[发明专利]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

说明书

本发明属于光纤传感技术领域，具体为一种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。本发明语音监听系统是以现有语音监听系统为基础，加入了光环形器，将3×3光纤耦合器的连接光源的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；本发明利用散粒噪声与探测光强之间的比例关系，建立噪声平稳的声音提取方法。本发明方法无需实施干涉仪的工作点控制技术即可保证监听到的声音具有平稳的本底噪声，使该系统具有稳定的语音监听效果，并且保证了光纤语音传感器的抗电磁干扰能力及系统的简便性。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及基于迈克尔逊干涉仪的语音监听系统及其噪声平稳的声音提取方法。

背景技术

光纤传感具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、结构简单和耗电少等优点，在很多场合可以取代现有的电学传感器。基于迈克尔逊(Michelson)干涉仪的光纤传感语音监听系统具有体积小、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

本发明的目的在于提供一种能够平抑光电探测器散粒噪声引起的不稳定噪声的光迈克尔逊语音监听系统及其声音提取方法。

本发明提供的光迈克尔逊语音监听系统，即基于迈克尔逊干涉仪的语音监听系统，其光路结构如图1所示，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；

本发明的基于迈克尔逊光纤干涉仪的语音监听系统，是基于现有基于迈克尔逊光纤干涉仪的语音监听系统的，其中加入了光环形器，可以将3×3光纤耦合器的连接光源的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。

基于上述语音监听系统，本发明提出一种噪声平稳的声音提取算法，具体如下：

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。n_shi(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。

对三路信号进行去直流、振幅归一化处理，则可以表示为：