[发明专利]基于后向瑞利散射回波相位角度变化的光纤振动侦测小波信号音频还原技术

说明书

技术领域

本发明涉及一种在极其微弱的振动信号对光纤进行扰动的情况下，实现音频还原的光纤侦听技术，适用于在相对较为安静的情况下，对极其微弱的音频信息进行光纤振动侦测音频还原的系统。主要用到的技术和原理有：声波导致光纤振动，瑞利散射反向回波检测、回波相位检测、相位微分跳变检测方法等。属光纤振动传感、光电信号转换、模数信号转换、监听等技术领域。

背景技术

基于瑞利散射原理的光纤侦听技术在目前国内外属于一项崭新的领域，当极其微弱的声音，经过空气传播到光纤上，引起光纤极其微弱的形变，从而产生后向瑞利散射信号强度与相位的扰动。通过检测该扰动信号的变化，可以实现音频还原。

当产生光纤扰动的声音极其微弱或者由于光缆铠装造成光纤形变过于微弱的时候，由于信噪比过低，信号极容易被背景噪声所淹没。造成音频还原后效果较差，无法辨别声音信息。利用后向瑞利散射强度检测方法无法实现极弱振动信息的良好还原。

发明内容

本发明涉及到的内容，主要解决在极其微弱的音频振动信息传递到光纤上，所引起的后向瑞利散射回波能量信噪比过低，从而无法对振源音频特征进行良好的解析还原。

为了解决上述问题，利用微分相位检测法，经过一元回归处理后，可极大的提高信噪比，实现良好的还原振源能量特征，解析出音频信息。

其中，微分相位检测法是利用极其微弱的振动信号传递到光纤上引起光纤振动形变过于微小，从而造成后向瑞利散射，能量幅度变化过小，信噪比过低的前提下，而后向瑞利散射的相位扰动比较大，根据该原理，只需要将相位扰动进行检测，即可较好的还原振动特征，从而实现音频还原的技术。

由于后向瑞利散射回波处于XY两个向量夹角的某一位置，设静态后向瑞利散射回波值为√ ,当小波振动造成一段时间内多个√累加后的平局值，小于n（√）其中n＞1的情况下，即采用相位检测法。

设α为后向瑞利回波与Y轴的静态夹角，则α的取值范围为0-α-π/2，由于小波扰动可能造成α正或负的微小跳动，设某一瞬态夹角为α_n，受到偏振镜限制α_n的取值范围仍然会在0-△α-π/2之间，则α-α_n=△α。该△α即为小波扰动所造成的相位偏移值

将每次检测到的△α依照直角坐标系横轴为时间，纵轴为0-π/2画线，即可得一条小波扰动相位曲线。把该曲线利用16进制转换最后将散点连线画出包络线进行数字还原，得到的数组作为wav文件的data部分，通过播放器即可播放出某处监听到的语音内容。由于测量值α_n是已知确定数，而此时原有静态相位角α为未知数据，可利用一元回归法对静态相位角α进行测算得到此时该变量的近似值αξ。

设√=b

则αξ=b1+b2α_¡+μ_¡

其中αξ为因变量

α_¡为自变量

b1、b2为静态时多次测量√数值的参数。

μ_¡为随机扰动项

如何确定b1、b2的值根据微积分使得残差平方和Σе_¡²最小。

即：

Q=Σе_¡²=Σ（Y_¡-Ŷ_¡）²=Σ（Y_¡-b1-b2X_¡）²=min

当Q=Σ（Y_¡-b1-b2X_¡）²对b1、b2的一阶偏阶导数为0时，Q达到最小值。

求解b1、b2得

注：其中x_i=（X_i-）、y_i=（Y_i-）即小写字母代表了变量与其均值的离差。

将b1、b2带入公式αξ＝b1+b2α_i+μ_i

求得

每次扫描得出Δα，将Δα在横轴为时间、纵轴为0-π/2，建立二维坐标系。可得出小波扰 动对后向瑞利散射回波的相位扰动散点。散点连线画出包络线进行数字还原，得到的数组作 为wav文件的data部分，通过播放器即可播放出该处的监听到的音频内容。