光纤声传感器的信号处理方法研究
摘 要光纤声传感器是一种精细的，实现了光电一体化的传感器。由于其具有灵敏程度高,隐蔽性能好，动态范围大,检测频带宽,抗电磁干扰能力强等优点，使其在军用领域、工业领域及医学护理等领域都获得了广泛的应用。然而也正是因其对声音信号比其它传感器更加敏感这一优势，使得光纤声传感器可以检测到比其它传感器更多的噪声干扰。所以对光纤声传感器信号进行降噪处理研究是十分必要的，具有重要的现实意义。本文主要介绍了光纤声传感器的基本原理，还涉及到了对光纤声传感器信号进行端点检测的基本原理及其具体实现。此外，还介绍了三种不同的信号降噪方法，分别是谱减降噪法，小波分析法和维纳滤波法，并通过对三种方法原理的介绍分析了其各自的优缺点和适用范围。最后对光纤声传感器信号进行端点检测和降噪处理的实验研究，并对三种降噪算法的降噪效果进行了简单的比较。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1 课题研究背景及目的 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 本文研究的主要内容 4
1.4 本章小结 4
第2章 光纤声传感器的基本原理 5
2.1光纤传感器 5
2.2光纤声传感器及其优势 5
2.3光纤声传感器的基本框架结构 6
2.4光纤声传感器的分类 7
2.4.1相位型 8
2.4.2振幅型 8
2.5光纤声传感器需求分析 9
2.6本章小结 10
第3章 光纤声传感器信号的端点检测 11
3.1端点检测方法概述 11
3.2 端点检测的具体步骤 11
3.3 短时能量法的基本原理 11
3.3.1 短时能量 11
3.3.2 短时平均幅度 12
3.4 短时过零率的基本原理 13
3.5 本章小结 14
第4章 光纤声传感器信号的降噪处理 15
4.1谱减法的基本原理 15
4.1.1线性谱减法的基本原理 15
4.1.2非线性谱减法的基本原理 1
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
6
4.1.3 线性谱减法与非线性谱减法的缺陷与不足 16
4.2 小波分析法的基本原理 17
4.2.1模极大值法的基本原理 18
4.2.2 阈值降噪法 19
4.3 维纳滤波法的基本原理 19
4.3.1维纳滤波的主体思想 19
4.3.2基本原理 21
4.4 本章小结 22
第5章 光纤声传感器信号的实验研究 23
5.1端点检测的实验过程及结果 23
5.1.1实验过程 23
5.1.2实验结果及分析 24
5.2 谱减法降噪的实验过程及结果 26
5.2.1 实验过程 26
5.2.2 实验结果及分析 28
5.3小波法降噪的实验过程及结果 29
5.3.1实验过程 29
5.3.2实验结果及分析 32
5.4 维纳滤波法的实验过程及结果 32
5.4.1实验过程 32
5.4.2实验结果及分析 35
5.5本章小结 35
第6章 结语 36
参考文献 37
致 谢 41
附 录 42
英文原文 42
中文翻译 58
第1章 绪论
1.1 课题研究背景及目的
光纤声传感器是一种以光纤为基础并基于光电子理念的声音（或振动信号）传感器[22]。由于其具有灵敏程度高,隐蔽性能好，动态范围大,检测频带宽,抗电磁干扰能力强等优点，使其在军用领域、工业领域及医学护理等领域都获得了广泛的应用[25]。然而也正是由于其灵敏度更高这一优势，使得光纤声传感器可以检测到比其它传感器更多的噪声干扰。在现实环境中，声音信号会无法避免的受到周遭环境的干扰，通常较强的背景噪音如机械噪音、他人的声音等都会对信号的质量产生明显的影响[10]；除此之外，传输系统自身也存在着各类噪声，因此，接收端所接收到的信号是带噪的声音信号。噪声一般可分为加性噪声（如环境噪声等）和乘性噪声（如线路干扰等），有时噪声也可按性质分为非平稳噪声和平稳噪声[8]。解决噪声干扰的根本办法就是尽量从所接收到的带噪声音信号中提取纯净的声音信号，提高其质量。因此，降噪技术的发展在声音信号处理过程中也变得越来越关键。所以对光纤声传感器信号进行声音信号处理研究是十分必要的，具有重要的现实意义。
