光纤声音采集系统
声音采集原理
声音采集原理
声音采集是指获取声音信号并将其转化为数字信号的过程。
声音采集原理可以简单地分为两个步骤：声音传感和模拟信号转换成数字信号。
声音传感是指使用麦克风等设备将声音的机械能量转化为电能信号。
麦克风包含一个薄膜和一个线圈，当声音波传播到薄膜上时，薄膜的振动会导致线圈与磁场之间的磁通量发生变化。
这个变化会在线圈中产生感应电流，进而将声音信号转化为模拟电信号。
模拟信号转换成数字信号是指使用模数转换器（ADC）将模
拟电信号转化为数字信号。
ADC首先将连续的模拟信号进行
采样，即定期测量模拟信号的电压，并将其转化为离散值。
然后，ADC对这些离散值进行量化，即将其映射到离散的数值
范围内。
最后，ADC使用编码器将量化后的数值转化为二进
制数字信号。
通过以上两个步骤，声音采集系统将声音信号从模拟领域转换为数字领域。
数字化的声音信号可以进一步处理、存储和传输，使得我们能够进行各种音频应用，如语音识别、音频编解码等。
分布式光纤传感技术的分类
分布式光纤传感技术的分类一分布式光纤传感监测系统原理光的传播有一种叫做闪射现象。
闪射：当光束通过不均匀媒质时，部分光束将偏离原来方向而分散传播，从侧向也可以看到光的现象，叫做光的散射。
然后光的散射可以分成弹性散射跟非弹性散射。
弹性闪射主要有瑞利散射和米氏散射；非弹性散射包括布里渊散射，拉曼散射，康普顿散射等。
而分布式光纤传感监测系统，是采用不同的散射实现的，有基于拉曼光谱（Raman spectra），布里渊散射，瑞利散射等。
二分布式光纤传感监测系统分类分布式光纤有几种类型，经常看到的有DTS分布式光纤测温、DVS分布式光纤、DAS分布式光纤声波监测系统。
1. DVS防区型是通过划分防区进行监测的，而且当某个位置入侵后不能准确定位到具体位置，只能知道在某个防区，所以划分防区就很重要。
我们一般建议是50m-200m 一个防区，总防区一般为16个以内。
这样就能快速的定位到入侵位置（因为距离比较短）。
主要用在一些建筑的周届安防上，而且安装比较复杂，不能应用于长距离传输，价格不贵，当长距离定位型的DVS 价格降下来后，防区型的DVS慢慢没有优势了。
2. 分布式光纤振动传感系统（DVS）根据振动进行测量的，基于瑞利后向干涉；定位精度，跟监测距离长度是2个比较重要的指标；目前国内领先水平是40km左右,定位精度在5米这样，再高的距离到50KM,60KM，相比于防区型，DVS能够准确的定位出入侵位置，所以定位精度很重要。
目前该系统功能完善，可提供用户需要的功能。
可视化报警显示：提供形象的可视化显示界面，通过图形组态模块将光纤位置映射到图像上，一旦某点发生入侵事故，报警信息直接显示在图像上，形象直观。
振动曲线显示：系统可以实时显示整个光缆的振动信号分布曲线，当某处振动信号应变异常时，通过曲线可以显示该处实时信息分区/ 分级事件报警：提供多种灵活的报警方式，报警参数可以分级、分区域设置。
历史统计分析：提供历史振动数据统计分析功能，包括：a. 某时刻光缆不同位置的振动分布曲线b. 某时段光缆某点的振动变化曲线3. 分布式光纤声波监测系统（DAS）该系统检测声音，原理是基于振动测量；跟DVS的区别是DAS相位解调，能线性还原声音，DVS没有相位调解，无法还原声音；在能源，石油，燃气管道等等场景中开始使用。
DAS技术
分布式声波传感系统（Distributed Acoustic Sensing,DAS）1. 传感测量的发展历程20世纪70年代，低损耗石英光纤问世，研究人员对光纤的损耗机制产生了浓厚的兴趣，在研究中发现，近红外吸收窗口的光波损耗主要源于瑞利散射。
通过对后向瑞利散射的探测可以实现光纤损耗和缺陷的测试，研究人员依此发明了光时域反射计(OTDR)，这一技术极大推动了光纤通信事业的发展。
20世纪80年代，人们在OTDR的使用中发现了瑞利散射的干涉效应，探测到的瑞利背向散射光强度会随时空变化，这严重影响了光纤损耗评估的准确性。
为解决这一问题，大量研究工作聚集于相干瑞利散射的机理与特性，这加速了相干OTDR的诞生，并将相干OTDR用于测量超长距离光纤通信线路状态。
