一种基于光纤迈克尔逊干涉仪的声源定位系统.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN110161458A(43)申请公布日2019.08.23(21)申请号201910296322.8(22)申请日2019.04.13(71)申请人复旦大学地址200433上海市杨浦区邯郸路220号(72)发明人吴红艳贾波王翦穆静(74)专利代理机构上海正旦专利代理有限公司31200代理人陆飞陆尤(51)Int.Cl.G01S5/22(2006.01)G01H9/00(2006.01)权利要求书2页说明书4页附图3页(54)发明名称一种基于光纤迈克尔逊干涉仪的声源定位系统(57)摘要本发明属于光纤传感及信号处理技术领域，具体为一种基于光纤迈克尔逊干涉仪的声源定位系统。是由N个光纤迈克尔逊干涉仪构成的阵列系统，包括分布式反馈激光器、1×N分束器、N个3×3光纤耦合器、2N个光纤线圈、2N个法拉第旋转镜、2N个PIN光电探测器、数据采集设备和装有声源定位软件的计算机。激光器发出的光经1×N分束器被均分成N束，分别进入N个不同的光纤迈克尔逊干涉仪进行干涉，每个光纤迈克尔逊干涉仪到达声源的位置不同，到达光纤迈克尔逊干涉仪的信号之间存在时间差。根据时间差并通过建立几何模型可以计算得到声源的位置。本发明能够有效确定声源位置，具有较高的灵敏度和精度，在声测定位领域有着巨大的应用价值。CN110161458ACN110161458A权利要求书1/2页1.一种基于光纤迈克尔逊干涉仪的声源定位系统，其特征在于，由N个光纤迈克尔逊干涉仪构成的阵列系统，具体包括：分布式反馈激光器，1×N分束器，N个3×3光纤耦合器，N个参考臂光纤线圈，N个传感臂光纤线圈：S1，S2,…,SN，2N个法拉第旋转镜，2N个PIN型光电探测器：PINAi和PINBi，i=1，2，…,N，数据采集设备DAQ和装有声源定位软件的计算机；PINAi和PINBi为第i个传感器对应的两路输出信号的光电探测器；其中，计算机与数据采集设备之间，数据采集设备分别与PINAi和PINBi之间，由电缆连接；分布式反馈激光器与1×N分束器之间，1×N分束器与N个3×3光纤耦合器之间，N个3×3光纤耦合器与N个参考臂光纤线圈之间，N个3×3光纤耦合器与N个传感臂光纤线圈：S1，S2,…,SN之间，N个参考臂光纤线圈和N个传感臂光纤线圈：S1，S2,…,SN分别与2N个法拉第旋转镜之间，由单模光纤依次对应连接；工作时，光源发出的光经1×N分束器被均分成N束，分别进入N个不同的迈克尔逊干涉仪进行干涉，每个光纤迈克尔逊干涉仪均看作一个阵列单元，由于每个阵列单元到达声源的位置不同，到达阵列单元的信号之间存在到达时间差TDOA；根据TDOA并通过建立几何模型便计算得到声源的位置；其中，干涉信号通过PIN光电探测器进行采集，并输入到计算机，通过有声源定位软件实现声源定位计算。2.根据权利要求1所述的基于光纤迈克尔逊干涉仪的声源定位系统，其特征在于，所述声源定位软件包含如下算法：设有一个频率为ω的外界扰动施加到系统时，在光纤中产生一个相位变化：（1）为初始相位，具有相位差的光在耦合器中汇合时发生干涉，得到干涉光如下：（2）Ai、Bi为与输入光功率大小有关的常量，通过对PIN光探测器采集到的干涉信号进行解调，得到相位信号，从而进一步分析得到外部声压信号；设x0(t)x2(t)x3(t)...xM-1(t)表示各迈克尔逊干涉仪探头接收到的信号，由于到声源的距离不同，到达阵列单元的信号之间存在到达时间差TDOA；根据TDOA并通过建立几何模型计算得到声源的位置：在检测到干扰信号并传输到计算机后，通过解调提取相位信号；当发生大的扰动时,动态范围的会超过2π，此时，式(2)中的IAi(t)和IBi(t)根据三角函数的性质得到它们的最大值和最小值；利用这些最大值和最小值以及反三角函数能够计算出相位信号，而相位信号就代表了传感器接收到的声音信号；声源和传感器探头之间的距离是不同的，所以声音从声源到每个探头的传播时间是不同的，用ti表示；将声源信号简化为s(t)，则到各探头i的信号表示为：（3）其中，是声压衰减因子，是传播过程中的外加噪声；由于实际获取的信号是离散2CN110161458A权利要求书2/2页的，计算时用n代替t：（4）其中，i=0,1,…,M-1，N代表信号的采样点，信号的互相关函数计算如下：（5）将式(4)代入(5)，展开如下：（6）在计算时可以忽略式(6)中最后三个分量；式(6)简化为：（7）当时，取最大值；因此，根据互相关函数的峰值得到两路信号的时延；为了减少互相关函数的计算量，在进行时延估计之前对信号进行拦截，采用端点检测算法获取某一信号段的起始点；截取20毫秒的信号段进行互相关计算；设声源坐标为(x,y,z)，传感光纤线圈