基于機械振動響應的激光監聽自動化檢測系統設計

郝麗波，魏煥新

（湖南機電職業技術學院，長沙 410000）

0 引言

語音是信息數據傳遞最為直接和有效的方式之一。在當代社會中，各種通信技術發展迅猛，然而還是難以代替語言在信息數據傳輸過程中起到的特殊作用[1]。

當前，監聽技術多種多樣。其中，電子監聽使用相對普遍。激光監聽是一種以激光為信息載體，得到被關注目標的聲音數據同時利用解調實現信息提取的技術。假設將激光照射至偵測區范圍內比較薄的反射面，則激光會被聲波引發的反射面振動調制，由此能夠利用某種方式得到該激光反射波，同時對其實施解調，即可加載振動信息激光，實現聲音信息還原。當前，利用激光監聽技術探測聲信息的研究成果有很多，以下列成果為例進行分析。

王偉[2]等人將激光監聽應用于聲信號探測中，利用激光干涉過程探測聲信號，并對其時域以及頻域分布特征展開分析，由此獲得激光干涉信號的小波分布規律。在此基礎上，利用小波變換的方式估計聲信號的瞬時頻率值，根據估計結果對聲信號展開探測。張曉琳[3]等人將相位解調和激光干涉探測法相結合，應用至表面聲波探測。過程中，將高頻載波引入至參考光路中，通過相位生成載波法的反正切解調法，同時與高頻載波的初相位以及調制深度測定相結合，完成表面聲波識別。

我國對于監聽技術的研究起步較晚，技術水準等方面和發達國家比較還是存在一定差距的。研究激光監聽檢測系統對國防和航天航空等各領域均有著深遠影響。基于現實需求，本研究在考慮數據庫負載的同時，引入虛擬儀器技術，設計了基于機械振動響應的激光監聽自動化檢測系統。

1 系統設計

1.1 監聽技術影響因素

監聽技術具有非接觸性、隱秘性、不留痕跡和抗干擾能力強等優勢，但在其應用過程中，還是會受到外界影響，為了使激光監聽精度更高，在其設計中一定要考慮到外界影響。

在大氣水平激光的通信鏈路上，大氣的不斷變化是監聽過程的關鍵影響因素之一。不同區域大氣中的組成成分不同，且受其中包含的顆粒狀物質的含量的影響，容易形成大氣湍流現象，從而影響激光的傳播狀態[4]。當激光的光束直徑與大氣湍流的尺度相差較小時，光束會產生隨機偏折，致使振動生成的反射角出現波動；當激光的直徑比湍流的尺寸大，則會導致光束出現隨機閃爍現象。光束的漂移和偏折等均會導致接收端接收信息時一并接收了噪聲。幾公里范圍內的噪聲功率，概率分布函數可表示為：

其中，I0代表光強均值，σx代表閃爍指數。激光光束在大氣湍流中受到的影響程度一般根據Rytov進行判斷[5]。針對波動比較小的平面波根據歸一化光強的起伏方差進行描述，則有：

1.2 激光監聽信號自動化檢測

考慮到上述因素，設計激光監聽信號自動化檢測系統。系統的主要結構包括兩部分，其一為干涉效應下的聲信號解析裝置，其二為聲信號處理裝置。其中，語音信息解析裝置的主要依據為邁克爾遜干涉基本原理。在激光探測下，利用聲音的傳播使玻璃窗產生輕微的機械振動響應。然后利用光電傳感對機械振動信號進行采集，并在光敏面生成干涉效應，從而將光信號轉變為電信號并采集。在此基礎上，利用數據采集卡將電信號傳輸至LabVIEW的語音處理模塊中實現信息處理，最后生成音頻數據文件，以此實現房內語音信號解析。激光監聽檢測系統組成如圖1所示。

圖1 激光監聽檢測系統組成

系統的主要功能模塊如下：

1）信號信息采集模塊

在語音信息采集中，將語音信息解析裝置中所輸出的電信號傳輸至電腦，通過LabVIEW程序實現數據的進一步處理，將真實語音信息還原。在此，本研究選擇DAQ6221型采集卡。該采集卡的采樣頻率能夠達到250kHz，可實現對聲信號的多路模擬，且其對信號的采集準確性較強，且實時性強。利用LabVIEW程序得到解析裝置所輸出的語音信息之后，對語音信號實行頻譜濾波和解析等操作，完成聲音解析。圖2為LabVIEW程序。

圖2 LabVIEW程序示意圖

2）頻譜濾波

在進行頻譜濾波前，利用語音信息解析裝置中的兩個光電傳感設備輸出的電信號進行差分操作，降低光噪聲影響。

將傳感器q1所輸出的電信號表示為：

其中，a代表前置放大的直流分量，傳感器q2可以檢測并分辨出直流光強、光信號和環境噪聲信號。式(4)傳感器q2輸出的信息：

其中，a、b含義同上，ψ(t)代表玻璃窗產生振動響應后形成的多普勒頻移，Δψ0描述的是光程差導致出現的相位差，N(t)描述的是激光產生的光噪聲。

當b、d相等時，利用式(4)與式(3)相減可得：

根據式(5)可知光噪聲項通過差分被消掉，以此實現光噪聲抑制。

在光噪聲抑制前提下，考慮到環境振動和空氣波動下頻率比較低的噪聲，引入無限長IIR濾波器實現環境噪聲濾除。LabVIEW頻譜濾波控件中，通過反Chebyshev拓撲結構實現0.02至20kHz以外的環境噪聲濾除。以此突出獲取的語音信息，方便最后提取。

