[发明专利]一种基于光纤迈克尔逊干涉仪的声源定位系统

权利要求书

1.一种基于光纤迈克尔逊干涉仪的声源定位系统，其特征在于，由N个光纤迈克尔逊干涉仪构成的阵列系统，具体包括：分布式反馈激光器，1×N分束器，N个3×3光纤耦合器，N个参考臂光纤线圈，N个传感臂光纤线圈：S₁，S₂,… ,S_N，2N个法拉第旋转镜，2N个PIN型光电探测器：PINA_i和PINB_i，i=1，2，… ,N，数据采集设备DAQ和装有声源定位软件的计算机；PINA_i和PINB_i为第i个传感器对应的两路输出信号的光电探测器；

其中，计算机与数据采集设备之间，数据采集设备分别与PINA_i和PINB_i之间，由电缆连接；分布式反馈激光器与1×N分束器之间，1×N分束器与N个3×3光纤耦合器之间，N个3×3光纤耦合器与N个参考臂光纤线圈之间，N个3×3光纤耦合器与N个传感臂光纤线圈：S₁，S₂,… ,S_N之间，N个参考臂光纤线圈和N个传感臂光纤线圈：S₁，S₂,… ,S_N分别与2N个法拉第旋转镜之间，由单模光纤依次对应连接；

工作时，光源发出的光经1×N分束器被均分成N束，分别进入N个不同的迈克尔逊干涉仪进行干涉，每个光纤迈克尔逊干涉仪均看作一个阵列单元，由于每个阵列单元到达声源的位置不同，到达阵列单元的信号之间存在到达时间差TDOA；根据TDOA并通过建立几何模型便计算得到声源的位置；其中，干涉信号通过PIN光电探测器进行采集，并输入到计算机，通过有声源定位软件实现声源定位计算；

所述声源定位软件包含如下算法：

设有一个频率为ω的外界扰动施加到系统时，在光纤中产生一个相位变化：

（1）

为初始相位，具有相位差的光在耦合器中汇合时发生干涉，得到干涉光如下：

（2）

A_i、B_i为与输入光功率大小有关的常量，通过对PIN光探测器采集到的干涉信号进行解调，得到相位信号，从而进一步分析得到外部声压信号；

设x₀(t) x₂(t) x₃(t)...x_M-1(t)表示各迈克尔逊干涉仪探头接收到的信号，由于到声源的距离不同，到达阵列单元的信号之间存在到达时间差TDOA；根据TDOA并通过建立几何模型计算得到声源的位置：

在检测到干扰信号并传输到计算机后，通过解调提取相位信号；当发生大的扰动时,动态范围的会超过2π，此时，式(2)中的I_Ai(t)和I_Bi(t)根据三角函数的性质得到它们的最大值和最小值；利用这些最大值和最小值以及反三角函数能够计算出相位信号，而相位信号就代表了传感器接收到的声音信号；

声源和传感器探头之间的距离是不同的，所以声音从声源到每个探头的传播时间是不同的，用t_i表示；将声源信号简化为s(t)，则到各探头i的信号表示为：

（3）

其中，是声压衰减因子，是传播过程中的外加噪声；由于实际获取的信号是离散的，计算时用n代替t：

（4）

其中，i=0, 1, …, M-1，N代表信号的采样点，信号的互相关函数计算如下：

（5）

将式(4)代入(5)，展开如下：

（6）

在计算时可以忽略式(6)中最后三个分量；式(6)简化为：

（7）

当时，取最大值；因此，根据互相关函数的峰值得到两路信号的时延；

为了减少互相关函数的计算量，在进行时延估计之前对信号进行拦截，采用端点检测算法获取某一信号段的起始点；截取20毫秒的信号段进行互相关计算；

设声源坐标为(x, y, z)，传感光纤线圈坐标为(xi, yi, zi)，则方程为：

（8）

其中，di为声源与传感器探头i之间的距离，v是空气中的声速；将式(8)中探头i和探头i +1的两个方程相减，得到如下矩阵方程：

（9）

求解该矩阵方程，得到声源的-坐标位置，实现系统的声源定位功能。