基于虛擬儀器技術的激光監聽系統設計

葉嘉權， 梁佩瑩， 王 瑤， 曹 輝， 王宇華

(佛山科學技術學院 光信息工程系， 廣東 佛山 528000)

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基于虛擬儀器技術的激光監聽系統設計

葉嘉權， 梁佩瑩， 王 瑤， 曹 輝， 王宇華

(佛山科學技術學院 光信息工程系， 廣東 佛山 528000)

運用虛擬儀器技術及圖形化編程軟件LabVIEW，對激光監聽裝置的輸出信息進行采集和處理，以實現長距離的激光監聽探測。激光監聽裝置采用邁克爾遜干涉光路的原理設計，激光器發射激光并由分光器分為待測光與參考光兩路相干光束，待測光經過聲音信號調制后，與參考光在光電傳感器接收面上實現干涉混頻，利用LabVIEW控件對采集的信號進行數據分析、聲音還原、聲音文件播放和保存等處理。這種方法與傳統基于文本編程的語音內容解析方法相比，具有開發過程簡單，成本低，人機交互界面友好等優點。實驗結果表明，設計的基于虛擬儀器技術的激光監聽系統可以探測15～20 m外房間窗戶的聲音信息，效果良好。

激光監聽； 振動測量； 邁克爾遜干涉； LabVIEW； 聲音還原

0 引 言

隨著現代社會的發展，聲音作為信息傳遞的一種形式，其重要性日趨明顯，關于語音內容解析的研究也得以關注和發展，尤其在工業控制，人工智能等行業，關于語音信息的采集、分析、識別等得以廣泛的應用。傳統的聲音音頻信息采集研究大多數是基于C，Java，Matlab等文本編程軟件，但由于其需要編寫大量的文本編程語言，進行數據處理時較為繁瑣，且其程序執行順序取決于程序文本順序，使程序在靈活性這一方面較為欠缺。本文采用的LabVIEW編程軟件是一種圖形化編程軟件，通過調用相關控件，定義它們的連接關系，并根據程序框圖中的數據流向決定其執行的順序[1]。由于其編程方式簡易，且具有強大的數據分析，通訊協議，工程控制等控件模塊，該軟件已經在科研領域，高校等得到廣泛的應用。 在激光監聽實驗中使用LabVIEW軟件，結合NI數據采集卡通過對來自語音內容解析裝置的電信號進行處理，在LabVIEW編程環境下進行還原聲音，保存聲音文件等處理，進而實現語音內容的解析。

1 語音內容解析系統的總體方案設計

激光監聽系統主要包括基于干涉效應的語音內容解析裝置以及基于LabVIEW的語音信息處理系統兩部分。語音內容解析裝置是基于邁克爾遜干涉原理，利用激光探測，因為聲音引起的玻璃窗輕微振動，通過光電傳感器采集經玻璃窗反射回來的測量光信號以及參考光信號，在光敏面發生干涉效應，最后在輸出端輸出電信號。而輸出的電信號經數據采集卡把信號送到LabVIEW語音信息處理系統中進行數據處理，最終生成音頻文件并播放，從而實現了房內聲音的語音解析。圖1為設計的激光監聽系統。

圖1 設計的激光監聽系統

2 基于LabVIEW的語音內容解析程序設計

2.1 語音內容解析裝置輸出信號理論分析

激光監聽系統的語音內容解析裝置利用邁克爾遜干涉原理，工作原理如下：氦氖激光器發射出一束激光，經反射鏡M1,M2兩次反射后到達1∶1分光片進行分光，得到一束反射光和一束透射光[2],透射光經過透鏡的聚焦作用，到達目標探測點——模擬小屋的表面上，由于聲音的存在會引起小屋玻璃窗的微弱振動，且振動情況與聲音的頻率有關[3-4]，當有激光照射到玻璃窗面，激光被反射，窗面振動信息被調制到反射光信號上。通過對反射光信號進行分析以實現語音內容解析。語音內容解析裝置設置了兩個光電傳感器，一個用作轉換參考光與測量光干涉后的光信號，另外一個用作參考光信號轉換，兩路傳感器輸出的電信號經差分電路作用可降低噪聲的影響[5]。

圖2 語音內容解析裝置光路圖

傳感器Q1輸出的電信號為：

(1)

傳感器Q2檢測到的成分為包括直流光強、多普勒相位余弦調制的光信號和光噪聲。其輸出電信號為：

(2)

式中：a、c為由傳感器輸出后經前置放大的直流分量；b，d為電壓增益常數；φ(t)為語音內容引起玻璃窗面振動產生的多普勒相位；Δφ0為光程差引起的相位差N(t)為激光的光噪聲輸出。

調節到電壓增益常數一致時，即b=d，將式(2)減去式(1)得到：

(3)

由式(3)可見光噪聲一項經差分被消去，從而實現抑制光噪聲的目的。

2.2 信號采集

語音內容解析裝置輸出的電信號被采集到電腦上，用LabVIEW程序進行進一步的數據處理，還原出真實的語音內容。本文使用的采集卡是NI公司的DAQ6221數據采集卡,其采樣頻率高達250 kHz，遠大于聲音引起玻璃振動而使光波產生的多普勒頻移，能多路模擬信號進行16 bit A/D轉換，具有采集精度高，量化誤差小，實時性強等優點。通過LabVIEW程序獲得解析裝置輸出信號后，還需對信號進行頻譜濾波，信號解析等數據處理，以實現聲音解析，其LabVIEW程序設計框圖如圖3所示。

