分布式光纤声音信号采集与回放

发布时间：2020-06-12 05:45

【摘要】：相位敏感型光时域反射仪(Φ-OTDR)利用光脉冲在光纤中产生的瑞利散射效应可实时感知光纤链路上每一点的微小扰动,是一种实现对外界信号传感测量的光纤传感技术。该技术在周界安防、地震波检测、管道安全监测等应用领域具有非常突出的优势。基于光纤传感技术的声音探测技术在水声探测和环境声音探测等方面具有重要应用前景。分布式光纤传感技术相对于点式传感技术具有大容量的优势,目前应用于声音采集的分布式声音探测技术由于信噪比和灵敏度达不到要求。因此,本文主要研究两个方面,一是如何实现对声音信号高灵敏度感知的特殊结构,使得分布式光纤声音传感系统能获得好的声音采集质量;二是对分布式声音传感系统探测到的包含噪声的声音信号进行去噪处理,提高信号质量。本文为分布式声音传感的实用化奠定了基础,主要工作如下:首先,为了实现多点分布式高灵敏度的声音探测,首先需要研究一个可以实现高灵敏度探测声音的特殊结构,因此本文设计了三种结构的分布式声音采集装置。在ANSYS有限元平台下对不同结构的声音采集装置进行建模,通过在原点声源处添加激励大小为0.01 kg/N·m~3的声源进行仿真,得到不同结构下的声压分布图和声场分布云图,根据三种结构声压值得到声压分布曲线,分析声压分布曲线可知点声源和圆柱结构是最优的仿真实验装置,后续实验采用此仿真结构装置作为实验装置。其次,在LabVIEW平台下完成了分布式声音存储程序以及多路声音信号存储程序的编写,将声音信号存储成为离线wav文件,得到的离线文件可以进行声音播放。然后介绍了声音信号实时回放程序模块设计流程,完成了声音信号的实时回放程序设计。最后,基于仿真设计研究,搭建了分布式光纤声音采集系统。以仿真结构为基础,通过光纤声音信号对比实验进行选材,选择亚克力材料作为实验材料,紧套管光纤作为实验光纤类型。基于此实验装置下,将音响作为声源,利用分布式声音采集系统进行了单频信号和歌曲信号的声音信号采集实验研究。然后通过Matlab平台与LabVIEW平台配合使用,使用Matlab读取LabVIEW生成的声音信号wav文件,然后使用小波去噪处理声音歌曲片段,经过处理后信噪比提高了26.83 dB,回放了清晰的声音信号,验证了声音采集装置和去噪方法的有效性。
【图文】：

不均匀分布,光纤,瑞利散射

在上一章绪论部分对分布式光纤声波传感技术做了简单的概述，进一步对于Φ-OTDR 的研究背景与现状做了重点介绍，本章将详细介绍分布式声波传感技术的基础理论及 Φ-OTDR 系统的关键性能指标，随后介绍了分布式光纤传感系统中的噪声。2.1 分布式声音采集系统理论基础2.1.1 光纤中的瑞利散射机制当光纤处于熔融状态时，在纤维拉伸阶段中将二氧化硅从熔融状态冷却到固态，材料冷却的密度可能发生不均匀分布，会导致光在光纤中传播时发生散射，这种散射被叫做为瑞利散射[27]，瑞利散射已成为单模光纤的主要损耗机制。图 2-1 所示表示光纤中的瑞利散射，瑞利散射光在光纤中是一种弹性散射，分布于各个方向，散射频率也没有因为散射发生变化[28]，和入射光传输方向相反的散射光被称为反向瑞利散射。瑞利散射光强与入射光波长和散射角相关。

示意图,分布式光纤,声音,示意图

电子科技大学硕士学位论文[29]，基于反向瑞利散射进行传感，入射光先经过声光调制器调制成为脉冲光[30]，，脉冲光在光纤中传播期间，反向散射的瑞利散射光通过环形器进行传播[31]，然后把调制后的脉冲光经过光放大器 EDFA 进行放大[32]，放大之后的脉冲光经过耦合器的耦合进入传感光纤[33]。如果传感光纤中存在振动或者其他干扰时，可以根据振动或者干扰引发的光信号变化[34]得到发生振动的位置和频率[35]。如图 2-2 所示是 Φ-OTDR 系统构成的分布式光纤声音采集系统，考虑单空间点信号由于测量范围有限，解调的单点声音信号信噪比达不到回放要求，分布式光纤传感技术相对于点式传感技术具有大容量的优势，该分布式声音采集系统可以进行多点分布式测量声音信号，分布式光纤声波传感可以对单空间点信号进行信号积分，使信号增强。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN912.3;TN253

【参考文献】