基于虛擬儀器技術(shù)的激光監(jiān)聽系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葉嘉權(quán)， 梁佩瑩， 王 瑤， 曹 輝， 王宇華

(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 光信息工程系， 廣東 佛山 528000)

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基于虛擬儀器技術(shù)的激光監(jiān)聽系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葉嘉權(quán)， 梁佩瑩， 王 瑤， 曹 輝， 王宇華

(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 光信息工程系， 廣東 佛山 528000)

運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)及圖形化編程軟件LabVIEW，對(duì)激光監(jiān)聽裝置的輸出信息進(jìn)行采集和處理，以實(shí)現(xiàn)長距離的激光監(jiān)聽探測。激光監(jiān)聽裝置采用邁克爾遜干涉光路的原理設(shè)計(jì)，激光器發(fā)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(jīng)過聲音信號(hào)調(diào)制后，與參考光在光電傳感器接收面上實(shí)現(xiàn)干涉混頻，利用LabVIEW控件對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)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(tǒng)基于文本編程的語音內(nèi)容解析方法相比，具有開發(fā)過程簡單，成本低，人機(jī)交互界面友好等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的基于虛擬儀器技術(shù)的激光監(jiān)聽系統(tǒng)可以探測15～20 m外房間窗戶的聲音信息，效果良好。

激光監(jiān)聽； 振動(dòng)測量； 邁克爾遜干涉； LabVIEW； 聲音還原

0 引 言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，聲音作為信息傳遞的一種形式，其重要性日趨明顯，關(guān)于語音內(nèi)容解析的研究也得以關(guān)注和發(fā)展，尤其在工業(yè)控制，人工智能等行業(yè)，關(guān)于語音信息的采集、分析、識(shí)別等得以廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的聲音音頻信息采集研究大多數(shù)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)較為繁瑣，且其程序執(zhí)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(diào)用相關(guān)控件，定義它們的連接關(guān)系，并根據(jù)程序框圖中的數(shù)據(jù)流向決定其執(zhí)行的順序[1]。由于其編程方式簡易，且具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析，通訊協(xié)議，工程控制等控件模塊，該軟件已經(jīng)在科研領(lǐng)域，高校等得到廣泛的應(yīng)用。 在激光監(jiān)聽實(shí)驗(yàn)中使用LabVIEW軟件，結(jié)合NI數(shù)據(jù)采集卡通過對(duì)來自語音內(nèi)容解析裝置的電信號(hào)進(jìn)行處理，在LabVIEW編程環(huán)境下進(jìn)行還原聲音，保存聲音文件等處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)語音內(nèi)容的解析。

1 語音內(nèi)容解析系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

激光監(jiān)聽系統(tǒng)主要包括基于干涉效應(yīng)的語音內(nèi)容解析裝置以及基于LabVIEW的語音信息處理系統(tǒng)兩部分。語音內(nèi)容解析裝置是基于邁克爾遜干涉原理，利用激光探測，因?yàn)槁曇粢鸬牟ＡТ拜p微振動(dòng)，通過光電傳感器采集經(jīng)玻璃窗反射回來的測量光信號(hào)以及參考光信號(hào)，在光敏面發(fā)生干涉效應(yīng)，最后在輸出端輸出電信號(hào)。而輸出的電信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡把信號(hào)送到LabVIEW語音信息處理系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終生成音頻文件并播放，從而實(shí)現(xiàn)了房內(nèi)聲音的語音解析。圖1為設(shè)計(jì)的激光監(jiān)聽系統(tǒng)。

圖1 設(shè)計(jì)的激光監(jiān)聽系統(tǒng)

2 基于LabVIEW的語音內(nèi)容解析程序設(shè)計(jì)

