光纤声音采集系统

摘 要：科技的发展带来许多电磁干扰或射频干扰的恶劣环境，要想解决电磁干扰问题的，必须从本质上改变麦克风的工作模式。文章提出了利用激光的传输频带宽、通信容量大和抗电磁干扰能力强等优点，研制一种基于光相位干涉的高灵敏度声音采集系统。光纤声音采集能够传送非常高的声音质量，适用于多种恶劣环境下的声音采集。

关键词：光纤声音采集、干涉型光纤传感器

引言：

麦克风在声场和电场中起着重要的沟通界面，它可将声音信号传至任何地方或者记忆装置。传统型的使用电磁场或静电场来产生动作，外部的强电磁场影响会阻绝这些装置的功能。本项目研制的光纤声音采集系统是一种新颖的声音信号传感器，在反射式强度型光纤传感器的原理基础上，利用激光来采集声音信号，由于它与传统的麦克风有着本质的区别，所以在使用方面具有很大的优越性。系统由非导磁材料制成，其主要工作本体是光，即使在强电磁场或高射频环境中也能正常工作。把光纤应用于麦克风，充分利用了光纤传感器体积小、结构简单、灵敏度高、抗电磁干扰且光纤本身低损耗、耐腐蚀、安全可靠等优良特性。

1、系统结构

本系统利用干涉型光纤传感器的原理，开发基于光相位干涉的高灵敏度声音采集系统，由光纤传感探头、光路系统、光信号调制解调器等部分组成。

干涉型光纤传感器通常将被测量转化为光信号的相位，因此，相位测量是该类型传感器信号处理的基本要求。若直接对相位进行测量，那么有两个问题将限制系统的性能：一是系统受到环境的干扰时被测相位会产生随机漂移，从而引入测量误差，此外，相位漂移还会导致信号衰减；二是直接测相意味着直流检测，信号处理易受电路直流漂移的影响。针对这两个问题引出了相位生成载波技术。相位生成载波调制是在被测信号带宽以外的某一频带之外引入大幅度的相位调制，被测信号则位于调制信号的边带上，这样就把外界干扰的影响转化为对调制信号的影响，且把被测信号频带与低频干扰频带分开，以利于后续的噪声分离。

项目研制的光纤声音采集系统，在对传统Michelson干涉仪加以改进的基础上，通过构造由光纤耦合器和振动膜组成的动态Michelson干涉光路，能够将外界声压对振膜的作用转化为对光路相位的调制，得到的干涉光信号直接光电转换后即可解调还原声音信号。在多种干涉型光纤传感器的解调方法中，相位生成载波解调技术（PGC）由于是一种无源解调技术，并具有高灵敏度、大动态范围和好的线性度而得到广泛的应用。

2、系统原理

2.1光纤传感探头原理：

激光器发出的激光经耦合器到达传输光纤，由光纤出射的光束照射到振动膜上，传输光纤出射端面M1与振动膜构成一个干涉腔，从两表面反射回的光进行干涉，干涉光再经耦合器由光电探测器接收，外界声音信号通过改变干涉腔的光纤出射端面M1和振动膜之间的距离对光相位进行调制。系统中半导体激光器发出的光源光频随输入的调制电流线性变化，振动膜采用硅微技术进行研制。

2.2解调原理：

光纤声音采集系统中的调制解调器是由光源，光电转换器，高增益微弱信号放大电路，背景噪声消除器等组成。

光源向光纤传感头发射一稳定的激光，传感头内的振动薄膜被周围声音振动信号带动，从而对发射到振动薄膜上的激光进行相位调制后再反射回去，被调制的激光在光路系统里发生干涉，形成携带微弱声音强度的激光信号，光电转换系统的探测器将此激光信号转换成电信号，再经高增益微弱信号放大，PGC解调，噪声滤除，后将解调后的电信号还原成声音信号输出。

设干涉仪两反射光相位差为θ（t），光电探测器输出的光强：I=A+Bcosθ（t）

其中θ（t）=φ（t）+ψs（t）+ψ0（t） ，φ（t）=Ccosω0t为调制光源产生的相位差 ，ψs（t）为信号作用干涉仪产生的相位差，ψ0（t）为外界环境影响和初始的相位差。PGC解调部分经高通滤波后所得解调结果为GHB2J1（C）J2（C）ψs（t），除去参数G、H、B、C的影响，可以得到解调出的声信号ψs（t）。直接调制光源的PGC解调原理框图如下图：

图2.2 直接调制光源的 PGC解调方案框图

3、关键技术及技术可行性分析

3.1声光转换，系统稳定性

本项目最关键的技术难题就是如何高保真的把声音信号转换成光信号，送至调制解调器处理。目前最常用的就是利用被声音带动的振膜，将声音信号调制到光信号上，振膜越薄，振幅越大，采集到的声音信号就越清晰，保真度越高，但越容易受温度影响而产生形变，这是项目前期实验中遇到的最主要问题。要解决这个问题，需找一种受温度影响形变尽量小的材料做振膜；另一种解决办法是在光源端对发射光相位进行调制，在振膜发生形变时及时调制出射光信号，保证对声音采集的最佳效果。

3.2背景噪声消除

降噪是保证声音质量的一个重要步骤，在公共场合采集声音信号时，采集的信号里往往会掺杂许多干扰噪声需要滤除。如当人正全神贯注侦听声音时，有声浪或尖利的声响突然传来，很容易对人耳造成伤害。所以，系统对采集到声音信号要进行实施窗口限制来进行降幅处理。其原理为：①先将麦克风侦测到的耳朵能听到的环境中低频噪音（100～1000Hz）提取出来；②再将噪声讯号传至控制电路，控制电路进行实时运算，生成一个与噪音相位相反、振幅相同的信号来抵消噪音。

4、结束语

本文提出了一种利用干涉型光纤传感器的原理，基于光相位干涉的高灵敏度声音采集系统。研制的光纤声音采集系统与普通的声音采集系统相比，其优势在于：①前端是无源的，光纤传感探头感应的声音信息通过光缆传输到后端，光缆对信号的衰减比电缆小。②前端及传输线没有半导体元件，不受电磁场的影响，可以在强磁场环境下工作。③光纤声音采集系统的灵敏度、动态范围、音质等将优于普通声音采集系统。④体积小，保密性强。因此，本系统特别适合在人类无法近临的易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下进行长期的大规模应用，具有传统的电传感器无法比拟的优越性。

参考文献：

[1] 周恩宇.增益导引―折射率反导引大模场光纤的设计、模拟及实验研究[D]. 复旦大学.2011

[2] 张勇，高鹏，王惠敏，施斌，亓乐.复杂变形条件下分布式光纤传感器应变传递特性研究[J].防灾减灾工程学报.2013（05）

[3] 付敏，彭东林，朱革，陈锡侯，昌驰.光强正交调制型位移传感器的数学模型与误差分析[J].光学精密工程.2015（03）