3）語音信號還原

利用上述濾波操作獲取得到的語音信息為房間內的語音信號，在此基礎上，利用LabVIEW語音封裝還原程序對其展開歸一化處理。在篩選并剔除式(5)中的直流分量后，對電壓增益系數也展開歸一化處理，由此能夠得到：

假設玻璃在振動后產生的移動量為x(t)，移動量的大小與時間有關，則因其振動而導致光學電場產生的多普勒相移為ψ(t)，其計算過程如下：

接著對式(6)實行反余弦變換操作，與式(7)相結合抽樣之后能夠得到：

根據式(8)可觀察出，R(i)與移動量x(i)之間存在線性關系，能夠根據LabVIEW程序將語音以wav格式進行保存。

1.3 激光監聽信號數據負載自動替換

當監聽所得信號數據越來越多時，數據庫可能會出現過載現象，以保障用戶滿意度和實現信號數據價值為目的，要將數據庫中緊迫性比較強的負載替換至預提交數據集合中，詳細過程如下：

1）優先級自動排序

定義預提交數據集合為S1，然后根據價值密度vdi的大小對S1中的負載值進行排序，排列的規則為由大到小；在此基礎上，根據空閑時間的大小，對S1中的負載值也按照由大到小的規則展開排序。然后，假設i、j分別代表負載值在價值密度和空閑時間兩個隊列中的位置。

由此各負載均具備一個優先等級P'：

在上述過程中，首先會被替換的是空閑時間長且價值密度小的負載值。在此，使用優先級分配表達式給各負載分配一個唯一優先級P"：

基于上述優先級函數即能夠將S1中價值密度比較小、空閑時間相對長的負載排列靠前，當作優先被替換的目標。

2）替換方案

針對S1中負載依據優先級表達式排序，使價值密度相對小、空閑時間相對長的負載當作優先提交的目標，接著進行替換，詳細過程如下。

在剩余負載集合S0找到緊迫性相對強的負載放到集合S2中，設定緊迫性相對強的負載數量是n"，集合S3中是S1中即將被替換的負載。

在S2中第i個負載編號是k"，這時計算將S1中負載裝至總負重為cpuk"的背包中的負載量，在計算過程中，首先打包價值密度小且空閑時間長的負載值，然后將其替換值放入集合S3中，詳細過程如下。

Step1：對初始值進行設置，其中j=1，cput=cpuf，Sj1描述的是S1中第 j 個負載標識符號。

Step2：設定：

假設cput=cpuk"，那么，反之轉至Step3。

Step3：針對S1實行替換方案，則有S1=S1+{k"}-S3，同時將負載k"標記為不可被替換。

完成上述操作后，清空集合S3，一直到集合S2中所有負載值均被替換到集合S1中。最終的集合S1即為數據集合。

2 實驗結果與分析

以驗證上述設計的基于機械振動響應的激光監聽自動化檢測系統的有效性為目的，設計如下相關性測試。構建本文系統的設計方式搭建實驗平臺，測試在實驗室環境下進行。得到的語音信號輸入和輸出情況如圖3所示。

圖3 語音信號輸入和輸出值

分析圖3可知，輸入與輸出語音信號相差不大，可以在很大程度上保持一致，證明本文系統可以實現語音監聽自動化監測功能，通過語音的高精度采集和各種噪聲抑制操作，有效提高了監聽精度。

但從實驗結果中也可看出，監聽到的信號中還是多少存在一些噪聲的，推測為外部環境和系統內部噪聲以及硬件設備等方面的影響。

基于實際需求，將系統實現價值、用戶滿意度當作數據庫負載控制效果的基本依據。實驗中，數值均是根據隨機函數生成的，其中包含負載價值，取值在1至10之間；負載消耗的CPU，取值在1%至40%之間；空閑時間（s），取值在1至10之間。測試進行30個控制間隔，一個間隔時間是1s。經測試，所得結果如表1所示。

表1 數據庫負載控制前后比較

分析表1可知，替換策略在數據庫負載控制中的應用，不僅能夠使得本文系統的應用價值得以有效提升，還能夠使價值密度較大的負載值被優先執行，從而有效提升了用戶滿意程度。

3 結語

面向監聽檢測過程，本研究在考慮數據庫負載的情況下，提出并設計了基于機械振動響應的激光監聽自動化檢測系統。通過軟硬件結合的方式實現了對自動化系統的設計，并在最后通過替換策略解決了數據庫負載問題。經驗證可知，該系統的應用優勢較強，可為該領域研究提供一定借鑒內容。下一步可針對實驗中提到：外部環境和系統內部噪聲以及硬件設備等方面干擾抑制為目標，開展進一步研究，增強系統可靠性和穩定性。