迄今为止，声音信号处理的研究历史已有一百余年，而声音信号处理技术的进步也在上个世纪中叶显得尤为突出，传统意义的人机交互需要依靠显示器及键盘完成，即鼠标或键盘键入、再通过显示器将信息输出到人类的视觉[27]。然而听觉的加入也是人们期望的人机交互方式之一。在人类的日常生活中，大部分的信息交流是通过声音实现的，与此同时，声音也是人们最习惯的信息传递方式之一。在处理信息的过程中，视频与音频几乎同时存在，不含声音的视频信息很难以为人们所接受，因此人类对声音处理技术的期望随着每一个突破进展而越来越高，期待人与计算机的交互能像人与人之间那样自然美好也是人们对于语音信号处理的一个美好愿望[21]。
信号处理主要是指对信号进行分析，截取和降噪等处理[3]。而声音信号处理作为信号处理的重要组成部分也有许多特点：
声音信号是依赖时间的连续信息资源，因此对于处理的时序性要求较高，一段信号如果存在超过25ms的延迟，就会使听者感到不顺畅，这也就要求编码的延时一定要小[23]
声音信号在携带基本声音的同时，还夹杂了一些情感的倾向，因此处理语音不仅是处理信号的问题，还需要抽离出语义等信息，所以语音信号的处理会涉及到社会学，语言学和声学等多种学科
一个完整的语音交流过程应包括声音的产生和接收，即“说”和“听”，因此在处理过程中应更多关注人类的听觉特性，从而研究出更逼近人类自然交流的处理算法[24]
信号增强的目的就是从背景噪声中提取出有效的声音信号，降低或抑制噪声的干扰，在提升信噪比的同时提高语音的自然度和辨识度。噪声来源于现实生活中，因此噪声的特性可以说是无穷变化的，故在现实应用中,要根据噪声的具体情况和环境的特定情况,选择适当的信号增强方式,以达到最佳的降噪效果[7]。
1.2 国内外研究现状
声一光传感的理念最早于1880年由A.oBell在其专利`photophone中提出，随后在1935年间，vonOhain（荷兰）结合干涉的相关知识创造出了第一个可以应用于现实生活中的光纤声传感器，紧接着，许多结合了其它理念的光纤声传感器陆续问世[41]。在国外，对于光纤声传感器的探索历史可追溯到上世纪70年代，而此后的大部分人力物力则基本投入到了工程方面的研究中，截至今日,光纤声传感器依旧无法在工业生产过程中稳步立足，其中的一个重要缘由就是成本较高，耗资过大,并且检测方式与设备都十分繁琐[22]。如果想让光纤声传感器发挥出其优势，一个必要条件就是日常可用的光纤声传感器必须能够达到在初始设计、制作工艺、操作难易度和性价比等众多方面达到与机电型传感器相差不多的情况，这样才可以使光纤声传感器的应用越来越多样化。在我国，对于光纤声传感器的探索则可追溯到上世纪80年代。由于现有条件有限，研究水平距离国外还存在着一定程度上的距离[41]。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1 课题研究背景及目的 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 本文研究的主要内容 4
1.4 本章小结 4
第2章 光纤声传感器的基本原理 5
2.1光纤传感器 5
2.2光纤声传感器及其优势 5
2.3光纤声传感器的基本框架结构 6
2.4光纤声传感器的分类 7
2.4.1相位型 8
2.4.2振幅型 8
2.5光纤声传感器需求分析 9
2.6本章小结 10
第3章 光纤声传感器信号的端点检测 11
3.1端点检测方法概述 11
3.2 端点检测的具体步骤 11
3.3 短时能量法的基本原理 11
3.3.1 短时能量 11
3.3.2 短时平均幅度 12
3.4 短时过零率的基本原理 13
3.5 本章小结 14
第4章 光纤声传感器信号的降噪处理 15
4.1谱减法的基本原理 15
4.1.1线性谱减法的基本原理 15
4.1.2非线性谱减法的基本原理 1
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
6
4.1.3 线性谱减法与非线性谱减法的缺陷与不足 16
4.2 小波分析法的基本原理 17
4.2.1模极大值法的基本原理 18
4.2.2 阈值降噪法 19
4.3 维纳滤波法的基本原理 19
4.3.1维纳滤波的主体思想 19
4.3.2基本原理 21
4.4 本章小结 22
第5章 光纤声传感器信号的实验研究 23
5.1端点检测的实验过程及结果 23
5.1.1实验过程 23
5.1.2实验结果及分析 24
5.2 谱减法降噪的实验过程及结果 26
5.2.1 实验过程 26
