本发明属于光纤技术在声音检测中的应用技术领域，具体地，设计一种利用光纤微震动传感技术模拟音频信号输出的控制系统。
背景技术：
光的干涉现象是波动独有的特征，如果光真的是一种波，就必然会观察到光的干涉现象，两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象，证实了光具有波动性。物理光学中的干涉理论告诉我们，当两束频率相同、相位差恒定、振动方向也一致(偏振方向一致)的光波在空间中相遇时，便会形成一组明暗相间的干涉条纹，说明这两束光发生了干涉。光纤干涉仪，光学现象干涉的仪器。干涉现象是光学的基本现象，利用光纤实现光的干涉，是光干涉现象的重要应用。
而目前，并没有一种能够取代现有技术中传统飞机微振动的声信号检测的技术方案，具体地，并没有一种利用光纤微震动传感技术模拟音频信号输出的控制系统。
技术实现要素：
针对现有技术存在的技术缺陷，本发明的目的是提供一种利用光纤微震动传感技术模拟音频信号输出的控制系统，其通过外界待测信号产生的光纤形变改变光强信号，进而模拟音频信号输出，包括：光纤干涉仪以及解调系统，所述光纤干涉仪用于提供光隔离、分光、耦合、反射、干涉，所述解调系统用于将干涉光转换为模拟音频信号输出，所述光纤干涉仪至少包括：
光纤探头，由光纤盘绕而成的光纤圆盘，用以感受外界信号的加载，使所述光纤发生形变进而改变折射率，形成声光调制；
光纤激光器，用以发射激光；
光纤耦合器，用于提供分光及耦合；
光电转换器，用于将干涉光转换成电流信号，
其中，所述光纤耦合器通过一传感臂l1连接第一法拉第旋转镜，所述光纤耦合器通过一参考臂l2连接第二法拉第旋转镜，所述光纤探头的两端分别设置在所述光纤干涉仪与所述第一法拉第旋转镜相连接的所述传感臂l1上形成通路，
其中，所述光纤激光器通过光隔离器连接所述光纤耦合器，所述光纤耦合器通过所述光电转换器连接所述解调系统。
优选地，所述解调系统包括：
振荡电路，用于产生信号；
差分放大模块，用于提高采样精度和采样速率；
ad转换模块，用于实现信号的模数转换；
dsp模块，用于信号解调算法的实现；
复位模块，用于复位；
ddr2存储器，用于实时数据的存储；
jtag模块，用于dsp模块的烧入；
时钟源，用于为dsp模块提供时钟需求；
flash模块，为dsp模块系统外扩的程序存储单元，
音频输出单元，将由dsp模块处理后的数字信号转换为模拟音频信号输出，
其中，所述振荡电路以及所述光电转换器分别通过所述差分放大模块、所述ad转换模块连接所述dsp模块，所述dsp模块与所述复位模块、所述ddr2存储器、所述jtag模块、所述时钟源、所述flash模块、所述音频输出单元相连接，所述振荡电路连接所述光纤激光器。
优选地，所述振荡电路由单片机及信号发生器芯片组成，其通过产生正弦波形，采用两个电容滤除噪声及阻断直流信号。
优选地，还包括电源模块，其用于提供电源，所述电源模块连接所述光纤干涉仪以及所述解调系统。
优选地，所述模拟音频信号通过如下公式确定：
s＝db2ghj1(c)j2(c)cosωst，其中，所述s为模拟音频信号，所述d为外界待测信号的幅度，所述b为常数，所述g、h分别为所述光纤激光器发射的频率为ω0和2ω0的光波的振幅，所述j1(c)为频率ω0的基频分量，所述j2(c)为频率2ω0的基频分量，所述cosωst为频率为ωs的正弦信号。
本发明所提供的飞机微振动的声信号检测原理为：当飞机有微振动发生时，通过贴在飞机表面的光纤圆盘，拾取震动信号，并与载波信号发声调制，通过与参考光信号的干涉效应，并根据下述解调原理，将震动信号解调出来，最终形成所拾取的微振动信号。本发明利用光纤光路取代原来的震动信号检测设备，提高系统的灵敏度，同时本发明所提供的传感检测设备——光纤圆盘，较传统的检测设备，更具有抗衰减、抗恶劣环境的优势。本发明通过外界待测信号产生的光纤形变改变光强信号，进而模拟音频信号输出，本发明结构简单、使用方便、检测精准，具有极高的价值。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1示出了本发明的具体实施方式的，所述光纤干涉仪的具体结构示意图；
图2示出了本发明的第一实施例的，所述光纤干涉仪以及所述解调系统的具体结构示意图；以及
图3示出了本发明的第二实施例的，解调过程的数学模型图。
具体实施方式
