一种基于双光路的光子拾音方法及装置与流程

1.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：

2.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。


技术实现要素：

3.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。
4.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。
5.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；
6.其中测量光信号表示为：
[0007][0008]
参考光信号表示为：
[0009][0010]
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。
[0011]
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。
[0012]
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；
[0013]
其中返回的测量光信号表示为：
[0014][0015]
返回的参考光信号表示为：
[0016][0017]
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；
[0018]
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：
[0019][0020]
式中：p为光电探测器的光电转换效率；
[0021]
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。
[0022]
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：
[0023][0024]
式中：ω
c
为移频量；
[0025]
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。
[0026]
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；
[0027]
其中返回的测量光信号表示为：
[0028][0029]
返回的参考光信号表示为：
[0030][0031]
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；
[0032]
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：
[0033][0034]
式中：p为光电探测器的光电转换效率；
[0035]
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。
[0036]
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；
[0037]
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；
[0038]
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。
[0039]
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；
[0040]
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；
[0041]
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。
[0042]
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
[0043]
图1是本发明实施例2的装置结构示意图；
[0044]
图2是本发明实施例3的装置结构示意图。
[0045]
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
[0046]
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。
[0047]
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。
[0048]
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；
[0049]
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。
[0050]
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。
[0051]
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；
[0052]
其中测量光信号表示为：
[0053][0054]
参考光信号表示为：
[0055][0056]
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；
[0057]
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。
[0058]
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；
[0059]
其中返回的测量光信号表示为：
[0060][0061]
返回的参考光信号表示为：
[0062][0063]
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；
[0064]
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：
[0065][0066]
式中：p为光电探测器的光电转换效率；
[0067]
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。
[0068]
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；
[0069]
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。
[0070]
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。
[0071]
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；
[0072]
其中测量光信号表示为：
[0073][0074]
参考光信号表示为：
[0075][0076]
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。
[0077]
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：
[0078][0079]
式中：ω
c
为移频量；
[0080]
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。
[0081]
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；
[0082]
其中返回的测量光信号表示为：
[0083][0084]
返回的参考光信号表示为：
[0085][0086]
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；
[0087]
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：
[0088][0089]
式中：p为光电探测器的光电转换效率；
[0090]
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。
[0091]
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。