒频率的回波信号；其中，光致发声器件6主要由石墨烯或水蒸气等光致发声器件构成，当编码激光照射光致发声器件时，在光声效应作用下，无需外接电源，光致发声器件6会直接产生相应的声音信息，声音的频谱和声压与编码激光的频谱和激光强度相对应。
步骤6、接收端的光电探测器7实时接收步骤3中产生的侦听激光和步骤5中产生的回波信号并进行解析，将多普勒频移信息转化为相应的光电流信号；
步骤7、通过分析光电流信号中携带的多普勒频移量，从而获取光致发声器件6的振动频谱和振幅，由于声音信息的频谱和声压与振动的频谱和振幅相对应，进而还原接收端的声音信息。
基于上述过程，发送端发射激光利用光声效应将光能转换为声能，并利用激光直接侦听接收端的声音信息，接收端无需有源接收设备即可实现远距离点对点通信，且保密性强，抗电磁干扰能力强。
若采用实施例二所涉及的系统时：与上述方法不同的是，产生的时域信号传递给第二编码激光器9，第二编码激光器9产生输出编码激光，且该编码激光的线宽＜1MHz，以降低噪音，编码激光分为两路，其中一路激光功率占比为99％，用于传输至跟瞄发射转台5发射，另一路激光功率占比为1％，经过AOM进行移频后传输至光电探测器7，为激光相干多普勒探测提供本征光。
该系统利用光声效应将光能转换为声能，接收端无需有源接收设备即可实现远距离点对点双向通信，且保密性强，抗电磁干扰能力强。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双向光声通信系统，其特征在于，包括设置在发送端的传声器(1)、编码器(2)、第一编码激光器(3)、侦听激光器(4)、跟瞄发射转台(5)、光电探测器(7)和解码器(8)，还包括设置在接收端的光致发声器件(6)；其中，
所述传声器(1)，用于实时采集声音信息的频域信号，并传递至编码器(2)；
所述编码器(2)，用于在接收到声音的频域信号后，实时将频域信号转化为相应的时域信号，为第一编码激光器(3)提供调制信号；
所述第一编码激光器(3)，用于根据所述时域信号对激光强度进行调制，产生相应时域波形的编码激光，传送至跟瞄发射转台(5)；
所述侦听激光器(4)，用于产生侦听激光；并且分为两路，一路发射至跟瞄发射转台(5)，另一路进行移频后发射至光电探测器(7)，为激光相干多普勒探测提供本征光；
所述跟瞄发射转台(5)，用于瞄准接收端目标的光致发声器件(6)，并将编码激光与侦听激光进行合束，照射至光致发声器件(6)上；
所述光致发声器件(6)，所述光致发声器件(6)设有光声特性的材料，用于在接收到编码激光后，产生相应的声音信息；并当接收端有声音产生时，声音会引起光致发声器件(6)的振动，并产生带有多普勒频率的回波信号；
所述光电探测器(7)用于收集由侦听激光器(4)发出的本征光和光致发生器件(6)发出的回波信号所共同构成的混合光，将混合光中的多普勒频移信息转化为相应的光电流信号并传递给解码器(8)；
所述解码器(8)用于分析光电流信号中携带的多普勒频移量，从而获取光致发声器件(6)的振动频谱和振幅，即可还原接收端的声音信息。
2.一种双向光声通信系统，其特征在于，包括设置在发送端的传声器(1)、编码器(2)、第二编码激光器(9)、跟瞄发射转台(5)、光电探测器(7)和解码器(8)，还包括设置在接收端的光致发声器件(6)；其中，
所述传声器(1)，用于时采集声音信息的频域信号，并传递至编码器(2)；
所述编码器(2)，用于在接收到声音的频域信号后，实时将频域信号转化为相应的时域信号，为第一编码激光器(3)提供调制信号；
所述第二编码激光器(9)，用于根据所述时域信号对激光强度进行调制，产生相应时域波形，且线宽＜1MHz的编码激光；并且分为两路，一路发射至跟瞄发射转台(5)，另一路进行移频后发射至光电探测器(7)，为激光相干多普勒探测提供本征光；