为了更好的使本发明的技术方案清晰的表示出来，下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1示出了本发明的具体实施方式的，所述光纤干涉仪的具体结构示意图，本领域技术人员理解，本发明公开了一种利用光纤微震动传感技术模拟音频信号输出的控制系统，其通过外界待测信号产生的光纤形变改变光强信号，进而模拟音频信号输出，本发明所提供的方案是利用光纤微震动传感技术来取代传统的飞机微振动声信号检测的方法，以提高声音检测的灵敏度。
进一步地，本发明所用的基本原理为物理光学中的干涉理论，即当两束频率相同、相位差恒定、振动方向也一致(偏振方向一致)的光波在空间中相遇时，便会形成一组明暗相间的干涉条纹，说明这两束光发生了干涉。假设两束干涉光的光强分别为i1和i2，当一路光束受外界信号干扰，产生相位差后，就会同另一路光束在相遇时发生干涉，那么，干涉场中的光强随之发生变化，由此可见，由于外界物理信号引起了相位差的改变，从而引起干涉光强的改变。所以，只要我们能够处理接收到的干涉仪中的光强变化信息，就可以确定相干光的相位差，从而确定被测物理量的变化。换句话说，干涉光记录了相干光的相位信息，也就是记录了外界物理量。故本发明基于这样的基本原理，并为了取代传统的飞机微振动声信号检测这样不够精确的检测方法，提出了一种利用光纤微震动传感技术实现音频信号输出的控制系统。
进一步地，所述光纤干涉仪1以及解调系统2，所述光纤干涉仪1用于提供光隔离、分光、耦合、反射、干涉，所述解调系统2用于将干涉光转换为模拟音频信号输出，所述光纤干涉仪1与解调系统2交互连接。
如图1所示，为了更好的对所述光纤干涉仪1以及解调系统2进行描述，优选地将所述光纤干涉仪1以及解调系统2分为图1以及图2进行分开描述，具体地，所述光纤干涉仪1至少包括光纤探头11，由光纤盘绕而成的光纤圆盘，用以感受外界信号的加载，使所述光纤发生形变进而折射率，形成声光调制，进一步地，所述光纤探头是由光纤盘绕而成的单层光纤圆盘，用以感受外界信号的加载，使其中的光纤发生形变，改变折射率，进而改变传输光的特性，形成声光调制。
进一步地，还包括光纤激光器12，用以发射激光，所述光纤激光器12用以发射一定波长的激光，是整个光路的光波来源。
进一步地，还包括光纤耦合器13，用于提供分光及耦合，所述光纤耦合器13优选地为2x2的光纤耦合器。
进一步地，还包括光电转换器14，用于将光信号转换为电信号，即用于将干涉光转换成电流信号，其与光强成对应关系。
进一步地，本领域技术人员理解，本发明所示出的光纤干涉仪1为目前市面上常用的光纤干涉仪，例如michelson光纤干涉仪，在此不予赘述。所述光纤干涉仪1提供了光隔离、分光、耦合、反射、干涉等功能，具有相位差的传感光和干涉光在这里发生干涉，其输出的干涉光记录了外界变化的声信号，具体反映在光强的变化上。
进一步地，所述光纤耦合器13通过一传感臂l1连接第一法拉第旋转镜131，所述光纤耦合器13通过一参考臂l2连接第二法拉第旋转镜132，所述光纤探头11的两端分别设置在所述光纤干涉仪13与所述第一法拉第旋转镜131相连接的所述传感臂l1上形成通路，所述光纤激光器12通过光隔离器15连接所述光纤耦合器13，所述光纤耦合器13通过所述光电转换器14连接所述解调系统2。
具体地，所述第一法拉第旋转镜131和所述第二法拉第旋转镜132分别是两个光路末端的法拉第旋转镜。所述光纤激光器12发射特定频率的光波，经所述光隔离器15后进入所述光纤耦合器13，由所述光纤耦合器13分成两束完全相同的光波。其中一路经过l1光路，去接收外接声信号的振动作用，然后由第一法拉第旋转镜131反射回光路。由于此路光波受外界振动信号作用，光波的相位发生了变化，携带外界待测声信号，我们把这路光纤臂叫做信号臂(或叫传感臂)；另一路光波经过l2光路，经所述第二法拉第旋转镜132反射回来，此路光波并未受到外界声信号的作用，将保持原有的光波特性，所以把这一路光纤臂叫做参考臂，反射回来的两束光经过所述光纤耦合器13后发生干涉，由于所述光隔离器15的隔离作用，干涉光并不会从所述光隔离器15经过，而是直接进入光电管，即所述光电转换器14进行光电转换。
图2示出了本发明的第一实施例的，所述光纤干涉仪以及所述解调系统的具体结构示意图，进一步地，所述解调系统2用于将数字信号转换成模拟信号并输出，具体地，包括振荡电路21，用于产生信号，所述振荡电路21是信号发生器，产生一定频率的信号，一方面传输给光纤激光器，调节其发射一定频率的光波，另一方面产生本地信号，以完成后续的混频操作。
进一步地，还包括差分放大模块22，用于提高采样精度和采样速率，所述ad转换模块23，用于实现信号的模数转换，由于所述ad转换模块23需要较高的采样精度和采样速率，所以通常选取的所述ad转换模块23都需要差分信号输入，故需在其前端进行单端转差分处理，即采用差分放大模块22，所述ad转换模块23实现信号的模数转换，以待后续的数字信号处理。