20世纪90年代初，H. F. Taylor等人提出利用这一干涉效应进行光纤沿线扰动探测的设想，并开展了验证性试验和测试。
随后R. Juskaitis等人发表了第一篇基于相干瑞利散射的分布式光纤振动传感的学术论文。
21世纪初，随着窄线宽单频激光器技术的成熟和商业化，这一技术得以迅速发展，并称为相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)。
这一阶段的Φ-OTDR是通过直接探测方式获取相干瑞利散射回波的强度，对前后时间内的强度信息进行差分，实现外界扰动动态检测的。
但是，施加在光纤上的物理量变化与散射光强度并不是呈单调变化的，这一信号解调方式只能定性判断扰动事件的有无，难以直接获取扰动信号的准确波形。
这一定性检测阶段的Φ-OTDR通常被称为分布式光纤振动传感(DVS)技术。
2011年，中科院上海光机所在国际上率先提出和开展了基于光纤瑞利散射相位提取的Φ-OTDR技术研究。
研究人员利用瑞利散射光相位空间差分与外界振动的线性映射关系，通过数字相干相位解调，首次实现了光纤沿线外界振动信号的分布式定量化测量，这标志着Φ-OTDR步入定量测量阶段，即分布式光纤声波传感技术(DAS)。
光缆监测系统介绍
光缆监测系统介绍光缆监测系统介绍是根据《YDN 010-1998光缆线路自动监测系统技术条件》和《ITU-T Rec. M3010 1997 Definition of principles and concepts for a telecommunications management network》研制开发的光缆网络管理系统，它为用户提供了直观、方便、快捷的光纤网监控、管理工具，提高了网络维护工作效率、大大缩短了故障时间；在开发该系统时，我们从系统的功能和软件的实现两方面均采用了模块化的设计思想，采用了商用数据库和Java语言开发，组网平台为TCP/IP协议，采用客户服务器（Client/Server/Database）方式，大大优化了系统结构，其可维护性和可扩展性十分好，可以不断地吸收和实现现场维护技术的新要求，建立优化的专家系统及经验模型，是一个具有综合能力的管理系统。
1．光缆监测系统介绍结构光缆监测系统介绍是一个基于WEB方式的分布式光缆在线监控系统，它由监测站（RTU子站）和管理中心（主站）构成。
系统的组网方式灵活多样，既可以运行在数据网上，又可以运行在电话网上，同时还可以运行在INTERNET 网上。
由于系统采用JAVA语言开发，因此可以根据系统的大小，进行灵活配置，它既可运行在小型机或工作站的UNIX操作系统下，又可以运行在微机的LINUX或WINDOWS操作系统下。
另外，由于客户端采用的是基于浏览器方式的界面，因此对用户而言，操作界面简单，可维护性好。
2．监测中心（主站）构成硬件：服务器、客户终端计算机、网络通信设备、打印输出设备等。
系统软件：操作系统（WINDOWS、UNIX、LINUX)、数据库（SQL SERVER、ORACLE）功能软件：数据采集模块、告警模块、数据库模块、WEB服务模块、OTDR测试模块、时钟模块、图形模块、曲线模块、GIS模块、报表系统模块、用户管理模块、资源管理模块等。
LMS-SCADAS多功能数据采集系统简介
数据采集系统LMS SCADAS多功能数据采集系统当今，产品的研发周期越来越短，用于产品性能测试的时间越来越少。
在全球的各个行业中，试验部门正承受着巨大的压力——要用尽量少的时间和资源配合产品的设计与更新，完成尽可能多的试验任务。
LMS SCADAS数据采集系统能够保证完成各种类型的试验任务，并且其高性能、高效率的特点，可以让试验工程师更充分地利用资源，同时完成多项试验任务，大大地缩短试验周期。
LMS SCADAS硬件以其卓越的性能和高度的可靠性著称，无论是进行试验室测试还是现场测试都能保证最优的测试质量和精度。
LMS SCADAS硬件与LMS b和LMS Test.Xpress软件无缝集成，可以快速完成所有的测试设置，在保证最佳数据质量和精度的同时，高效地完成测试任务。
正由于LMS SCADAS硬件具有如此多的优点，全球范围内每天都有数以万计的用户正在使用LMS产品进行着测试工作，采集各种试验数据。
