基于機(jī)械振動(dòng)響應(yīng)的激光監(jiān)聽(tīng)自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郝麗波，魏煥新

（湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410000）

0 引言

語(yǔ)音是信息數(shù)據(jù)傳遞最為直接和有效的方式之一。在當(dāng)代社會(huì)中，各種通信技術(shù)發(fā)展迅猛，然而還是難以代替語(yǔ)言在信息數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中起到的特殊作用[1]。

當(dāng)前，監(jiān)聽(tīng)技術(shù)多種多樣。其中，電子監(jiān)聽(tīng)使用相對(duì)普遍。激光監(jiān)聽(tīng)是一種以激光為信息載體，得到被關(guān)注目標(biāo)的聲音數(shù)據(jù)同時(shí)利用解調(diào)實(shí)現(xiàn)信息提取的技術(shù)。假設(shè)將激光照射至偵測(cè)區(qū)范圍內(nèi)比較薄的反射面，則激光會(huì)被聲波引發(fā)的反射面振動(dòng)調(diào)制，由此能夠利用某種方式得到該激光反射波，同時(shí)對(duì)其實(shí)施解調(diào)，即可加載振動(dòng)信息激光，實(shí)現(xiàn)聲音信息還原。當(dāng)前，利用激光監(jiān)聽(tīng)技術(shù)探測(cè)聲信息的研究成果有很多，以下列成果為例進(jìn)行分析。

王偉[2]等人將激光監(jiān)聽(tīng)?wèi)?yīng)用于聲信號(hào)探測(cè)中，利用激光干涉過(guò)程探測(cè)聲信號(hào)，并對(duì)其時(shí)域以及頻域分布特征展開(kāi)分析，由此獲得激光干涉信號(hào)的小波分布規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，利用小波變換的方式估計(jì)聲信號(hào)的瞬時(shí)頻率值，根據(jù)估計(jì)結(jié)果對(duì)聲信號(hào)展開(kāi)探測(cè)。張曉琳[3]等人將相位解調(diào)和激光干涉探測(cè)法相結(jié)合，應(yīng)用至表面聲波探測(cè)。過(guò)程中，將高頻載波引入至參考光路中，通過(guò)相位生成載波法的反正切解調(diào)法，同時(shí)與高頻載波的初相位以及調(diào)制深度測(cè)定相結(jié)合，完成表面聲波識(shí)別。

我國(guó)對(duì)于監(jiān)聽(tīng)技術(shù)的研究起步較晚，技術(shù)水準(zhǔn)等方面和發(fā)達(dá)國(guó)家比較還是存在一定差距的。研究激光監(jiān)聽(tīng)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)國(guó)防和航天航空等各領(lǐng)域均有著深遠(yuǎn)影響。基于現(xiàn)實(shí)需求，本研究在考慮數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)載的同時(shí)，引入虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于機(jī)械振動(dòng)響應(yīng)的激光監(jiān)聽(tīng)自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 監(jiān)聽(tīng)技術(shù)影響因素

監(jiān)聽(tīng)技術(shù)具有非接觸性、隱秘性、不留痕跡和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，但在其應(yīng)用過(guò)程中，還是會(huì)受到外界影響，為了使激光監(jiān)聽(tīng)精度更高，在其設(shè)計(jì)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(jiān)聽(tīng)過(guò)程的關(guān)鍵影響因素之一。不同區(qū)域大氣中的組成成分不同，且受其中包含的顆粒狀物質(zhì)的含量的影響，容易形成大氣湍流現(xiàn)象，從而影響激光的傳播狀態(tài)[4]。當(dāng)激光的光束直徑與大氣湍流的尺度相差較小時(shí)，光束會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)偏折，致使振動(dòng)生成的反射角出現(xiàn)波動(dòng)；當(dāng)激光的直徑比湍流的尺寸大，則會(huì)導(dǎo)致光束出現(xiàn)隨機(jī)閃爍現(xiàn)象。光束的漂移和偏折等均會(huì)導(dǎo)致接收端接收信息時(shí)一并接收了噪聲。幾公里范圍內(nèi)的噪聲功率，概率分布函數(shù)可表示為：

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

1.2 激光監(jiān)聽(tīng)信號(hào)自動(dòng)化檢測(cè)

考慮到上述因素，設(shè)計(jì)激光監(jiān)聽(tīng)信號(hào)自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)包括兩部分，其一為干涉效應(yīng)下的聲信號(hào)解析裝置，其二為聲信號(hào)處理裝置。其中，語(yǔ)音信息解析裝置的主要依據(jù)為邁克爾遜干涉基本原理。在激光探測(cè)下，利用聲音的傳播使玻璃窗產(chǎn)生輕微的機(jī)械振動(dòng)響應(yīng)。然后利用光電傳感對(duì)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，并在光敏面生成干涉效應(yīng)，從而將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)并采集。在此基礎(chǔ)上，利用數(shù)據(jù)采集卡將電信號(hào)傳輸至LabVIEW的語(yǔ)音處理模塊中實(shí)現(xiàn)信息處理，最后生成音頻數(shù)據(jù)文件，以此實(shí)現(xiàn)房?jī)?nèi)語(yǔ)音信號(hào)解析。激光監(jiān)聽(tīng)檢測(cè)系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 激光監(jiān)聽(tīng)檢測(cè)系統(tǒng)組成