进一步地，还包括dsp模块24，用于信号解调算法的实现，所述dsp模块24是数字信号处理的主要器件，完成信号解调算法的实现；所述复位模块25采用手动复位，以防止dsp程序跑偏，及时复位。
进一步地，还包括ddr2存储器26，所述ddr2存储器26是dsp系统外扩的数据存储单元，用于实时数据的存储。
进一步地，还包括jtag模块27，用于dsp模块的烧入，还包括时钟源28，用于为dsp模块提供时钟需求；还包括flash模块29，为dsp模块系统外扩的程序存储单元。
进一步地，还包括音频输出单元210，将由dsp模块处理后的数字信号转换为模拟音频信号输出。
如图2所示，所述振荡电路21以及所述光电转换器14分别通过所述差分放大模块22、所述ad转换模块23连接所述dsp模块24，所述dsp模块24与所述复位模块25、所述ddr2存储器26、所述jtag模块27、所述时钟源28、所述flash模块29、所述音频输出单元210相连接，所述振荡电路21连接所述光纤激光器12。
进一步地，所述振荡电路21由单片机及信号发生器芯片组成，其通过产生正弦波形，采用两个电容滤除噪声及阻断直流信号，进一步地，光电转换将光强信息转换成电流信号。利用光电管完成光信号到电流信号的转换，再配合实现电压跟随和放大，放大倍数可以通过反馈电阻来调节。由于系统需求较高的采样速率和采样精度，需选用高性能的ad转换芯片，需达到18-bit的采样精度、2msps的采样速率。
进一步地，如图3所示，还包括电源模块，其用于提供电源，所述电源模块连接所述光纤干涉仪1以及所述解调系统2，本领域技术人员理解，在本申请的说明书附图中并未对所述电源模块进行标注，即所述电源模块虽然并非本申请的核心阐述内容，但仍具有其存在的必要性，相应地，在本发明中也同样未示出一些核心内容，例如系统外壳，螺丝等等，但这并不影响本发明的技术方案，在此不予赘述。
进一步地，所述模拟音频信号通过如下公式确定：
s＝db2ghj1(c)j2(c)cosωst，其中，所述s为模拟音频信号，所述d为外界待测信号的幅度，所述b为常数，所述g、h分别为所述光纤激光器发射的频率为ω0和2ω0的光波的振幅，所述j1(c)为频率ω0的基频分量，所述j2(c)为频率2ω0的基频分量，所述cosωst为频率为ωs的正弦信号。
本领域技术人员理解，本发明将结合如下推导来阐述上述公式，具体地，光波在光纤中传播时，其相位受光纤波导的三个因素影响：物理长度、折射率的分布情况以及光纤波导的横向尺寸。如图1所示，当光波通过干涉仪后，由于两臂的长度l1和l2不等，所以由长度差l＝l1-l2引起的出射光波的相位相对延迟量为：
结合图1，设光纤激光器发射出频率为ω0的光波，输出载波为ccosω0t，传感臂检测到的声信号频率为ωs，g、h分别为ω0和2ω0的振幅。由干涉的基本原理，我们将michelson干涉仪的输出光强经光电转换后的电信号表示为：
进一步地，下面对所述公式(3)作进一步分析，将其用bessel函数展开如下：
由于
而解调的目的就是从所述公式(5)、所述公式(6)以及所述公式(7)式中获取cosωst的量。
进一步地，结合图2所示出的解调系统，图3示出了本发明的第二实施例的，解调过程的数学模型图，先给出解调过程的数学模型，如图3所示，然后对其进一步分析。
首先，分别将信号gcos(ω0t)和hcos(2ω0t)与光电转换器的输出信号进行混频，则可以得到：
设定低通滤波器的截止频率，使通过lpf1和lpf2的信号分别变为：
所述公式(10)以及所述公式(11)这两式中都含有外部环境干扰，不能直接从中提取出待测声信号。为了消除干涉信号随外部干扰信号而出现的畸变和消隐现象，我们采用微分交叉相乘(dcm)方法。下面进一步分析，通过lpf1和lpf2的信号要分别进行微分运算，可得：
经过交叉相乘运算后得到：
上面两路信号经过差分放大器后，得到：
经过积分运算后，得到：
将所述公式＝式(4)代入所述公式(17)，可得：
其中，所述公式(18)包含了待测声信号的幅度和频率信息以及环境造成的相位扰动(噪声)，通常情况下后者都是低频信号，可以利用高通滤波器滤除噪声项，便可得到待测信号dcosωst，所以系统的最后输出可改写为：
db2ghj1(c)j2(c)cosωst，记为公式(19)；
经过上述的一系列信号处理后，待测声信号便可被解调出来，理论上，与原信号相比只是变化了系数b2ghj1(c)j2(c)。
