基于PSD的激光语音还原系统设计

王彦强 李登辉 钱惠国 沈建国

【摘要】设计了一种基于一维PSD位置传感器的激光语音还原系统，通过硬件处理，降低了系统的噪声，获得了高品质的语音信号。实验表明，该系统可清晰地还原出距声源10m外强度为60dB的原始语音信号。

【关键词】一维PSD传感器;激光语音还原;降噪

1.引言

激光具有方向性好、相干性好及亮度高等特点[1]，很适宜作为携带信息的载体。较传统的电子侦听手段，激光监听具有隐密性好、不留痕迹、无需靠近目标、不易受电磁干扰等优点，将在未来国家安防等领域起重大作用[2]。另外，PSD位置传感器具有分辨率高、响应速度快、对光源及光学系统的要求比较低、光谱响应比较宽等优点而被广泛应用于激光的监控（对准、位移、振动）、平面度检测、倾斜度的检测和二维位置的检测等[3]。本文采用一维PSD传感器作为光接收器设计了激光语音还原系统，降低系统噪声，清晰地还原出原始语音。

2.系统总体设计

如图1所示，在屋外较远处用红外激光器发出准直性好、发散角小的一束激光，打在屋子窗户或其他易受声压作用产生振动的物体上。当声源发声时，物体受声压作用振动，引起反射回来的激光束振动，于是屋内声源信息便托载在反射激光束上。

图1 激光语音还原系统框图    图2 PSD位置信号获取框图

因此，只要对该微弱的振动信号（对应PSD传感器的位置）做一处理，便可得到我们所需的语音信息。由于该信号比较微弱，噪声影响大，需要设计硬件电路降低噪声。同时也可利用计算机自带的声卡将之采集进计算机，通过编写基于MATLAB的程序，方便进一步处降噪、存储、回放等。

3.一维PSD原理及处理电路

PSD是一种基于横向光电效应的非分割型位置传感器件，它可将光敏面上的光点位置信号转化为电信号。将PSD两个信号电极的输出电流作如下处理：

（1）

则得到的结果只与入射光点的位置坐标有关，而与入射光强度无关，此时PSD就成为仅对入射光点位置敏感的器件。称为一维PSD的位置输出信号，检测原理如图2所示。

4.硬件电路设计

4.1 I-V转换、求和电路设计

由于PSD输出光电流很微弱，因此要选用低输入失调电流、低温票的运放，且带宽较宽。综合考虑，选用美国AD公司的OP271EZ运放。相对PSD输出的几微安的电流，OP271EZ的4nA的输入失调电流仅，引起千分之几的误差，其温漂为0.4μV/℃，带宽增益积为5MHz，均满足要求。设计的前置放大电路设计如图3所示，反馈电阻R1为 47KHz，输出关系为：

（2）

其中表示PSD一只引脚的输出光电流，同理。为消除高频噪声及防止高频自激，在反馈电阻R1两端并联一个陶瓷电容C1，大小为50pf，截止频率：

（3）

求和电路采用目前比较常用的反相求和运算电路来实现，如图4所示。其输出关系：

（4）

图3 前置放大电路（I/V转换）        图4 反相求和运算电路

4.2 求差、除法电路设计

减法、除法电路选用AD公司的数据处理器AD734芯片来完成。AD734是一种高性能的模拟乘法/除法器，满量程带宽为10MHz，其内部已包含减法单元、加法单元、除法单元，因此不需要另外设置求差电路，这给电路设计带来了方便。基于此，设计了如图5所示的电路，电路输出为：

（5）

其中，代表的是和信号，在实验过程中其符号不会改变。

图5 AD734构成的减除法电路图          图7 双T型陷波器

图6 二阶巴特沃斯带通滤波电路

4.3 滤波电路设计

本文关注的音频信号主要集中在300Hz～3400Hz之间，因此可设计带通滤波器降低系统带外噪声。如图6，采用优化的滤波器设计方法，电阻电容参数容易确定[5]，并可以方便地按需调整。上、下限截至频率分别为：

（6）

此外，为了抑制抑制50Hz工频干扰信号，设计了双T型陷波器如图7，其电压放大倍数和品质因素分别为：

（7）

5.实验结果

实验时，将音箱放在贴有反射镜的盒子内，激光束打在发射镜上反射回来后照射在一维PSD传感器光敏面上。当距离约10m时，通过示波器观察到还原后的语音信号波形如图8所示，其中图8（a）表示800Hz的单频率音频信号波形，图8（b）表示还原出的一串英文字母的波形。经测定，声音强度均为60dB左右。结果表明，设计的“基于PSD的激光语音还原系统”方案切实可行。此外，采用锁相放大技术或调制解调的方法处理PSD信号以及采用DSP数字信号处理芯片处理语音信号，将大大提高系统信噪比，这将是笔者后续改进的方向。

图8 实验结果

参考文献

[1]陈家壁，彭润玲.激光原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2008，8.

[2]田玉敏.基于DSP的激光侦听器语音处理研究[D].华中科技大学硕士论文，2007.

[3]江文杰，曾学文，施建华.光电技术[M].北京：科学出版社，2009.

[4]曾宪阳.PSD激光三角法测量扬声器薄壳振动模态[D].浙江师范大学硕士论文，2009.

[5]余水宝等.高阶RC有源滤波器优化综合技术研究[J].浙江师范大学学报，2009，32（3）.

[6]张超凡.激光窃听技术的改进与实现[J].激光与红外，2008，38（2）.

[7]罗海俊，朱晓.激光窃听技术的研究[J].激光与光电子学进展，2003，40（12）.

[8]康华光，陈大钦.电子技术基础模拟部分[M].高等教育出版社，2006.

浙江师范大学国家级大学生创新创业活动计划项目资助（项目编号：201310345008）。