[發(fā)明專利]基于后向瑞利散射回波相位角度變化的光纖振動(dòng)偵測(cè)小波信號(hào)音頻還原技術(shù)

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710196221.4
• 申請(qǐng)日: 2017-03-29
• 公開（公告）號(hào): CN106972886A
• 公開（公告）日: 2017-07-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張潔
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 光子瑞利科技（北京）有限公司
• 主分類號(hào): H04B10/07
• 分類號(hào): H04B10/07;H04B10/2537;G10L21/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種在極其微弱的振動(dòng)信號(hào)對(duì)光纖進(jìn)行擾動(dòng)的情況下，實(shí)現(xiàn)音頻還原的光纖偵聽技術(shù)，適用于在相對(duì)較為安靜的情況下，對(duì)極其微弱的音頻信息進(jìn)行光纖振動(dòng)偵測(cè)音頻還原的系統(tǒng)。主要用到的技術(shù)和原理有：聲波導(dǎo)致光纖振動(dòng)，瑞利散射反向回波檢測(cè)、回波相位檢測(cè)、相位微分跳變檢測(cè)方法等。屬光纖振動(dòng)傳感、光電信號(hào)轉(zhuǎn)換、模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換、監(jiān)聽等技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

基于瑞利散射原理的光纖偵聽技術(shù)在目前國內(nèi)外屬于一項(xiàng)嶄新的領(lǐng)域，當(dāng)極其微弱的聲音，經(jīng)過空氣傳播到光纖上，引起光纖極其微弱的形變，從而產(chǎn)生后向瑞利散射信號(hào)強(qiáng)度與相位的擾動(dòng)。通過檢測(cè)該擾動(dòng)信號(hào)的變化，可以實(shí)現(xiàn)音頻還原。

當(dāng)產(chǎn)生光纖擾動(dòng)的聲音極其微弱或者由于光纜鎧裝造成光纖形變過于微弱的時(shí)候，由于信噪比過低，信號(hào)極容易被背景噪聲所淹沒。造成音頻還原后效果較差，無法辨別聲音信息。利用后向瑞利散射強(qiáng)度檢測(cè)方法無法實(shí)現(xiàn)極弱振動(dòng)信息的良好還原。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明涉及到的內(nèi)容，主要解決在極其微弱的音頻振動(dòng)信息傳遞到光纖上，所引起的后向瑞利散射回波能量信噪比過低，從而無法對(duì)振源音頻特征進(jìn)行良好的解析還原。

為了解決上述問題，利用微分相位檢測(cè)法，經(jīng)過一元回歸處理后，可極大的提高信噪比，實(shí)現(xiàn)良好的還原振源能量特征，解析出音頻信息。

其中，微分相位檢測(cè)法是利用極其微弱的振動(dòng)信號(hào)傳遞到光纖上引起光纖振動(dòng)形變過于微小，從而造成后向瑞利散射，能量幅度變化過小，信噪比過低的前提下，而后向瑞利散射的相位擾動(dòng)比較大，根據(jù)該原理，只需要將相位擾動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，即可較好的還原振動(dòng)特征，從而實(shí)現(xiàn)音頻還原的技術(shù)。

由于后向瑞利散射回波處于XY兩個(gè)向量夾角的某一位置，設(shè)靜態(tài)后向瑞利散射回波值為√ ,當(dāng)小波振動(dòng)造成一段時(shí)間內(nèi)多個(gè)√累加后的平局值，小于n（√）其中n＞1的情況下，即采用相位檢測(cè)法。

設(shè)α為后向瑞利回波與Y軸的靜態(tài)夾角，則α的取值范圍為0-α-π/2，由于小波擾動(dòng)可能造成α正或負(fù)的微小跳動(dòng)，設(shè)某一瞬態(tài)夾角為α_n，受到偏振鏡限制α_n的取值范圍仍然會(huì)在0-△α-π/2之間，則α-α_n=△α。該△α即為小波擾動(dòng)所造成的相位偏移值

將每次檢測(cè)到的△α依照直角坐標(biāo)系橫軸為時(shí)間，縱軸為0-π/2畫線，即可得一條小波擾動(dòng)相位曲線。把該曲線利用16進(jìn)制轉(zhuǎn)換最后將散點(diǎn)連線畫出包絡(luò)線進(jìn)行數(shù)字還原，得到的數(shù)組作為wav文件的data部分，通過播放器即可播放出某處監(jiān)聽到的語音內(nèi)容。由于測(cè)量值α_n是已知確定數(shù)，而此時(shí)原有靜態(tài)相位角α為未知數(shù)據(jù)，可利用一元回歸法對(duì)靜態(tài)相位角α進(jìn)行測(cè)算得到此時(shí)該變量的近似值αξ。

設(shè)√=b

則αξ=b1+b2α_?+μ_?

其中αξ為因變量

α_?為自變量

b1、b2為靜態(tài)時(shí)多次測(cè)量√數(shù)值的參數(shù)。

μ_?為隨機(jī)擾動(dòng)項(xiàng)

如何確定b1、b2的值根據(jù)微積分使得殘差平方和Σе_?2最小。

即：

Q=Σе_?2=Σ（Y_?-?_?）2=Σ（Y_?-b1-b2X_?）2=min

當(dāng)Q=Σ（Y_?-b1-b2X_?）2對(duì)b1、b2的一階偏階導(dǎo)數(shù)為0時(shí)，Q達(dá)到最小值。

求解b1、b2得

注：其中x_i=（X_i-）、y_i=（Y_i-）即小寫字母代表了變量與其均值的離差。

將b1、b2帶入公式αξ＝b1+b2α_i+μ_i

求得

每次掃描得出Δα，將Δα在橫軸為時(shí)間、縱軸為0-π/2，建立二維坐標(biāo)系。可得出小波擾 動(dòng)對(duì)后向瑞利散射回波的相位擾動(dòng)散點(diǎn)。散點(diǎn)連線畫出包絡(luò)線進(jìn)行數(shù)字還原，得到的數(shù)組作 為wav文件的data部分，通過播放器即可播放出該處的監(jiān)聽到的音頻內(nèi)容。