基于激光回馈效应的声音检测与重构研究

吴 鹏，秦水介，徐 宁

（1.贵州大学机械工程学院，贵州 贵阳550025；2.贵州省光电子技术及应用重点实验室，贵州贵阳550025）

1 引 言

声音检测技术是开展声场可视化、噪声识别与抑制、远程侦听等相关研究的基础和前提，在机械制造、材料科学、生物医疗和国防军事等领域具有非常重要的意义［1］。近年来，光学测量方法在测量领域的快速发展，尤其是激光测振仪的广泛应用，推动了声音检测技术的进步。 Pitts［2］等用CCD探测脉冲激光被水下超声波调制后的光强分布，计算出激光在声场中的相位变化及声场分布；Richoux［3］等利用粒子图像测速仪（PIV）测量声场中示踪粒子的运动速度，进而计算出声音强度，但是该方法需要加入示踪颗粒物；贺岩［4］等利用水面振动引起的反射光相位变化，实现了水下声音的单点测量。

激光声音检测技术主要是通过采集声场中的介质或物体振动信息，解调后得到声音的基本参数，进而可以计算出声源的物理特性及声场分布等信息［5-6］。但上述的几种测量方法需要在测量过程中设置特殊的测量目标或对像，不属于严格意义上的非接触测量，限制了激光声音检测技术的发展和应用。

目前，基于固体微片激光的回馈干涉测量方法［7-11］，具有极高的测量灵敏度，能够实现非配合目标的非接触测量，符合声音检测的技术特点和要求，且具有全固态、易准直、结构简单等优点。鉴于此，本文利用微片Nd∶YO4（钒酸钇）激光器构建了基于激光回馈干涉的声音检测系统，检测声场中的物体并测量其运动信息，通过计算机重构得到了具有较高信噪比的声音信号，实现了声音的远程非配合检测。

2 系统及工作原理

基于微片Nd∶YO4激光器的回馈干涉检测系统如图1所示，采用了激光回馈干涉和外差移频相位测量的原理。其中，ML（Micro Chip）为微片激光器，BS（Beam Splitter）为分光镜，AOMs（Acousto-Optic Modulators）为声光调制器组，L1、L2为凸透镜，BE（Beam Expander）为准直镜，PD（Photo Detector）为光电探测器，LIA（Lock-IN Amplifier）为锁相放大器。

图1 声音检测系统原理图Fig.1 Schematic diagram of sound detection system

微片Nd∶YO4激光器在半导体激光器的泵浦下输出1.064μm的激光，经透镜和准直镜后，其中一部分被目标反射沿原路回到激光谐振腔内，发生回馈干涉并引起激光器输出功率的调制。此时，AOMs使激光产生频率为2Ω的移频，形成移频回馈光，形成了外差回馈，提高了测量的灵敏度和精度。可以将移频回馈光对激光器输出功率的调制［12-13］表示为：

其中，G（x）为微片激光器对移频回馈光的增益放大系数，可以将其表示为：

其中，k为外腔光场在谐振腔内的耦合系数；γc为光子衰减速率；η为激光器泵浦强度；γ为反转粒子的衰减速率；ωR为激光弛豫振荡频率。当外差移频频率2Ω等于弛豫振荡频率时，其增益系数可以超过106。因此，外差移频回馈的测量方法大大降低了对测量目标表面反射率的要求，这也是激光移频回馈相位测量方法具有高测量灵敏度原因所在，微片激光器在回馈测量系统中不仅作为光源，还是一个高灵敏度的探测器。

光电探测器将其采集到的功率调制信号送入锁相放大器中进行解调，可以得到目标运动产生的相位变化，根据D=Δφ×c/2nω即可计算并记录目标的位移，进而分析得到振动的波形和频谱等。此外，高斯光束的发散角会使激光的功率密度在长距离传播后迅速降低，降低测量的信噪比。因此，激光束的准直对远距离的测量显得非常有必要。在图1的系统中使用透镜L1、L2和BE和准直镜BE对光束进行了两级准直，压缩了激光的空间发散角，有效地提高了系统的工作距离和回馈信号的强度。

3 实验研究及结果分析

为使研究工作尽可能与实际检测的环境相符合，在实验中使用普通白纸作为检测目标，它属于典型的非配合目标。将目标放置在扬声器产生的声场中，两者间的距离约为300 mm，扬声器的声压级为60 dB，系统距离目标的距离约为25 m。图2所示为移频回馈调制后的激光功率谱，其中，移频信号的频率为2 MHz，其信噪比超过15 dB。

图2 系统光功率谱Fig.2 Power spectrum of laser modulated

对单频声音信号的检测是声音检测研究的基础。实验利用软件生成标准的单频正弦波信号，输入扬声器后使其发出单一频率的声音信号，驱动目标振动。测量系统采集目标运动产生的相位变化，由锁相放大器进行相位识别和信号解调，计算得到目标的位移，经过数据处理以后，我们得到了目标的振动规律。改变声音信号的频率，分别检测了不同频率下目标的运动情况。图3所示为测量目标的振动波形（左）和频谱（右）。

图3 目标振动波形与频谱Fig.3 Vibration wave and spectrum of target

从图3可以发现，目标在不同频率的声音信号驱动下产生受迫振动，系统能够很好地识别目标的运动信息，并较好地测量了振动的频率和幅值。将测量得到的结果通过计算机重构得到了恢复后的声音信号，与原始信号基本一致。需要注意的是，目标对不同频率的声音信号具有不同的响应，使目标的振幅随驱动频率的增加逐渐降低，但这并不影响系统对声音信号的检测性能。系统的振幅测量范围由系统的检测带宽和波长决定：Am=Δν×λ/4πf，锁相放大器的检测带宽为200 kHz，波长为1.064μm，计算得到20 Hz～20 kHz频率范围内的最大振幅为0.424 mm和0.424μm，能够满足实际工作的需要。此外，图3中的信号发现在50 Hz内的低频段存在波动和噪声，产生的原因主要是远距离测量中，光路中的空气扰动、声光调制器的热蠕动、混入电路中的工频信号以及目标随空气的运动产生的信号波动等干扰的综合体现，通过滤波可以对其进行有效地抑制。

在单频声音信号检测的基础上，对一段音频信号进行了检测，结果如图4所示。

图4 检测结果Fig.4 Result of detection

图4为声音信号的波形（左）与频谱（右），从中可以发现，原始信号与恢复信号相比，存在较大的噪声，且高频区域的信号损失较大，这与目标对高频信号响应较弱的分析是一致的。采用数字滤波、放大等方式进行信号处理后，利用计算机重构得到了较为清晰的声音信号，基本恢复了原始声音信号中的信息。

3 结 论

本文将激光回馈技术应用于声音检测研究中，利用微片Nd∶YO4激光器构建了声音检测系统，实现了声音信号的远距离检测，能够较好地测量不同频率的声音信号，重构得到的音频信号清晰可辩。由于该系统具有非常高的检测灵敏度，无需在声场中设置特殊的测量目标，能够实现声音的非接触和非配合检测。该系统通过对激光的准直，工作距离超过25 m，能够满足多种场合声音检测工作的需要，具有较大的实际意义，在国防军事、远程侦听、安防安保等方面都有较大的应用前景。