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转让专利
申请号 : CN202011567195.X
文献号 : CN112763050B
文献日 : 2022-03-18
发明人 : 胡雨晗 , 宋秋衡 , 彭和阔 , 吴红艳 , 贾波
申请人 : 复旦大学
摘要 :
权利要求 :
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。
说明书 :
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
技术领域
背景技术
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
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;
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。
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。
可以得到:
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。
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。
到散粒噪声带来的噪声变化的难题。
附图说明
感光纤;10为参考光纤。
具体实施方式
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。