为您量身定制的LMS SCADAS解决方案——保证随时随地的完美表现LMS SCADAS硬件的最大优点是灵活性与可扩展性，有多种型号可供客户选择－从紧凑的便携式系统，全自动的智能记录仪，直至大通道数的试验室系统。
LMS SCADAS硬件支持多种传感器，具有多种信号调理功能，是进行噪声、振动、声学和耐久性等试验任务的理想前端。
最重要的是，LMS SCADAS 注重多功能性，即可以作为一个移动的前端使用，也可以作为独立的记录仪在外场使用。
同时，LMS SCADAS硬件还为在恶劣条件下进行声学测试或耐久性数据采集提供了统一的测试系统。
“LMS SCADAS系统注重于应用的多样性，使用户的投入获得最大的回报。
”•通用的硬件平台，同时适用于试验室测试、外场测试，并支持记录仪模式，独立地完成数据采集•专业用于噪声、振动、声学和疲劳耐久性能测试•集便捷性、灵活性及试验稳定性于一体•模块化设计，具有强大的可扩展性能，充分保证硬件投资的延续性•强大的并行信号处理能力，充分保证高通道数、大系统的可靠性和稳定性注重灵活性：LMS SCADAS解决方案能够满足您的任何测试需求专为噪声、振动与疲劳耐久性数据采集设计无论您想采集转速、加速度、速度、力、位移、应变、温度、声音、扭矩、压力、CAN，还是GPS数据；无论是某一单一信号，还是多种信号——LMS SCADAS均可提供一个灵活而成熟的解决方案。
光纤传感网络中的数据采集与传输方法
光纤传感网络中的数据采集与传输方法光纤传感网络是一种基于光纤传输技术的传感系统，利用光纤作为传感元件来实现对物理量的测量和监测。
在光纤传感网络中，数据采集和传输是至关重要的环节，它直接影响到传感系统的灵敏度、精度和实时性。
因此，合理选择和应用适当的数据采集与传输方法对于光纤传感网络的稳定运行和准确测量至关重要。
数据采集是指通过传感器将环境或物体的某种物理量转换为电信号的过程。
在光纤传感网络中，常用的数据采集方法包括光波调制、频率调制和幅度调制。
光波调制是一种通过改变光纤中的光波强度或频率来实现数据采集的方法。
具体而言，可以利用光调制器或光电转换器对光信号进行调制，然后通过光纤将调制后的信号传输到信号解调器进行解调。
这种方法主要适用于光纤温度传感和光纤压力传感等应用。
频率调制是一种通过改变光纤中的光信号频率来实现数据采集的方法。
在频率调制中，可以利用光调制器和振荡器对光信号进行频率调制，然后通过光纤将调制后的信号传输到频率解调器进行解调。
这种方法常用于光纤振动传感和光纤应力传感等应用。
幅度调制是一种通过改变光纤中的光信号幅度来实现数据采集的方法。
在幅度调制中，可以利用光调制器和放大器对光信号进行幅度调制，然后通过光纤将调制后的信号传输到幅度解调器进行解调。
这种方法常用于光纤形变传感和光纤位移传感等应用。
与数据采集相比，数据传输是将采集到的光信号从传感器传输到信号处理器或数据分析系统的过程。
在光纤传感网络中，常用的数据传输方法包括直接传输法、间接传输法和无线传输法。
直接传输法是一种将光信号直接通过光纤传输的方法。
这种方法需要保持光纤传输链路的稳定性和完整性，以确保数据信号的实时性和精度。
直接传输法适用于对数据实时性要求较高的应用领域，如结构监测和环境监测等。
间接传输法是一种将光信号通过传感器输出电信号，再通过电缆或无线方式传输的方法。
这种方法对光纤传输链路的要求较低，但会引入一定的电磁干扰和信号衰减。
全智能化分布式光纤声波传感器的信号处理方法
全智能化分布式光纤声波传感器的信号处理方法全智能化分布式光纤声波传感器是一种先进的测量设备，它利用光纤作为传感器，可以同时测量和记录声音的强度、频率和相位等参数。
这种传感器在很多领域都有广泛的应用，如地震勘探、石油和天然气勘探、环境监测、医疗诊断等。
信号处理是全智能化分布式光纤声波传感器的重要组成部分，它可以对传感器采集的声音信号进行去噪、增强、特征提取和分类等处理，以提高信号的质量和识别率。
全智能化分布式光纤声波传感器的信号处理方法主要包括以下几个步骤：一、信号采集全智能化分布式光纤声波传感器的信号采集过程是通过在特定区域内铺设光纤传感器，利用光纤作为传感器件，检测声音信号并转换为电信号。
在采集过程中，需要确保传感器的灵敏度和响应速度，以便准确地测量声音信号。