5.2.2 实验结果及分析 28
5.3小波法降噪的实验过程及结果 29
5.3.1实验过程 29
5.3.2实验结果及分析 32
5.4 维纳滤波法的实验过程及结果 32
5.4.1实验过程 32
5.4.2实验结果及分析 35
5.5本章小结 35
第6章 结语 36
参考文献 37
致 谢 41
附 录 42
英文原文 42
中文翻译 58
第1章 绪论
1.1 课题研究背景及目的
光纤声传感器是一种以光纤为基础并基于光电子理念的声音（或振动信号）传感器[22]。由于其具有灵敏程度高,隐蔽性能好，动态范围大,检测频带宽,抗电磁干扰能力强等优点，使其在军用领域、工业领域及医学护理等领域都获得了广泛的应用[25]。然而也正是由于其灵敏度更高这一优势，使得光纤声传感器可以检测到比其它传感器更多的噪声干扰。在现实环境中，声音信号会无法避免的受到周遭环境的干扰，通常较强的背景噪音如机械噪音、他人的声音等都会对信号的质量产生明显的影响[10]；除此之外，传输系统自身也存在着各类噪声，因此，接收端所接收到的信号是带噪的声音信号。噪声一般可分为加性噪声（如环境噪声等）和乘性噪声（如线路干扰等），有时噪声也可按性质分为非平稳噪声和平稳噪声[8]。解决噪声干扰的根本办法就是尽量从所接收到的带噪声音信号中提取纯净的声音信号，提高其质量。因此，降噪技术的发展在声音信号处理过程中也变得越来越关键。所以对光纤声传感器信号进行声音信号处理研究是十分必要的，具有重要的现实意义。
迄今为止，声音信号处理的研究历史已有一百余年，而声音信号处理技术的进步也在上个世纪中叶显得尤为突出，传统意义的人机交互需要依靠显示器及键盘完成，即鼠标或键盘键入、再通过显示器将信息输出到人类的视觉[27]。然而听觉的加入也是人们期望的人机交互方式之一。在人类的日常生活中，大部分的信息交流是通过声音实现的，与此同时，声音也是人们最习惯的信息传递方式之一。在处理信息的过程中，视频与音频几乎同时存在，不含声音的视频信息很难以为人们所接受，因此人类对声音处理技术的期望随着每一个突破进展而越来越高，期待人与计算机的交互能像人与人之间那样自然美好也是人们对于语音信号处理的一个美好愿望[21]。
信号处理主要是指对信号进行分析，截取和降噪等处理[3]。而声音信号处理作为信号处理的重要组成部分也有许多特点：
声音信号是依赖时间的连续信息资源，因此对于处理的时序性要求较高，一段信号如果存在超过25ms的延迟，就会使听者感到不顺畅，这也就要求编码的延时一定要小[23]
声音信号在携带基本声音的同时，还夹杂了一些情感的倾向，因此处理语音不仅是处理信号的问题，还需要抽离出语义等信息，所以语音信号的处理会涉及到社会学，语言学和声学等多种学科
一个完整的语音交流过程应包括声音的产生和接收，即“说”和“听”，因此在处理过程中应更多关注人类的听觉特性，从而研究出更逼近人类自然交流的处理算法[24]
信号增强的目的就是从背景噪声中提取出有效的声音信号，降低或抑制噪声的干扰，在提升信噪比的同时提高语音的自然度和辨识度。噪声来源于现实生活中，因此噪声的特性可以说是无穷变化的，故在现实应用中,要根据噪声的具体情况和环境的特定情况,选择适当的信号增强方式,以达到最佳的降噪效果[7]。
1.2 国内外研究现状
声一光传感的理念最早于1880年由A.oBell在其专利`photophone中提出，随后在1935年间，vonOhain（荷兰）结合干涉的相关知识创造出了第一个可以应用于现实生活中的光纤声传感器，紧接着，许多结合了其它理念的光纤声传感器陆续问世[41]。在国外，对于光纤声传感器的探索历史可追溯到上世纪70年代，而此后的大部分人力物力则基本投入到了工程方面的研究中，截至今日,光纤声传感器依旧无法在工业生产过程中稳步立足，其中的一个重要缘由就是成本较高，耗资过大,并且检测方式与设备都十分繁琐[22]。如果想让光纤声传感器发挥出其优势，一个必要条件就是日常可用的光纤声传感器必须能够达到在初始设计、制作工艺、操作难易度和性价比等众多方面达到与机电型传感器相差不多的情况，这样才可以使光纤声传感器的应用越来越多样化。在我国，对于光纤声传感器的探索则可追溯到上世纪80年代。由于现有条件有限，研究水平距离国外还存在着一定程度上的距离[41]。
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