基于光纤光弹效应的强电磁干扰环境下的语音通信方法与流程

本发明涉及一种语音通信方法，尤其涉及一种基于光纤光弹效应的强电磁干扰环境下的语音通信方法，属于光纤传感和光纤通信技术领域。

背景技术：

在强烈电磁干扰环境下，传统的基于电磁器件的通信方式和器材受到干扰而无法有效工作。例如，传统的话筒或拾音器需要将空气中的声波信号转换为电信号，再将该电信号调制成电磁波无线传输，或者调整成光信号通过光缆远程传输。如果采用一种调制方法，不经过电磁信号转换，直接将声波信号调制为不受电磁干扰影响的光信号并远程传输，将能够实现强烈电磁干扰环境下的语音通信，成为人们的迫切需求。

为了解决上述问题，在申请号为201610632190.8的专利申请文件中，公开了一种近场通信系统抗电磁干扰材料的制备方法，属于抗电磁干扰材料制备技术领域。以天然树脂阿拉伯胶对碳纤维进行表面改性，再用植物油在沼泽液的作用下对纳米镍粉进行发酵改性，再以改性后的碳纤维和纳米镍粉为填料和聚丙烯混炼制得抗电磁干扰材料的方法。该方法的有益效果是：通过天然树脂对碳纤维表面改性，再用植物油对纳米镍粉表面改性，复配后充分利用了碳纤维的导电性和镍粉的电磁性，有效解决了目前填充型聚合物抗电磁干扰材料虽然具有成本低、性质稳定、耐腐蚀的优点，但是存在导电性差、填充料与聚合物基体间粘接性差、分散不均匀导致材料力学性能差的问题。

现有方法希望通过对近场通信系统抗电磁干扰材料的制备来降低强电磁环境下对语音通信的干扰。但是，抗干扰效果并不十分明显，而且抗干扰材料的制备过程非常繁琐，不能很好的满足现在强电磁干扰唤醒夏的语音通信的需求。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于光纤光弹效应的强电磁干扰环境下的语音通信方法。

为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种基于光纤光弹效应的强电磁干扰环境下的语音通信方法，包括如下步骤：

s1，解调终端通过传输光缆向待测区域内的全光纤传感终端发射初始光信号；

s2，当待测区域内的人员讲话时，产生的声波信号通过介质对全光纤传感终端的传感光纤形成扰动，根据光纤光弹效应，对传感光纤内部传输的初始光信号进行相位调制；

s3，所述全光纤传感终端通过传输光缆将该调制后的光信号回传到解调终端；在解调终端内部进行处理，得到待测区域内语音信号。

其中较优地，所述全光纤传感终端包括传感光纤、反射镜(32)、光预处理模块；

所述传感光纤分别与所述反射镜(32)和所述光预处理模块相连接。

其中较优地，所述传感光纤由纤芯、包层、涂覆层组成。

其中较优地，所述光预处理模块包括3×3光纤耦合器(331)、2×2光纤耦合器(332)、2×2光纤耦合器(333)、光纤延迟线(334)、反射镜(335)、光纤跳线(336)、光纤跳线(337)、光纤跳线(338)；其中，光纤跳线(336)连接3×3光纤耦合器(331)和2×2光纤耦合器(332)，光纤跳线(337)连接3×3光纤耦合器(331)和2×2光纤耦合器(333)，光纤跳线(338)连接2×2光纤耦合器(333)和2×2光纤耦合器(332)，光纤延迟线(334)连接2×2光纤耦合器(333)和反射镜(335)。

其中较优地，在步骤s3中，根据光纤光弹效应，对传感光纤内部传输的初始光信号进行相位调制，包括如下步骤：

解调终端发出宽光谱的初始光信号到达全光纤传感终端后，光能量被3×3光纤耦合器(331)分为3个光分量，只使用以下的两个光分量；

(a)进入跳线(336)的光分量直接进入2×2光纤耦合器(332)中；

(b)进入跳线(337)的光分量进入2×2光纤耦合器(333)中，经过光纤延迟线(334)到达反射镜(335)被反射后原路返回2×2光纤耦合器(333)，在光纤延迟线(334)上往返经过后产生了延时τ；从2×2光纤耦合器(333)输出后经由跳线(338)进入2×2光纤耦合器(332)中；

所述两个光分量在2×2光纤耦合器(332)中合并后进入传感光纤；

所述两个光分量向前传播，遇到传感光纤末端的反射镜(32)，被反射后沿传感光纤原路向后传播，至2×2光纤耦合器(332)后，原来具有时间差τ的两个光分量被再次分光后分别通过没有延时的跳线(336)和具有延时的跳线(338)、具有延时的跳线(337)，并进入3×3光纤耦合器(331)中合并，完成对传感光纤内部传输的初始光信号进行相位调制。