圖3 LabVIEW程序設計框圖

2.3 頻譜濾波

語音內容解析裝置的輸出信號經過差分電路的作用抑制了光噪聲帶來的影響，但所得的信號除了與語音內容相關的電信號外，還包含由于環境振動，空氣波動而產生的幅值較大，頻率較低的噪聲信號，這些噪聲信號會對語音內容的解析產生較大的干擾，所以必須進行濾波。數字濾波器包括有限長FIR(Finite Impulse Response)濾波器和無限長IIR(Infinite Impulse Response)濾波器[6]。在需要較高選擇性的濾波環境中，FIR濾波器所需的階數較高，給設計帶來困難。而IIR濾波器的單位脈沖響應是無限長的，其傳遞函數在z平面上存在極點[6]，且極點并非固定，所以可用較低階數實現較高的選擇性，簡化設計過程，降低成本。

在LabVIEW頻譜濾波程序中，我們使用無限長沖激響應(IIR)帶通濾波器[7]，LabVIEW控件如圖4所示，采用反Chebyshev拓撲結構對0.02～20 kHz之外的環境噪聲信號進行濾除[8-9]。所得信號頻譜不僅保留了人耳敏感的聲音頻率范圍，還可去除殘留頻率高于20 kHz的光噪聲，從而突出采集到語音內容，便于提取。圖5為安靜環境下經帶通濾波后的頻譜圖。

圖4 IIR帶通濾波器

圖5 安靜環境下經帶通濾波的頻譜圖

仔細觀察圖5可以發現，經帶通濾波處理后，在通帶范圍內還存在一些噪聲，因此在該范圍內進行帶阻濾波，剔除噪聲成分。圖6是經過整個濾波程序處理前后的對比圖。可以看出，經過頻譜濾波程序處理后，信號頻率主要集中在200～1 500 Hz，剔除了低頻和高頻的噪聲信號[10-11]，信號波形為明顯的波包。

2.4 聲音信號還原

信號經過濾波程序處理后，所得的信號是屋內的聲音信號，我們用LabVIEW聲音還原程序對其進行歸一化處理。即剔除式(3)中直流分量那一項，然后對電壓增益系數進行歸一化，可得：

(4)

若小屋玻璃面的振動離面位移為x(t)，其位移量與時間有關，則由其引起的光學電場產生的多普勒相移φ(t)與x(t)存在以下關系[12-13]：

(5)

(a) 濾波前波形

(b) 濾波后波形

(c) 濾波前頻譜

(d) 濾波后頻譜

圖6 經整個濾波程序處理前后對比圖

然后對式(4)進行反余弦函數變換，結合式(5)并進行抽樣后得[14]：

(6)

由式(6)可知，其數字信號L(i)與玻璃窗面振動量x(i)有關，且成線性關系，可用LabVIEW程序直接保存為wav格式文件，對語音內容進行保存。

LabVIEW控件中有聲音信號處理的模塊，通過調用該模塊的控件，按照寫入、讀取播放、保存的順序，并用數據連接線確定其連接關系，便可以對上述的聲音信號進行還原，實現對屋內語音內容的解析。

語音內容播放及保存程序如圖7所示，采用LabVIEW軟件調用聲音寫入文件、聲音配置、聲音播放、聲音保存等控件對變換后得到的聲音數字信號進行播放以及保存為wav文件[15]。圖8是經過整個還原程序處理后所得的聲音時域波形圖,可以看出，當模擬小屋有字符聲音信號時，系統能探測到明顯的信號波包[16]。

圖7 語音內容播放及保存程序

圖8 聲音還原文件的波形圖

3 結 語

LabVIEW軟件功能齊全，函數豐富，提高了編程的效率。通過調用顯示控件，可在前面板直接觀察信號波形，這對程序的調試及日后的維護都提供了一定的便利。使用LabVIEW軟件的聲音信息處理模塊，對語音內容解析裝置輸出的信號進行采集，頻譜濾波，聲音還原處理，并將聲音信息保存成音頻文件，同時用LabVIEW程序播放音頻文件，只要在計算機接入音頻輸出設備便可以聽到小屋內聲音信息，實現了語音內容的解析。與傳統的語音內容解析系統相比，本裝置具有成本低、操作簡單、人機交互性好、效率高等優點。

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Design of Laser Eavesdropping System Using LabVIEW

YEJia-quan，LIANGPei-ying，WANGYao，CAOHui，WANGYu-hua

(Department of Photoelectric Information and Engineering, Foshan University, Foshan 528000, China)

A laser eavesdropping system is designed by using LabVIEW in this paper. The system is based on principle of Michelson interference, acquires and processes the output signal of a laser eavesdropping system, and restores the voice for further analysis. The laser device, as part of the whole system, emits laser which is divided into two coherent beams via an optical splitter, reaching the receiving surface of a photo sensor for self-mixing interferometry measurement. The output data will be further processed for voice reconstruction. The development of this system takes the advantage of visual programming and rapid application development abilities provided by LabVIEW to realize the system prototype quickly, and to adjust the parameters easily so that best possible voice reconstruction quality can be reached under different environments. The experiments show that the laser eavesdropping system based on LabVIEW can detect the voice information from the window of the room in 15-20 meters away and get a good effect.

laser eavesdropping; vibration measurement; michelson interference; LabVIEW; voice reconstruction

2015-12-14

國家自然科學基金項目(61275214); 廣東省公益研究與能力建設專項資金項目(2015A010103017, 2015B0101014); 廣東省教改項目(GDJG20142366)；2014年度國家級大學生創新訓練項目(201411847004)

葉嘉權(1993-)，男，廣東佛山人，本科生，主要研究方向為光電檢測與傳感。

梁佩瑩，女，廣東佛山人，博士，講師，主要研究方向為光信息處理。E-mail:13450809109@163.com

TN 249

A

1006-7167(2016)09-0130-04