在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟装置或者其它设备固有相关。各种通用装置也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类装置所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实施例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
此外，本领域技术人员理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域技术人员理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(dsp)来实现装置中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。词语“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
1.一种利用光纤微震动传感技术模拟音频信号输出的控制系统，其通过外界待测信号产生的光纤形变改变光强信号，进而模拟音频信号输出，其特征在于，包括：光纤干涉仪(1)以及解调系统(2)，所述光纤干涉仪(1)用于提供光隔离、分光、耦合、反射、干涉，所述解调系统(2)用于将干涉光转换为模拟音频信号输出，所述光纤干涉仪(1)至少包括：
光纤探头(11)，由光纤盘绕而成的光纤圆盘，用以感受外界信号的加载，使所述光纤发生形变进而改变折射率，形成声光调制；
光纤激光器(12)，用以发射激光；
光纤耦合器(13)，用于提供分光及耦合；
光电转换器(14)，用于将干涉光转换成电流信号，
其中，所述光纤耦合器(13)通过一传感臂l1连接第一法拉第旋转镜(131)，所述光纤耦合器(13)通过一参考臂l2连接第二法拉第旋转镜(132)，所述光纤探头(11)的两端分别设置在所述光纤干涉仪(13)与所述第一法拉第旋转镜(131)相连接的所述传感臂l1上形成通路，
其中，所述光纤激光器(12)通过光隔离器(15)连接所述光纤耦合器(13)，所述光纤耦合器(13)通过所述光电转换器(14)连接所述解调系统(2)。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述解调系统(2)包括：
振荡电路(21)，用于产生信号；
差分放大模块(22)，用于提高采样精度和采样速率；
ad转换模块(23)，用于实现信号的模数转换；
dsp模块(24)，用于信号解调算法的实现；
复位模块(25)，用于复位；
ddr2存储器(26)，用于实时数据的存储；
jtag模块(27)，用于dsp模块的烧入；
时钟源(28)，用于为dsp模块提供时钟需求；
flash模块(29)，为dsp模块系统外扩的程序存储单元，
音频输出单元(210)，将由dsp模块处理后的数字信号转换为模拟音频信号输出，
其中，所述振荡电路(21)以及所述光电转换器(14)分别通过所述差分放大模块(22)、所述ad转换模块(23)连接所述dsp模块(24)，所述dsp模块(24)与所述复位模块(25)、所述ddr2存储器(26)、所述jtag模块(27)、所述时钟源(28)、所述flash模块(29)、所述音频输出单元(210)相连接，所述振荡电路(21)连接所述光纤激光器(12)。
3.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述振荡电路(21)由单片机及信号发生器芯片组成，其通过产生正弦波形，采用两个电容滤除噪声及阻断直流信号。
4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，还包括电源模块，其用于提供电源，所述电源模块连接所述光纤干涉仪(1)以及所述解调系统(2)。
5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述模拟音频信号通过如下公式确定：
s＝db2ghj1(c)j2(c)cosωst，其中，所述s为模拟音频信号，所述d为外界待测信号的幅度，所述b为常数，所述g、h分别为所述光纤激光器发射的频率为ω0和2ω0的光波的振幅，所述j1(c)为频率ω0的基频分量，所述j2(c)为频率2ω0的基频分量，所述cosωst为频率为ωs的正弦信号。
技术总结