二、信号预处理由于采集到的声音信号中往往存在噪声和干扰，需要进行预处理以提高信号的质量。
预处理包括滤波去噪、放大、压缩等操作，可以有效地去除干扰和噪声，同时保护信号的细节和特征。
三、特征提取在预处理之后，需要对声音信号进行特征提取，将其转化为可以用于分类和识别的特征向量。
特征提取的方法包括时域特征、频域特征、倒谱特征等，根据不同的应用场景选择合适的特征提取方法。
四、信号分类和识别全智能化分布式光纤声波传感器的一个重要应用就是对声音进行分类和识别。
通过对提取的特征进行分类和识别，可以实现对声音的自动识别和分类。
常用的分类方法包括支持向量机（SVM）、人工神经网络（ANN）、决策树（DT）等。
五、智能化决策和控制全智能化分布式光纤声波传感器的最终目标是实现智能化决策和控制。
通过对声音信号的采集、预处理、特征提取、分类和识别等步骤，可以实现对声音的智能化监测和控制。
例如，可以利用这种传感器监测环境中的噪声污染源，实现对其控制和管理；也可以利用这种传感器监测医疗设备的声音信号，实现对其诊断和治疗过程的智能化控制。
总之，全智能化分布式光纤声波传感器的信号处理方法是一种非常先进的技术，它可以实现对声音信号的全面监测和控制。
基于双声光调制器串联实现光学下变频的分布式光纤振动声波传感系统
专利名称：基于双声光调制器串联实现光学下变频的分布式光纤振动声波传感系统
专利类型：发明专利
发明人：纪然然,宛立君,周广喆,李东明,严爱博,李博
申请号：CN202111238094.2
申请日：20211025
公开号：CN113970368A
公开日：
20220125
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及光时域反射仪技术领域，尤其是一种基于双声光调制器串联实现光学下变频的分布式光纤振动声波传感系统，包括解调电路板和下变频光路模块，所述解调电路板包括有主控单元、AD模块、光电探测器模块、驱动信号调理模块、网口模块和串口模块，所述下变频光路模块包括有窄线宽光源、光纤分束器、声光调制器组合、光纤放大器、光纤环形器和光纤合束器，本发明能够减小系统后端数据采集与解调处理的数据量压力，降低系统后端采集硬件的性能要求，提高相位解调的实时性。
申请人：中国船舶重工集团公司第七一五研究所
地址：310023 浙江省杭州市西湖区留下街道屏峰715号
国籍：CN
代理机构：杭州赛科专利代理事务所(普通合伙)
代理人：宋飞燕
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摘要：科技的发展带来许多电磁干扰或射频干扰的恶劣环境，要想解决电磁干扰问题的，必须从本质上改变麦克风的工作模式。
文章提出了利用激光的传输频带宽、通信容量大和抗电磁干扰能力强等优点，研制一种基于光相位干涉的高灵敏度声音采集系统。
光纤声音采集能够传送非常高的声音质量，适用于多种恶劣环境下的声音采集。
关键词：光纤声音采集、干涉型光纤传感器
引言：
麦克风在声场和电场中起着重要的沟通界面，它可将声音信号传至任何地方或者记忆装置。
传统型的使用电磁场或静电场来产生动作，外部的强电磁场影响会阻绝这些装置的功能。
本项目研制的光纤声音采集系统是一种新颖的声音信号传感器，在反射式强度型光纤传感器的原理基础上，利用激光来采集声音信号，由于它与传统的麦克风有着本质的区别，所以在使用方面具有很大的优越性。
系统由非导磁材料制成，其主要工作本体是光，即使在强电磁场或高射频环境中也能正常工作。
把光纤应用于麦克风，充分利用了光纤传感器体积小、结构简单、灵敏度高、抗电磁干扰且光纤本身低损耗、耐腐蚀、安全可靠等优良特性。
1、系统结构
本系统利用干涉型光纤传感器的原理，开发基于光相位干涉的高灵敏度声音采集系统，由光纤传感探头、光路系统、光信号调制解调器等部分组成。
干涉型光纤传感器通常将被测量转化为光信号的相位，因此，相位测量是该类型传感器信号处理的基本要求。
若直接对相位进行测量，那么有两个问题将限制系统的性能：一是系统受到环境的干扰时被测相位会产生随机漂移，从而引入测量误差，此外，相位漂移还会导致信号衰减；二是直接测相意味着直流检测，信号处理易受电路直流漂移的影响。
