基于虚拟仪器技术的激光监听系统设计

叶嘉权， 梁佩莹， 王 瑶， 曹 辉， 王宇华

(佛山科学技术学院 光信息工程系， 广东 佛山 528000)



基于虚拟仪器技术的激光监听系统设计

叶嘉权， 梁佩莹， 王 瑶， 曹 辉， 王宇华

(佛山科学技术学院 光信息工程系， 广东 佛山 528000)

运用虚拟仪器技术及图形化编程软件LabVIEW，对激光监听装置的输出信息进行采集和处理，以实现长距离的激光监听探测。激光监听装置采用迈克尔逊干涉光路的原理设计，激光器发射激光并由分光器分为待测光与参考光两路相干光束，待测光经过声音信号调制后，与参考光在光电传感器接收面上实现干涉混频，利用LabVIEW控件对采集的信号进行数据分析、声音还原、声音文件播放和保存等处理。这种方法与传统基于文本编程的语音内容解析方法相比，具有开发过程简单，成本低，人机交互界面友好等优点。实验结果表明，设计的基于虚拟仪器技术的激光监听系统可以探测15～20 m外房间窗户的声音信息，效果良好。

激光监听； 振动测量； 迈克尔逊干涉； LabVIEW； 声音还原

0 引 言

随着现代社会的发展，声音作为信息传递的一种形式，其重要性日趋明显，关于语音内容解析的研究也得以关注和发展，尤其在工业控制，人工智能等行业，关于语音信息的采集、分析、识别等得以广泛的应用。传统的声音音频信息采集研究大多数是基于C，Java，Matlab等文本编程软件，但由于其需要编写大量的文本编程语言，进行数据处理时较为繁琐，且其程序执行顺序取决于程序文本顺序，使程序在灵活性这一方面较为欠缺。本文采用的LabVIEW编程软件是一种图形化编程软件，通过调用相关控件，定义它们的连接关系，并根据程序框图中的数据流向决定其执行的顺序[1]。由于其编程方式简易，且具有强大的数据分析，通讯协议，工程控制等控件模块，该软件已经在科研领域，高校等得到广泛的应用。 在激光监听实验中使用LabVIEW软件，结合NI数据采集卡通过对来自语音内容解析装置的电信号进行处理，在LabVIEW编程环境下进行还原声音，保存声音文件等处理，进而实现语音内容的解析。

1 语音内容解析系统的总体方案设计

激光监听系统主要包括基于干涉效应的语音内容解析装置以及基于LabVIEW的语音信息处理系统两部分。语音内容解析装置是基于迈克尔逊干涉原理，利用激光探测，因为声音引起的玻璃窗轻微振动，通过光电传感器采集经玻璃窗反射回来的测量光信号以及参考光信号，在光敏面发生干涉效应，最后在输出端输出电信号。而输出的电信号经数据采集卡把信号送到LabVIEW语音信息处理系统中进行数据处理，最终生成音频文件并播放，从而实现了房内声音的语音解析。图1为设计的激光监听系统。

图1 设计的激光监听系统

2 基于LabVIEW的语音内容解析程序设计

2.1 语音内容解析装置输出信号理论分析

激光监听系统的语音内容解析装置利用迈克尔逊干涉原理，工作原理如下：氦氖激光器发射出一束激光，经反射镜M1,M2两次反射后到达1∶1分光片进行分光，得到一束反射光和一束透射光[2],透射光经过透镜的聚焦作用，到达目标探测点——模拟小屋的表面上，由于声音的存在会引起小屋玻璃窗的微弱振动，且振动情况与声音的频率有关[3-4]，当有激光照射到玻璃窗面，激光被反射，窗面振动信息被调制到反射光信号上。通过对反射光信号进行分析以实现语音内容解析。语音内容解析装置设置了两个光电传感器，一个用作转换参考光与测量光干涉后的光信号，另外一个用作参考光信号转换，两路传感器输出的电信号经差分电路作用可降低噪声的影响[5]。

图2 语音内容解析装置光路图

传感器Q1输出的电信号为：

(1)

传感器Q2检测到的成分为包括直流光强、多普勒相位余弦调制的光信号和光噪声。其输出电信号为：

(2)

式中：a、c为由传感器输出后经前置放大的直流分量；b，d为电压增益常数；φ(t)为语音内容引起玻璃窗面振动产生的多普勒相位；Δφ0为光程差引起的相位差N(t)为激光的光噪声输出。

调节到电压增益常数一致时，即b=d，将式(2)减去式(1)得到：

(3)

