噪声环境下的声音信号拾取装置、方法及智能终端设备与流程

本发明涉及声音处理领域，特别涉及一种噪声环境下的声音信号拾取装置、方法及智能终端设备。

背景技术：

智能家居正逐渐走进人们的生活，未来有望迎来爆发式的增长。触控、手势和语音是目前智能设备与人交互的三大方式，其中语音交互在家居场景中，更加便捷，所以更受青睐。

目前智能硬件的语音交互受到距离、背景噪音、回声、混响等多重复杂因素影响。在近距离条件下具有较好的识别效果，但是在远距离条件下，例如3～10米甚至更远的距离，识别率降低很多以致无法使用。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种噪声环境下的声音信号拾取装置、方法及智能终端设备，通过锁相方法将声光移频器的同步信号和光电探测信号同步的方法能有效降低该随机相位噪声误差，提高探测精度。

第一方面，一种噪声环境下的声音信号拾取装置，包括激光干涉系统、具有同步信号输出的声光移频器、锁相放大器、光电探测器、正交解调器以及信号处理系统，所述激光干涉系统至少包括激光器、第一分束镜、第二分束镜以及第三分束镜，由所述激光器发出的激光经过所述第一分束镜后分成透射光束和折射光束，所述投射光束经过所述第二分束镜后照射在被测物体上产生漫反射光束，所述漫反射光束经过所述第二分束镜、所述第三分束镜反射至所述光电探测器，所述折射光束入射至所述声光移频器进行固定频率偏移后经由所述第三分束镜透射至所述光电探测器，所述折射光束和所述漫反射光束两路光干涉产生干涉信号进入所述光电探测器转化为电信号，所述声光移频器输出所述同步信号经锁相放大器放大四倍频产生正交解调所需的本振信号，所述正交解调器利用所述本振信号对所述电信号进行解调后向所述信号处理系统输出两个正交信号，所述信号处理系统对所述两个正交信号进行处理获得被测物体的位移信号。

可选地，所述信号处理系统具体用于对两个正交信号的比值求反正切并反折叠处理获得被测物体的位移信号。

可选地，所述透射光束照射到被测物体产生多普勒频移的频移量δf与被测物体速度v之间的关系为：δf＝2v/λ，其中，λ为激光的波长。

可选地，光波相位变化360°对应被测物体的位置移动λ/2。

可选地，所述锁相放大器输出四倍频信号作为正交解调器的本振信号。

可选地，所述光电探测器采用雪崩光电二极管。

可选地，所述激光器采用波长为633nm的激光器，相位每变化一度对应振动位移为0.88nm。

第二方面，一种噪声环境下的声音信号拾取方法，应用于上述噪声环境下的声音信号拾取装置，所述方法包括：

由激光器发出的激光经过第一分束镜后分成透射光束和折射光束，所述投射光束经过第二分束镜后照射在被测物体上产生漫反射光束，所述漫反射光束经过所述第二分束镜、第三分束镜反射至光电探测器；

所述折射光束入射至声光移频器进行固定频率偏移后经由所述第三分束镜透射至光电探测器，所述折射光束和所述漫反射光束两路光干涉产生干涉信号进入所述光电探测器转化为电信号；

声光移频器输出同步信号经锁相放大器放大四倍频产生正交解调所需的本振信号；

正交解调器利用所述本振信号对所述电信号进行解调后向信号处理系统输出两个正交信号；

所述信号处理系统对所述两个正交信号进行处理获得被测物体的位移信号。

可选地，所述信号处理系统对所述两个正交信号进行处理获得被测物体的位移信号，包括：

所述信号处理系统对两个正交信号的比值求反正切并反折叠处理获得被测物体的位移信号。

第三方面，一种智能终端设备，具有如上述的噪声环境下的声音信号拾取装置。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例提供的噪声环境下的声音信号拾取装置、方法及智能终端设备，通过锁相方法将声光移频器的同步信号和光电探测器的电信号同步，能获得更高的相位稳定性，从而提高系统的振动位移解调精度，提高声音的信噪比和检测极限，有效降低该随机相位噪声误差，提高探测精度和识别率。

附图说明

图1是本发明实施例中的噪声环境下的声音信号拾取装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中的噪声环境下的声音信号拾取方法的流程图。

附图标记：

激光器1、第一分束镜11，第二分束镜12，第三分束镜13，声光移频器2、锁相放大器3、光电探测器4、正交解调器5、信号处理系统6。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

结合图1所示，本发明实施例中提供一种噪声环境下的声音信号拾取装置，包括激光干涉系统、具有同步信号输出的声光移频器2、锁相放大器3、光电探测器4、正交解调器5以及信号处理系统6，所述激光干涉系统至少包括激光器1、第一分束镜11、第二分束镜12以及第三分束镜13，由所述激光器1发出的激光经过所述第一分束镜11后分成透射光束和折射光束，所述投射光束经过所述第二分束镜12后照射在被测物体上产生漫反射光束，所述漫反射光束经过所述第二分束镜12、所述第三分束镜13反射至所述光电探测器4，所述折射光束入射至所述声光移频器2进行固定频率偏移后经由所述第三分束镜13透射至所述光电探测器4，所述折射光束和所述漫反射光束两路光干涉产生干涉信号进入所述光电探测器4转化为电信号，所述声光移频器2输出所述同步信号经锁相放大器锁相放大器3放大四倍频后产生正交解调所需的本振信号，所述正交解调器5利用所述本振信号对所述电信号进行解调后向所述信号处理系统6输出两个正交信号，所述信号处理系统6对所述两个正交信号进行处理获得被测物体的位移信号，通过声光移频器2同步信号传递给锁相放大器3，锁相放大器3输出四倍频信号，作为正交解调器5的本振信号，提高了相位稳定性及相位解调精度；另外，激光干涉系统采用外差干涉原理将激光进行移频干涉，光电探测器4用来探测干涉强度，并传递两个正交信号给信号处理系统6，信号处理系统6对两个正交信号的比值求反正切并反折叠从而获得被测振动体的位移信号，与传统的直接给正交解调器5本振信号相比，本方案能获得更高的相位稳定性，从而提高系统的振动位移解调精度，提高声音的信噪比和检测极限。