其中较优地，所述原来具有时间差τ的两个光分量被再次分光后分别通过没有延时的跳线(336)和具有延时的跳线(338)、具有延时的跳线(337)后，在全光纤传感终端中产生4个光分量，当解调终端采用宽光谱光源时，光波的相干长度小于光纤延迟线(334)的长度；得到满足相干条件的光分量如下：

(1)向前传播时具有延时τ，向后返回时没有延时：331-337-333-334-335-334-333-338-332-31-32-31-332-336-331；

(2)向前传播时没有延时，向后返回时具有延时τ：331-336-332-31-32-31-332-338-333-334-335-334-337-331；

其中，31为传感光纤，32为反射镜(32)，33为光预处理模块，331为3×3光纤耦合器(331)，332为2×2光纤耦合器(332)，333为2×2光纤耦合器(333)，334为光纤延迟线，335为反射镜(335)，336为光纤跳线(336)，337为光纤跳线(337)，338为光纤跳线(338)；

光分量(1)和(2)进入3×3光纤耦合器(331)中合并。

其中较优地，在步骤s3中，在解调终端内部进行处理，得到待测区域内语音信号，包括如下步骤：

当全光纤传感终端周围环境中有声音信号时，有光波相位调制产生，由于外界扰动形成的光程变化量为l(t)；

所述满足相干条件的光分量在经过传感光纤时具有时间差τ，计算形成的光程差：l(t+τ)-l(t)；

根据全光纤干涉系统的工作原理，所述光程差的变化在干涉系统中形成的干涉相位可表示为

其中，表示扰动引起的光程变化率，λ为光的波长，τ为光纤延迟线(334)引起的时间延迟；

则滤除掉直流成分后，最终在解调终端中探测到的对应光信号分量为：

其中a(t)和b(t)是受温度影响的缓变量，短时间内可视为恒定不变，φ是系统的初始相位，为一个没有量纲的常数；

根据光程差的变化在干涉系统中形成的干涉相位和解调终端中探测到的对应光信号分量求得反映相位变化速率的物理量l'(t)，通过积分运算，对全光纤传感终端周围环境中语音信号进行还原，得到待测区域内语音信号。

本发明所提供的基于光纤光弹效应的强电磁干扰环境下的语音通信方法，利用全光纤传感终端中的传感光纤对周围环境中的语音信号提取，利用传输光缆将这些信号采集并返回解调终端，经过相应的分析处理后真实还原，实现单向的语音通信。本发明传感区域全部由光纤无源器件组成，不含任何电子元器件，灵敏度高、监测范围广、具有很强的抗干扰性，可以很好的满足强电磁干扰环境下的语音通信需求。

附图说明

图1为本发明所提供的实施例中，光纤光弹效应引起光波相位变化的示意图；

图2为本发明所提供的基于光纤光弹效应的强电磁干扰环境下的语音通信方法的流程图；

图3为本发明所提供的实施例中，基于光纤光弹效应的强电磁干扰环境下的语音通信方法的结构示意图；

图4为本发明所提供的第二实施例中，全光纤传感终端的结构示意图。

图中标号：1.解调终端，2.传输光缆，3.全光纤传感终端，31.传感光纤，32.反射镜，33.光预处理模块，331.3×3光纤耦合器，332.2×2光纤耦合器，333.另一个2×2光纤耦合器，334.光纤延迟线，335.另一个反射镜，336.光纤跳线，337.光纤跳线，338.光纤跳线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细具体的说明。

第一实施例

一种基于光纤光弹效应的强电磁干扰环境下的语音通信方法，具体包括如下步骤：首先解调终端中的光源模块发出初始光信号，经过传输光缆后到达位于待测区域的全光纤传感终端，由全光纤传感终端内包含的传感光纤作为传感语音信号的敏感元件，利用光纤光弹效应，实现语音信号对传感光纤内初始光信号的调制作用。被调制后的光信号再经过传输光缆回传到解调终端，进行相应的解调和分析处理。传输光缆根据具体铺设情况可以延伸至数十公里，在传输光缆的沿线可以根据语音通信的需要，在响应的位置引出内部的光纤构建全光纤传感终端，实现语音通信。下面对这一过程新型详细的描述。