针对这两个问题引出了相位生成载波技术。
相位生成载波调制是在被测信号带宽以外的某一频带之外引入大幅度的相位调制，被测信号则位于调制信号的边带上，这样就把外界干扰的影响转化为对调制信号的影响，且把被测信号频带与低频干扰频带分开，以利于后续的噪声分离。
项目研制的光纤声音采集系统，在对传统michelson干涉仪加以改进的基础上，通过构造由光纤耦合器和振动膜组成的动态michelson干涉光路，能够将外界声压对振膜的作用转化为对光路相位的调制，得到的干涉光信号直接光电转换后即可解调还原声音信号。
在多种干涉型光纤传感器的解调方法中，相位生成载波解调技术（pgc）由于是一种无源解调技术，并具有高灵敏度、大动态范围和好的线性度而得到广泛的应用。
2、系统原理
2.1光纤传感探头原理：
激光器发出的激光经耦合器到达传输光纤，由光纤出射的光束照射到振动膜上，传输光纤出射端面m1与振动膜构成一个干涉腔，从两表面反射回的光进行干涉，干涉光再经耦合器由光电探测器接收，外界声音信号通过改变干涉腔的光纤出射端面m1和振动膜之间的距离对光相位进行调制。
系统中半导体激光器发出的光源光频随输入的调制电流线性变化，振动膜采用硅微技术进行研制。
2.2解调原理：
光纤声音采集系统中的调制解调器是由光源，光电转换器，高增益微弱信号放大电路，背景噪声消除器等组成。
光源向光纤传感头发射一稳定的激光，传感头内的振动薄膜被周围声音振动信号带动，从而对发射到振动薄膜上的激光进行相位调制后再反射回去，被调制的激光在光路系统里发生干涉，形成携带微弱声音强度的激光信号，光电转换系统的探测器将此激光信号转换成电信号，再经高增益微弱信号放大，pgc解调，噪声滤除，后将解调后的电信号还原成声音信号输出。
设干涉仪两反射光相位差为θ（t），光电探测器输出的光强：i=a+bcosθ（t）
其中θ（t）=φ（t）+ψs（t）+ψ0（t），φ（t）=ccosω0t为调制光源产生的相位差，ψs（t）为信号作用干涉仪产生的相位差，ψ0（t）为外界环境影响和初始的相位差。
pgc解调部分经高通滤波后所得解调结果为ghb2j1（c）j2（c）ψs（t），除去参数g、h、b、c的影响，可以得到解调出的声信号ψs（t）。
直接调制光源的pgc解调原理框图如下图：图2.2 直接调制光源的 pgc解调方案框图
3、关键技术及技术可行性分析
3.1声光转换，系统稳定性
本项目最关键的技术难题就是如何高保真的把声音信号转换成光信号，送至调制解调器处理。
目前最常用的就是利用被声音带动的振膜，将声音信号调制到光信号上，振膜越薄，振幅越大，采集到的声音信号就越清晰，保真度越高，但越容易受温度影响而产生形变，这是项目前期实验中遇到的最主要问题。
要解决这个问题，需找一种受温度影响形变尽量小的材料做振膜；另一种解决办法是在光源端对发射光相位进行调制，在振膜发生形变时及时调制出射光信号，保证对声音采集的最佳效果。
3.2背景噪声消除
降噪是保证声音质量的一个重要步骤，在公共场合采集声音信号时，采集的信号里往往会掺杂许多干扰噪声需要滤除。
如当人正全神贯注侦听声音时，有声浪或尖利的声响突然传来，很容易对人耳造成伤害。
所以，系统对采集到声音信号要进行实施窗口限制来进行降幅处理。
其原理为：①先将麦克风侦测到的耳朵能听到的环境中低频噪音（100～1000hz）提取出来；②再将噪声讯号传至控制电路，控制电路进行实时运算，生成一个与噪音相位相反、振幅相同的信号来抵消噪音。
4、结束语
本文提出了一种利用干涉型光纤传感器的原理，基于光相位干涉的高灵敏度声音采集系统。
研制的光纤声音采集系统与普通的声音采集系统相比，其优势在于：①前端是无源的，光纤传感探头感应的声音信息通过光缆传输到后端，光缆对信号的衰减比电缆小。
②前端及传输线没有半导体元件，不受电磁场的影响，可以在强磁场环境下工作。
③光纤声音采集系统的灵敏度、动态范围、音质等将优于普通声音采集系统。
④体积小，保密性强。
因此，本系统特别适合在人类无法近临的易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下进行长期的大规模应用，具有传统的电传感器无法比拟的优越性。