对于外差干涉原理是指使用两种不同频率的单色光作为测量光束和参考光束，通过光电探测器4的混频，输出差频信号(受光电探测器4频响的限制，频差一般在100兆赫以内)，被测物体的变化如位移、振动、转动、大气扰动等引起的光波相位变化或多普勒频移载于差频上，经解调即可获得被测数据，本领域普通技术人员应当了解对此不作赘述。

需要说明的是，对于前面提到的反折叠处理，可以采用matlab工具软件中的unwrap(w)解卷绕，使相位在pi处不发生跳变，从而反应出真实的相位变化，本领域普通技术人员应当了解，具体不作赘述。

本实施例中，光电探测器4采用雪崩光电二极管，雪崩光电二极管是一种p-n结型的光检测二极管，其中利用了载流子的雪崩倍增效应来放大光电信号以提高检测的灵敏度，本领域普通技术人员还可以采用其他类似元器件，对此不做限定。

可选地，所述激光器1采用波长为633nm的激光器，例如氦氖激光器、氪离子激光器等，相位每变化一度对应振动位移为0.88nm，对此不做限定。

可选地，本实施例中提到的第一分束镜11，第二分束镜12，第三分束镜13可以采用相同规格的分束镜，分束镜主要用于将入射光束分成具有一定光强比的透射与反射两束光，有固定分束比分束镜和可变分束比分束镜两类。可变分束比分束镜又有阶跃和连续暂变之分，分束镜的结构式是把膜层镀在45°的直角棱镜斜面上，再胶合一个同样形状的棱镜，构成胶合立方体，本领域普通技术人员应当了解，具体不作赘述。

本发明提供的噪声环境下的声音信号拾取装置的一种工作场景可以是这样的，激光器1发出的激光经分束镜分为两路，一路照射到被测物上，激光产生漫反射并返回系统，另一路经声光移频器2偏移固定频率，两路光产生干涉，干涉信号经雪崩探测器转化为电信号，激光照射到被测物体上会产生多普勒频移，频移量δf与被测物体速度之间的关系为：δf＝2v/λ，其中，λ为激光的波长，通过正交解调可以获得被测物体振动的位移、速度和加速度信号。本发明中，声光移频器2输出的同步信号经锁相放大器3放大四倍频产生正交解调所需本振信号，正交解调器5解调后对i信号、q信号的比值求反正切并反折叠获得相位信息，由于激光被反射一次，故光波相位变化360°对应被测物体的位置移动λ/2，该方案与传统的直接给正交解调器5本振信号相比，能获得更高的相位稳定性，从而提高系统的振动位移解调精度，提高声音的信噪比和检测极限。

结合图2所示，对应地，本发明提供一种噪声环境下的声音信号拾取方法，应用于上述噪声环境下的声音信号拾取装置，所述方法包括：

s201、由激光器发出的激光经过第一分束镜后分成透射光束和折射光束，所述投射光束经过第二分束镜后照射在被测物体上产生漫反射光束，所述漫反射光束经过所述第二分束镜、第三分束镜反射至光电探测器；

s202、所述折射光束入射至声光移频器进行固定频率偏移后经由所述第三分束镜透射至光电探测器，所述折射光束和所述漫反射光束两路光干涉产生干涉信号进入所述光电探测器转化为电信号；

s203、声光移频器输出同步信号经锁相放大器放大四倍频产生正交解调所需的本振信号；

s204、正交解调器利用所述本振信号对所述电信号进行解调后向信号处理系统输出两个正交信号；

s205、所述信号处理系统对所述两个正交信号进行处理获得被测物体的位移信号。

在步骤s204中，所述信号处理系统对两个正交信号的比值求反正切并反折叠处理获得被测物体的位移信号。

对应地，本发明还提供一种智能终端设备，具有如上述的噪声环境下的声音信号拾取装置，智能终端设备可以为智能家居设备，如扫地机器人，还可以使看护机器人、接待机器人等，通过采用上述的噪声环境下的声音信号拾取装置可以进行远距离语音交互，具有较好的识别效果，提升对用户指令的响应速度。

本发明实施例提供的噪声环境下的声音信号拾取装置、方法及智能终端设备，通过锁相方法将声光移频器的同步信号和光电探测器的电信号同步，能获得更高的相位稳定性，从而提高系统的振动位移解调精度，提高声音的信噪比和检测极限，有效降低该随机相位噪声误差，提高探测精度和识别率。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(rom，readonlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁盘或光盘等。

以上对本发明所提供的一种噪声环境下的声音信号拾取装置、方法及智能终端设备进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。