在本发明所提供的第一实施例中，基于光纤光弹效应的强电磁干扰环境下的语音通信方法基于解调终端、传输光缆和全光纤传感终端实现。其中，解调终端位于远离现场的监控中心，全光纤传感终端位于待测区域，传输光缆连接解调终端和全光纤传感终端；全光纤传感终端全部由不需要电力供应、不受电磁干扰影响的光纤无源器件构成，全光纤传感终端内包含传感光纤，具有接收待测区域内语音信号调制的作用，即利用光纤的光弹效应，实现对周围环境中语音信号的采集。光弹效应，也称为“弹光效应”，是指介质由于受到外力作用而产生弹性形变，从而引起几何形状和折射率的变化。如图1所示，将传感光纤置于声波环境中，当声源发出的声波在介质中传播时，遇到传感光纤，引起传感光纤微小的弹性形变，包括长度方向上的伸缩，和横截面上的形状变化。由于光弹效应的影响，这一段光纤的折射率将会发生改变，导致光信号通过时，受到了声波信号的调制。当受到调制的光信号回到解调终端后，根据受到调制光信号的不同类型，解调终端采取相应的解调措施，即可实现对声波信号的还原。

本发明所提供的实施例中，传感光纤，是为了满足高灵敏度要求而去掉多余保护层的光纤，由纤芯、包层、涂覆层组成，亦包括在不影响其灵敏度的前提下而增加的其他保护结构。声音传播介质，包括空气、水、墙壁等，是指根据传感光纤的布设方式和周围环境，通过这些传播介质，能够将环境中的各种语音信息传递到布设在空气中、放置于水下、或者附着在墙壁上的传感光纤。对光信号的调制，是指当光信号通过监测区域时，在光纤光弹效应的影响下，光波的光程发生了变化，实现对光波的相位调制。本发明所提供的实施例中，对信号的解调和分析处理，是指通过构建相应的干涉光路实现对传感信号的解调，将光波的相位变化转换为光强的变化，进而转换为电信号进行处理。

解调终端由光源模块、光电转换模块、数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块、软件模块等组成，其中光源模块实现光信号的发射功能，光电转换模块实现光信号的接收并将其转换为电信号的功能，数据采集模块实现电信号的采集并进行模数转换的功能，数据处理模块实现传感信号的解调和对数据的计算、分析、处理等功能，数据显示模块实现人机交互、显示、报警等功能，软件模块实现算法、控制程序、交互界面等功能；所述传输光缆，为现有铺设完备的通信光缆，具有连接解调终端和多个全光纤传感终端，在两者之间相互传递光信号的作用。

本发明利用全光纤传感终端中的传感光纤对周围环境中的语音信号提取，利用传输光缆将这些信息采集并返回解调终端，经过相应的分析处理后真实还原，实现对大范围待测区域内人员的(单向)语音通信。本发明主要由光纤无源器件组成，不含任何电子元器件，无需电能供应，不辐射电磁波，也不受电磁干扰影响，反侦听，本质安全，绿色环保，适用于军事、公安、安防、安全生产等领域。

第二实施例

如图2所示，本发明提供一种基于光纤光弹效应的强电磁干扰环境下的语音通信方法，包括如下步骤：解调终端1通过传输光缆2向全光纤传感终端3发射初始光信号；当待测区域内人员讲话时，产生的声波信号通过各种介质对全光纤传感终端的传感光纤31形成扰动；根据光纤光弹效应，从而对解调终端1的传感光纤31内部传输的初始光信号进行相位调制；然后，全光纤传感终端3通过传输光缆2，将该调制后的光信号回传到解调终端1；最后，在解调终端1内部进行光电转换、信号采集、分析处理、显示与报警等功能，从而完成对待测区域内语音信号的解调与监听。下面对这一过程结合具体的实施例进行详细的说明。

s1，解调终端1通过传输光缆2向待测区域内的全光纤传感终端3发射初始光信号。

如图3所示，本发明所提供的基于光纤光弹效应的强电磁干扰环境下的语音通信方法由解调终端1、传输光缆2和全光纤传感终端3三部分来实现，其中，解调终端1位于远程的监控中心内，包括光源模块、光电转换模块、数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块和软件模块，其中光源模块实现光信号的发射功能，光电转换模块实现光信号的接收并将其转换为电信号的功能，数据采集模块实现电信号的采集并进行模数转换的功能，数据处理模块实现传感信号的解调和对数据的计算、分析、处理等功能，数据显示模块实现人机交互、显示、报警等功能，软件模块实现算法、控制程序、交互界面等功能。全光纤传感终端3位于需要语音通信的待测区域，传输光缆，为现有铺设完备的通信光缆，具有连接解调终端和多个全光纤传感终端，在两者之间相互传递光信号的作用。在本发明所提供的实施例中，传输光缆2连接解调终端1和全光纤传感终端3。