由式(3)可见光噪声一项经差分被消去，从而实现抑制光噪声的目的。

2.2 信号采集

语音内容解析装置输出的电信号被采集到电脑上，用LabVIEW程序进行进一步的数据处理，还原出真实的语音内容。本文使用的采集卡是NI公司的DAQ6221数据采集卡,其采样频率高达250 kHz，远大于声音引起玻璃振动而使光波产生的多普勒频移，能多路模拟信号进行16 bit A/D转换，具有采集精度高，量化误差小，实时性强等优点。通过LabVIEW程序获得解析装置输出信号后，还需对信号进行频谱滤波，信号解析等数据处理，以实现声音解析，其LabVIEW程序设计框图如图3所示。

图3 LabVIEW程序设计框图

2.3 频谱滤波

语音内容解析装置的输出信号经过差分电路的作用抑制了光噪声带来的影响，但所得的信号除了与语音内容相关的电信号外，还包含由于环境振动，空气波动而产生的幅值较大，频率较低的噪声信号，这些噪声信号会对语音内容的解析产生较大的干扰，所以必须进行滤波。数字滤波器包括有限长FIR(Finite Impulse Response)滤波器和无限长IIR(Infinite Impulse Response)滤波器[6]。在需要较高选择性的滤波环境中，FIR滤波器所需的阶数较高，给设计带来困难。而IIR滤波器的单位脉冲响应是无限长的，其传递函数在z平面上存在极点[6]，且极点并非固定，所以可用较低阶数实现较高的选择性，简化设计过程，降低成本。

在LabVIEW频谱滤波程序中，我们使用无限长冲激响应(IIR)带通滤波器[7]，LabVIEW控件如图4所示，采用反Chebyshev拓扑结构对0.02～20 kHz之外的环境噪声信号进行滤除[8-9]。所得信号频谱不仅保留了人耳敏感的声音频率范围，还可去除残留频率高于20 kHz的光噪声，从而突出采集到语音内容，便于提取。图5为安静环境下经带通滤波后的频谱图。

图4 IIR带通滤波器

图5 安静环境下经带通滤波的频谱图

仔细观察图5可以发现，经带通滤波处理后，在通带范围内还存在一些噪声，因此在该范围内进行带阻滤波，剔除噪声成分。图6是经过整个滤波程序处理前后的对比图。可以看出，经过频谱滤波程序处理后，信号频率主要集中在200～1 500 Hz，剔除了低频和高频的噪声信号[10-11]，信号波形为明显的波包。

2.4 声音信号还原

信号经过滤波程序处理后，所得的信号是屋内的声音信号，我们用LabVIEW声音还原程序对其进行归一化处理。即剔除式(3)中直流分量那一项，然后对电压增益系数进行归一化，可得：

(4)

若小屋玻璃面的振动离面位移为x(t)，其位移量与时间有关，则由其引起的光学电场产生的多普勒相移φ(t)与x(t)存在以下关系[12-13]：

(5)

(a) 滤波前波形

(b) 滤波后波形

(c) 滤波前频谱

(d) 滤波后频谱

图6 经整个滤波程序处理前后对比图

然后对式(4)进行反余弦函数变换，结合式(5)并进行抽样后得[14]：

(6)

由式(6)可知，其数字信号L(i)与玻璃窗面振动量x(i)有关，且成线性关系，可用LabVIEW程序直接保存为wav格式文件，对语音内容进行保存。

LabVIEW控件中有声音信号处理的模块，通过调用该模块的控件，按照写入、读取播放、保存的顺序，并用数据连接线确定其连接关系，便可以对上述的声音信号进行还原，实现对屋内语音内容的解析。

语音内容播放及保存程序如图7所示，采用LabVIEW软件调用声音写入文件、声音配置、声音播放、声音保存等控件对变换后得到的声音数字信号进行播放以及保存为wav文件[15]。图8是经过整个还原程序处理后所得的声音时域波形图,可以看出，当模拟小屋有字符声音信号时，系统能探测到明显的信号波包[16]。

图7 语音内容播放及保存程序

图8 声音还原文件的波形图

3 结 语

LabVIEW软件功能齐全，函数丰富，提高了编程的效率。通过调用显示控件，可在前面板直接观察信号波形，这对程序的调试及日后的维护都提供了一定的便利。使用LabVIEW软件的声音信息处理模块，对语音内容解析装置输出的信号进行采集，频谱滤波，声音还原处理，并将声音信息保存成音频文件，同时用LabVIEW程序播放音频文件，只要在计算机接入音频输出设备便可以听到小屋内声音信息，实现了语音内容的解析。与传统的语音内容解析系统相比，本装置具有成本低、操作简单、人机交互性好、效率高等优点。

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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

国家自然科学基金项目(61275214); 广东省公益研究与能力建设专项资金项目(2015A010103017, 2015B0101014); 广东省教改项目(GDJG20142366)；2014年度国家级大学生创新训练项目(201411847004)

叶嘉权(1993-)，男，广东佛山人，本科生，主要研究方向为光电检测与传感。

梁佩莹，女，广东佛山人，博士，讲师，主要研究方向为光信息处理。E-mail:13450809109@163.com

TN 249

A

1006-7167(2016)09-0130-04