系統(tǒng)的主要功能模塊如下：

1）信號(hào)信息采集模塊

在語(yǔ)音信息采集中，將語(yǔ)音信息解析裝置中所輸出的電信號(hào)傳輸至電腦，通過(guò)LabVIEW程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理，將真實(shí)語(yǔ)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(dá)到250kHz，可實(shí)現(xiàn)對(duì)聲信號(hào)的多路模擬，且其對(duì)信號(hào)的采集準(zhǔn)確性較強(qiáng)，且實(shí)時(shí)性強(qiáng)。利用LabVIEW程序得到解析裝置所輸出的語(yǔ)音信息之后，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)實(shí)行頻譜濾波和解析等操作，完成聲音解析。圖2為L(zhǎng)abVIEW程序。

圖2 LabVIEW程序示意圖

2）頻譜濾波

在進(jìn)行頻譜濾波前，利用語(yǔ)音信息解析裝置中的兩個(gè)光電傳感設(shè)備輸出的電信號(hào)進(jìn)行差分操作，降低光噪聲影響。

將傳感器q1所輸出的電信號(hào)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(cè)并分辨出直流光強(qiáng)、光信號(hào)和環(huán)境噪聲信號(hào)。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(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)后形成的多普勒頻移，Δψ0描述的是光程差導(dǎo)致出現(xiàn)的相位差，N(t)描述的是激光產(chǎn)生的光噪聲。

當(dāng)b、d相等時(shí)，利用式(4)與式(3)相減可得：

根據(jù)式(5)可知光噪聲項(xiàng)通過(guò)差分被消掉，以此實(shí)現(xiàn)光噪聲抑制。

在光噪聲抑制前提下，考慮到環(huán)境振動(dòng)和空氣波動(dòng)下頻率比較低的噪聲，引入無(wú)限長(zhǎng)IIR濾波器實(shí)現(xiàn)環(huán)境噪聲濾除。LabVIEW頻譜濾波控件中，通過(guò)反Chebyshev拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)0.02至20kHz以外的環(huán)境噪聲濾除。以此突出獲取的語(yǔ)音信息，方便最后提取。

3）語(yǔ)音信號(hào)還原

利用上述濾波操作獲取得到的語(yǔ)音信息為房間內(nèi)的語(yǔ)音信號(hào)，在此基礎(chǔ)上，利用LabVIEW語(yǔ)音封裝還原程序?qū)ζ湔归_(kāi)歸一化處理。在篩選并剔除式(5)中的直流分量后，對(duì)電壓增益系數(shù)也展開(kāi)歸一化處理，由此能夠得到：

假設(shè)玻璃在振動(dòng)后產(chǎn)生的移動(dòng)量為x(t)，移動(dòng)量的大小與時(shí)間有關(guān)，則因其振動(dòng)而導(dǎo)致光學(xué)電場(chǎng)產(chǎn)生的多普勒相移為ψ(t)，其計(jì)算過(guò)程如下：

接著對(duì)式(6)實(shí)行反余弦變換操作，與式(7)相結(jié)合抽樣之后能夠得到：

根據(jù)式(8)可觀察出，R(i)與移動(dòng)量x(i)之間存在線性關(guān)系，能夠根據(jù)LabVIEW程序?qū)⒄Z(yǔ)音以wav格式進(jìn)行保存。

1.3 激光監(jiān)聽(tīng)信號(hào)數(shù)據(jù)負(fù)載自動(dòng)替換

當(dāng)監(jiān)聽(tīng)所得信號(hào)數(shù)據(jù)越來(lái)越多時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象，以保障用戶滿意度和實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)價(jià)值為目的，要將數(shù)據(jù)庫(kù)中緊迫性比較強(qiáng)的負(fù)載替換至預(yù)提交數(shù)據(jù)集合中，詳細(xì)過(guò)程如下：

1）優(yōu)先級(jí)自動(dòng)排序

定義預(yù)提交數(shù)據(jù)集合為S1，然后根據(jù)價(jià)值密度vdi的大小對(duì)S1中的負(fù)載值進(jìn)行排序，排列的規(guī)則為由大到小；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)空閑時(shí)間的大小，對(duì)S1中的負(fù)載值也按照由大到小的規(guī)則展開(kāi)排序。然后，假設(shè)i、j分別代表負(fù)載值在價(jià)值密度和空閑時(shí)間兩個(gè)隊(duì)列中的位置。