将解调终端1放置在远离待测区域的远程监控中心内；传输光缆2一端连接解调终端1，另一端延伸至需要语音通信的待测区域。在待测区域剥开传输光缆2，制作全光纤传感终端3。在全光纤传感终端3中包含一段传感光纤31，传感光纤31通常盘绕成环装。通信开始前，解调终端1通过传输光缆2向全光纤传感终端3发射初始光信号，以便于后期通过初始光信号的变化获取语音通信信息。

s2，当待测区域内的人员讲话时，产生的声波信号通过介质对全光纤传感终端的传感光纤31形成扰动，根据光纤光弹效应，对传感光纤31内部传输的初始光信号进行相位调制。

当待测区域内的人员讲话时，产生的声波信号通过介质对全光纤传感终端的传感光纤31形成扰动，根据光纤光弹效应，这一段光纤的折射率将会发生改变，导致传感光纤31内部传输的初始光信号受到了声波信号的调制。当受到调制的光信号回到解调终端后，根据受到调制光信号的不同类型，解调终端采取相应的解调措施，即可实现对声波信号的还原。

全光纤传感终端3如图4，其中包括传感光纤31、反射镜32、光预处理模块33；光预处理模块33中包括3×3光纤耦合器331、2×2光纤耦合器332、2×2光纤耦合器333、光纤延迟线334、反射镜335、光纤跳线336、光纤跳线337、光纤跳线338，其中光纤跳线336连接3×3光纤耦合器331和2×2光纤耦合器332，光纤跳线337连接3×3光纤耦合器331和2×2光纤耦合器333，光纤跳线338连接2×2光纤耦合器333和2×2光纤耦合器332，光纤延迟线334连接2×2光纤耦合器333和反射镜335。

应用本发明时，将解调终端1放置于远程的监控中心内，传输光缆2一端连接解调终端1，另一端延伸至待测区域，并根据待测区域的具体情况进行分布。在需要进行语音通信的地点，将传输光缆2剥开，引出三芯光纤(一芯发射、两芯接收光信号)，接入全光纤传感终端3。

本发明所提供的第二实施例的光路特征是：解调终端1发出宽光谱的初始光信号，通过传输光缆2到达全光纤传感终端3。在全光纤传感终端3中，光能量被3×3光纤耦合器331分为3个光分量，只使用其中的两个光分量；

(a)其中进入跳线336的光分量直接进入2×2光纤耦合器332中；

(b)进入跳线337的光分量进入2×2光纤耦合器333中，经过光纤延迟线334到达反射镜335被反射后原路返回2×2光纤耦合器333，在光纤延迟线334上往返经过后产生了延时τ；从2×2光纤耦合器333输出后经由跳线338进入2×2光纤耦合器332中。

上述两个光分量在2×2光纤耦合器332中合并后进入传感光纤31，因此，在传感光纤31内部传播的是两个具有时间差τ的光分量，这两个光分量经过一定距离的向前传播后，遇到传感光纤31末端的反射镜32，被反射后沿传感光纤31原路向后传播，至2×2光纤耦合器332后，原来具有时间差τ的两个光分量被再次分光后分别通过没有延时的跳线336和具有延时的跳线338/337，并进入3×3光纤耦合器331中合并，合并后进入传输光缆2，并通过传输光缆2回到解调终端1中。

光预处理模块33在本实施例中起到分离传感系统和传输系统的作用。光预处理模块33一端连接的传感光纤31，能够感知待测区域环境中的语音信号，起到传感的作用；当光分量往返两次通过光预处理模块33时，经过分束、合束、延迟等光学预处理作用，之后再回到光预处理模块33另一端的传输光缆2，此时传输光缆2仅仅起到传输光信号的作用，其内部的光信号不再受周围环境中语音信息的影响。

在全光纤传感终端3中一共产生如下的4个光分量：

(1)向前传播时具有延时τ，向后返回时没有延时：331-337-333-334-335-334-333-338-332-31-32-31-332-336-331；

(2)向前传播时没有延时，向后返回时具有延时τ：331-336-332-31-32-31-332-338-333-334-335-334-337-331；

(3)向前传播和向后返回都没有延时：331-336-332-31-32-31-332-336-331；

(4)向前传播和向后返回都具有延时τ：331-337-333-334-335-334-333-338-332-31-32-31-332-338-333-334-335-334-337-331。