2.1 語音內(nèi)容解析裝置輸出信號(hào)理論分析

激光監(jiān)聽系統(tǒng)的語音內(nèi)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(fā)射出一束激光，經(jīng)反射鏡M1,M2兩次反射后到達(dá)1∶1分光片進(jìn)行分光，得到一束反射光和一束透射光[2],透射光經(jīng)過透鏡的聚焦作用，到達(dá)目標(biāo)探測點(diǎn)——模擬小屋的表面上，由于聲音的存在會(huì)引起小屋玻璃窗的微弱振動(dòng)，且振動(dòng)情況與聲音的頻率有關(guān)[3-4]，當(dāng)有激光照射到玻璃窗面，激光被反射，窗面振動(dòng)信息被調(diào)制到反射光信號(hào)上。通過對(duì)反射光信號(hào)進(jìn)行分析以實(shí)現(xiàn)語音內(nèi)容解析。語音內(nèi)容解析裝置設(shè)置了兩個(gè)光電傳感器，一個(gè)用作轉(zhuǎn)換參考光與測量光干涉后的光信號(hào)，另外一個(gè)用作參考光信號(hào)轉(zhuǎn)換，兩路傳感器輸出的電信號(hào)經(jīng)差分電路作用可降低噪聲的影響[5]。

圖2 語音內(nèi)容解析裝置光路圖

傳感器Q1輸出的電信號(hào)為：

(1)

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

(2)

式中：a、c為由傳感器輸出后經(jīng)前置放大的直流分量；b，d為電壓增益常數(shù)；φ(t)為語音內(nèi)容引起玻璃窗面振動(dòng)產(chǎn)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(diào)節(jié)到電壓增益常數(shù)一致時(shí)，即b=d，將式(2)減去式(1)得到：

(3)

由式(3)可見光噪聲一項(xiàng)經(jīng)差分被消去，從而實(shí)現(xiàn)抑制光噪聲的目的。

2.2 信號(hào)采集

語音內(nèi)容解析裝置輸出的電信號(hào)被采集到電腦上，用LabVIEW程序進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理，還原出真實(shí)的語音內(nèi)容。本文使用的采集卡是NI公司的DAQ6221數(shù)據(jù)采集卡,其采樣頻率高達(dá)250 kHz，遠(yuǎn)大于聲音引起玻璃振動(dòng)而使光波產(chǎn)生的多普勒頻移，能多路模擬信號(hào)進(jìn)行16 bit A/D轉(zhuǎn)換，具有采集精度高，量化誤差小，實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。通過LabVIEW程序獲得解析裝置輸出信號(hào)后，還需對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜濾波，信號(hào)解析等數(shù)據(jù)處理，以實(shí)現(xiàn)聲音解析，其LabVIEW程序設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖3 LabVIEW程序設(shè)計(jì)框圖

2.3 頻譜濾波

語音內(nèi)容解析裝置的輸出信號(hào)經(jīng)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(hào)除了與語音內(nèi)容相關(guān)的電信號(hào)外，還包含由于環(huán)境振動(dòng)，空氣波動(dòng)而產(chǎn)生的幅值較大，頻率較低的噪聲信號(hào)，這些噪聲信號(hào)會(huì)對(duì)語音內(nèi)容的解析產(chǎn)生較大的干擾，所以必須進(jìn)行濾波。數(shù)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(huán)境中，F(xiàn)IR濾波器所需的階數(shù)較高，給設(shè)計(jì)帶來困難。而IIR濾波器的單位脈沖響應(yīng)是無限長的，其傳遞函數(shù)在z平面上存在極點(diǎn)[6]，且極點(diǎn)并非固定，所以可用較低階數(shù)實(shí)現(xiàn)較高的選擇性，簡化設(shè)計(jì)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(yīng)(IIR)帶通濾波器[7]，LabVIEW控件如圖4所示，采用反Chebyshev拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)0.02～20 kHz之外的環(huán)境噪聲信號(hào)進(jìn)行濾除[8-9]。所得信號(hào)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(nèi)容，便于提取。圖5為安靜環(huán)境下經(jīng)帶通濾波后的頻譜圖。