所述跟瞄发射转台(5)，用于接收编码激光，并瞄准接收端目标的光致发声器件(6)，将编码激光照射至光致发声器件(6)上；
所述光致发声器件(6)，所述光致发声器件(6)设有光声特性的材料，用于在接收到编码激光后，产生相应的声音信息；并当接收端有声音产生时，声音会引起光致发声器件(6)的振动，并产生了带有多普勒频率的回波信号；
所述光电探测器(7)用于收集所述本征光和光致发生器件(6)发出的回波信号所共同构成的混合光，将混合光中的多普勒频移信息转化为相应的光电流信号并传递给解码器(8)；
所述解码器(8)用于分析光电流信号中携带的多普勒频移量，从而获取光致发声器件(6)的振动频谱和振幅，即可还原接收端的声音信息。
3.如权利要求1或2所述的双向光声通信系统，其特征在于，所述光致发声器件(6)上的光声特性材料为石墨烯材料。
4.如权利要求1或2所述的双向光声通信系统，其特征在于，所述光致发声器件(6)上的光声特性材料为水蒸气。
5.如权利要求1所述的双向光声通信系统，其特征在于，所述侦听激光器(4)产生的侦听激光，发送至跟瞄发射转台(5)的激光功率占比为99％，发送至光电探测器(7)的激光功率占比为1％。
6.如权利要求2所述的双向光声通信系统，其特征在于，所述第二编码激光器(9)产生的编码激光，发送至跟瞄发射转台(5)的激光功率占比为99％，发送至光电探测器(7)的激光功率占比为1％。
7.一种采用权利要求1所述的双向光声通信系统的通信方法，其特征在于，包括：
步骤1、发送端采集所要发送的声音信息的频域信号，通过编码转化为时域信号；
步骤2、根据时域信号对第一编码激光器(3)进行激光强度调制并输出编码激光；
步骤3、利用侦听激光器(4)产生侦听激光；
步骤4、跟瞄发射转台(5)接收步骤2产生的编码激光和步骤3产生的侦听激光，并通过跟瞄发射转台(5)照射至光致发声器件(6)上；
步骤5、设有光声特性材料的光致发声器件(6)设置在接收端目标上，在接收到编码激光后，产生相应的声音信息；同时，当光致发声器件(6)所在位置有声音时，声音会引起光致发声器件(6)的振动，并产生带有多普勒频率的回波信号；
步骤6、发送端的光电探测器(7)实时接收步骤3中产生的侦听激光和步骤5中产生的回波信号并进行解析，将多普勒频移信息转化为相应的光电流信号；
步骤7、通过分析光电流信号中携带的多普勒频移量，从而还原接收端的声音信息。
8.一种采用权利要求2所述的双向光声通信系统的通信方法，其特征在于，
步骤一、发送端采集所要发送的声音信息的频域信号；
步骤二、对所述频域信号进行编码，转化为相应的时域信号；
步骤三、根据时域信号对第二编码激光器(9)的激光强度进行调制，输出相应时域波形，且线宽＜1MHz的编码激光；并且分为两路，一路编码激光通过跟瞄发射转台(5)照射至光致发声器件(6)上；另一路发射至光电探测器(7)；
步骤四、设有光声特性材料的光致发声器件(6)设置在接收端目标上，在接收到编码激光后，产生相应的声音信息；同时，当光致发声器件(6)所在位置有声音时，声音会引起光致发声器件(6)的振动，并产生了带有多普勒频率的回波信号；
步骤五、发送端的光电探测器(7)实时接收步骤三中产生的编码激光和步骤五中产生的回波信号，并将多普勒频移信息转化为相应的光电流信号；
步骤六、通过分析光电流信号中携带的多普勒频移量，从而还原接收端的声音信息。
9.如权利要求7或8所述的通信方法，其特征在于，所述光致发声器件(6)上的光声特性材料为石墨烯材料。
10.如权利要求7或8所述的通信方法，其特征在于，所述光致发声器件(6)上的光声特性材料为水蒸气。
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