因为采用宽光谱光源，使得光波的相干长度小于光纤延迟线334的长度，因此，上述4个光分量中，只有光分量(1)和(2)满足相干条件，产生干涉后的光信号被解调终端1接收并分析处理，解调出待测的声音信号。

s3，全光纤传感终端3通过传输光缆2，将该调制后的光信号回传到解调终端1。在解调终端1内部进行光电转换、信号采集、分析处理、显示与报警等功能，从而完成对待测区域内语音信号的解调与监听。

全光纤传感终端3周围环境中的各种声音信号，可看作是对传感光纤31的扰动，根据光纤光弹效应，从而对传感光纤31中传播初始光信号的相位进行调制。在周围环境没有对传感光纤31产生光波相位调制的情况下，光分量(1)和(2)在经过传感光纤31后，走过的光程完全相同。

当有光波相位调制产生的时候，定义这种由于外界扰动形成的光程变化量为l(t)，则l(t)与扰动成正比关系。光分量(1)和(2)在经过传感光纤31时具有时间差τ，所形成的光程差为l(t+τ)-l(t)。根据全光纤干涉系统的工作原理，这个光程差的变化在干涉系统中形成的干涉相位可表示为

其中，表示扰动引起的光程变化率，与光纤的光弹特性有关，λ为光的波长，τ为光纤延迟线334引起的时间延迟。假设3×3耦合器331处于理想状态，三路等分光，无损耗，不受偏振态影响，三路信号之间相位差均为120°，则滤除掉直流成分后，最终在解调终端1中探测到的对应光信号分量为：

其中a(t)和b(t)是受温度影响的缓变量，短时间内可视为恒定不变，φ是系统的初始相位，为一个没有量纲的常数，在理想状态下为根据式(1)和式(2)可求得反映相位变化速率的物理量l'(t)，通过积分运算，最终实现对全光纤传感终端3周围环境中语音信号的真实还原。

本发明利用全光纤传感终端中的传感光纤对周围环境中的语音信号提取，利用传输光缆将这些信号采集并返回解调终端，经过相应的分析处理后真实还原，实现单向的语音通信，其突出特点是：

1.灵敏度高，监测范围广。光纤的尺寸非常细小，通光口径更小，例如通信用单模光纤的外径为245μm，通光直径仅有8μm左右，声波在介质中传播时产生的声压作用在如此细小的结构时，会产生较明显的弹性形变，相对于麦克风等电子类装置，该方法具有非常高的灵敏度，其单点监测的有效范围也大很多。

2.本质安全、绿色节能，低碳环保。本发明中除了解调终端需要电力供应外，其余长达几十公里范围内的传输光缆和传感终端全部由光纤无源器件组成，不具有引起危险的物理基础，在工作时无电流通过，不辐射电磁波，不会产生电火花、漏电、短路、发热等现象；传输光缆和传感终端仅通过光纤器件传输光能，能量损耗极小，可传输长达数十公里无需外界能源供应而长期运行。

3.抗电磁干扰、反侦听。本发明工作时，在监听区域内不发射电磁波，通过常规的电磁侦听方法无法探查到；不包含电子元器件，也不会受到环境中人为的和自然的电磁干扰的影响。

4.环境适应性强。本发明在监听区域内的部分全部由无源光纤器件组成，可在潮湿、水下、高温、腐蚀等各种恶劣环境下长期稳定工作。

5.和现有光通信系统复用。本发明可利用通信光缆中的冗余光纤，或通过多种复用方式共用传输光缆部分，直接利用现有的布设完备的通信光缆形成语音通信系统。

综上所述，本发明所提供的基于光纤光弹效应的强电磁干扰环境下的语音通信方法，解调终端通过传输光缆向待测区域内的全光纤传感终端发射初始光信号；当待测区域内的人员讲话时，产生的声波信号通过介质对全光纤传感终端的传感光纤形成扰动，根据光纤光弹效应，对传感光纤内部传输的初始光信号进行相位调制；全光纤传感终端通过传输光缆将该调制后的光信号回传到解调终端；在解调终端内部进行处理，得到待测区域内语音信号。本发明利用全光纤传感终端中的传感光纤对周围环境中的语音信号提取，利用传输光缆将这些信号采集并返回解调终端，经过相应的分析处理后真实还原，实现单向的语音通信。本发明传感区域全部由光纤无源器件组成，不含任何电子元器件，无辐射电磁波，也不受电磁干扰影响，适用于军事、公安、安防、安全生产等领域。

上面对本发明所提供的基于光纤光弹效应的强电磁干扰环境下的语音通信方法进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。