圖4 IIR帶通濾波器

圖5 安靜環(huán)境下經(jīng)帶通濾波的頻譜圖

仔細(xì)觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)帶通濾波處理后，在通帶范圍內(nèi)還存在一些噪聲，因此在該范圍內(nèi)進(jìn)行帶阻濾波，剔除噪聲成分。圖6是經(jīng)過整個(gè)濾波程序處理前后的對(duì)比圖。可以看出，經(jīng)過頻譜濾波程序處理后，信號(hào)頻率主要集中在200～1 500 Hz，剔除了低頻和高頻的噪聲信號(hào)[10-11]，信號(hào)波形為明顯的波包。

2.4 聲音信號(hào)還原

信號(hào)經(jīng)過濾波程序處理后，所得的信號(hào)是屋內(nèi)的聲音信號(hào)，我們用LabVIEW聲音還原程序?qū)ζ溥M(jìn)行歸一化處理。即剔除式(3)中直流分量那一項(xiàng)，然后對(duì)電壓增益系數(shù)進(jìn)行歸一化，可得：

(4)

若小屋玻璃面的振動(dòng)離面位移為x(t)，其位移量與時(shí)間有關(guān)，則由其引起的光學(xué)電場產(chǎn)生的多普勒相移φ(t)與x(t)存在以下關(guān)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(jīng)整個(gè)濾波程序處理前后對(duì)比圖

然后對(duì)式(4)進(jìn)行反余弦函數(shù)變換，結(jié)合式(5)并進(jìn)行抽樣后得[14]：

(6)

由式(6)可知，其數(shù)字信號(hào)L(i)與玻璃窗面振動(dòng)量x(i)有關(guān)，且成線性關(guān)系，可用LabVIEW程序直接保存為wav格式文件，對(duì)語音內(nèi)容進(jìn)行保存。

LabVIEW控件中有聲音信號(hào)處理的模塊，通過調(diào)用該模塊的控件，按照寫入、讀取播放、保存的順序，并用數(shù)據(jù)連接線確定其連接關(guān)系，便可以對(duì)上述的聲音信號(hào)進(jìn)行還原，實(shí)現(xiàn)對(duì)屋內(nèi)語音內(nèi)容的解析。

語音內(nèi)容播放及保存程序如圖7所示，采用LabVIEW軟件調(diào)用聲音寫入文件、聲音配置、聲音播放、聲音保存等控件對(duì)變換后得到的聲音數(shù)字信號(hào)進(jìn)行播放以及保存為wav文件[15]。圖8是經(jīng)過整個(gè)還原程序處理后所得的聲音時(shí)域波形圖,可以看出，當(dāng)模擬小屋有字符聲音信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)能探測到明顯的信號(hào)波包[16]。

圖7 語音內(nèi)容播放及保存程序

圖8 聲音還原文件的波形圖

3 結(jié) 語

LabVIEW軟件功能齊全，函數(shù)豐富，提高了編程的效率。通過調(diào)用顯示控件，可在前面板直接觀察信號(hào)波形，這對(duì)程序的調(diào)試及日后的維護(hù)都提供了一定的便利。使用LabVIEW軟件的聲音信息處理模塊，對(duì)語音內(nèi)容解析裝置輸出的信號(hào)進(jìn)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(shí)用LabVIEW程序播放音頻文件，只要在計(jì)算機(jī)接入音頻輸出設(shè)備便可以聽到小屋內(nèi)聲音信息，實(shí)現(xiàn)了語音內(nèi)容的解析。與傳統(tǒng)的語音內(nèi)容解析系統(tǒng)相比，本裝置具有成本低、操作簡單、人機(jī)交互性好、效率高等優(yōu)點(diǎn)。

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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(xué)基金項(xiàng)目(61275214); 廣東省公益研究與能力建設(shè)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2015A010103017, 2015B0101014); 廣東省教改項(xiàng)目(GDJG20142366)；2014年度國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(201411847004)

葉嘉權(quán)(1993-)，男，廣東佛山人，本科生，主要研究方向?yàn)楣怆姍z測與傳感。

梁佩瑩，女，廣東佛山人，博士，講師，主要研究方向?yàn)楣庑畔⑻幚怼-mail:13450809109@163.com

TN 249

A

1006-7167(2016)09-0130-04