由此各負(fù)載均具備一個(gè)優(yōu)先等級(jí)P'：

在上述過(guò)程中，首先會(huì)被替換的是空閑時(shí)間長(zhǎng)且價(jià)值密度小的負(fù)載值。在此，使用優(yōu)先級(jí)分配表達(dá)式給各負(fù)載分配一個(gè)唯一優(yōu)先級(jí)P"：

基于上述優(yōu)先級(jí)函數(shù)即能夠?qū)1中價(jià)值密度比較小、空閑時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)的負(fù)載排列靠前，當(dāng)作優(yōu)先被替換的目標(biāo)。

2）替換方案

針對(duì)S1中負(fù)載依據(jù)優(yōu)先級(jí)表達(dá)式排序，使價(jià)值密度相對(duì)小、空閑時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)的負(fù)載當(dāng)作優(yōu)先提交的目標(biāo)，接著進(jìn)行替換，詳細(xì)過(guò)程如下。

在剩余負(fù)載集合S0找到緊迫性相對(duì)強(qiáng)的負(fù)載放到集合S2中，設(shè)定緊迫性相對(duì)強(qiáng)的負(fù)載數(shù)量是n"，集合S3中是S1中即將被替換的負(fù)載。

在S2中第i個(gè)負(fù)載編號(hào)是k"，這時(shí)計(jì)算將S1中負(fù)載裝至總負(fù)重為cpuk"的背包中的負(fù)載量，在計(jì)算過(guò)程中，首先打包價(jià)值密度小且空閑時(shí)間長(zhǎng)的負(fù)載值，然后將其替換值放入集合S3中，詳細(xì)過(guò)程如下。

Step1：對(duì)初始值進(jìn)行設(shè)置，其中j=1，cput=cpuf，Sj1描述的是S1中第 j 個(gè)負(fù)載標(biāo)識(shí)符號(hào)。

Step2：設(shè)定：

假設(shè)cput=cpuk"，那么，反之轉(zhuǎn)至Step3。

Step3：針對(duì)S1實(shí)行替換方案，則有S1=S1+{k"}-S3，同時(shí)將負(fù)載k"標(biāo)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(fù)載值均被替換到集合S1中。最終的集合S1即為數(shù)據(jù)集合。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

以驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)的基于機(jī)械振動(dòng)響應(yīng)的激光監(jiān)聽(tīng)自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)的有效性為目的，設(shè)計(jì)如下相關(guān)性測(cè)試。構(gòu)建本文系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)試在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行。得到的語(yǔ)音信號(hào)輸入和輸出情況如圖3所示。

圖3 語(yǔ)音信號(hào)輸入和輸出值

分析圖3可知，輸入與輸出語(yǔ)音信號(hào)相差不大，可以在很大程度上保持一致，證明本文系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音監(jiān)聽(tīng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)功能，通過(guò)語(yǔ)音的高精度采集和各種噪聲抑制操作，有效提高了監(jiān)聽(tīng)精度。

但從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中也可看出，監(jiān)聽(tīng)到的信號(hào)中還是多少存在一些噪聲的，推測(cè)為外部環(huán)境和系統(tǒng)內(nèi)部噪聲以及硬件設(shè)備等方面的影響。

基于實(shí)際需求，將系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)價(jià)值、用戶滿意度當(dāng)作數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)載控制效果的基本依據(jù)。實(shí)驗(yàn)中，數(shù)值均是根據(jù)隨機(jī)函數(shù)生成的，其中包含負(fù)載價(jià)值，取值在1至10之間；負(fù)載消耗的CPU，取值在1%至40%之間；空閑時(shí)間（s），取值在1至10之間。測(cè)試進(jìn)行30個(gè)控制間隔，一個(gè)間隔時(shí)間是1s。經(jīng)測(cè)試，所得結(jié)果如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)載控制前后比較

分析表1可知，替換策略在數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)載控制中的應(yīng)用，不僅能夠使得本文系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值得以有效提升，還能夠使價(jià)值密度較大的負(fù)載值被優(yōu)先執(zhí)行，從而有效提升了用戶滿意程度。

3 結(jié)語(yǔ)

面向監(jiān)聽(tīng)檢測(cè)過(guò)程，本研究在考慮數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)載的情況下，提出并設(shè)計(jì)了基于機(jī)械振動(dòng)響應(yīng)的激光監(jiān)聽(tīng)自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)軟硬件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并在最后通過(guò)替換策略解決了數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)載問(wèn)題。經(jīng)驗(yàn)證可知，該系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)較強(qiáng)，可為該領(lǐng)域研究提供一定借鑒內(nèi)容。下一步可針對(duì)實(shí)驗(yàn)中提到：外部環(huán)境和系統(tǒng)內(nèi)部噪聲以及硬件設(shè)備等方面干擾抑制為目標(biāo)，開(kāi)展進(jìn)一步研究，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。