基于光纖MOEMS聲傳感器技術(shù)的聲紋識(shí)別系統(tǒng)研究.pdf

1、直升機(jī)是地面、海洋戰(zhàn)場(chǎng)上必須監(jiān)控的敵方空中武器，其善于利用地形、隱身技術(shù)躲避傳統(tǒng)的雷達(dá)和光學(xué)系統(tǒng)，卻有著無法掩蓋的結(jié)構(gòu)性氣動(dòng)噪聲，尤其是低頻、次聲段信號(hào)具有傳播距離遠(yuǎn)、線譜特性好等特點(diǎn)。因此，利用直升機(jī)聲紋特性構(gòu)建遠(yuǎn)距離捕捉、監(jiān)控直升目標(biāo)的聲紋識(shí)別系統(tǒng)，具有重要的戰(zhàn)略意義。電學(xué)聲傳感器在捕捉和傳輸信號(hào)的過程中，由于內(nèi)部構(gòu)造的原因常常受到戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境的干擾。MOEMS（Micro-Opto-Electro-Mechanical Sys

2、tems，微光學(xué)電子機(jī)械系統(tǒng)）技術(shù)卻具有電磁免疫、低頻響應(yīng)好、低噪聲、體積小巧、便于接入光纖網(wǎng)絡(luò)、氣候耐受性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以進(jìn)行高精度測(cè)量，實(shí)現(xiàn)監(jiān)聽設(shè)備的微型化。
　　本文針對(duì)直升機(jī)聲紋特性及光纖 MOEMS聲傳感器機(jī)理進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)基于光纖MOEMS聲傳感器技術(shù)的聲紋識(shí)別系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)、光纖MOEMS聲傳感器、數(shù)據(jù)處理算法等內(nèi)容進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)、建模與仿真，并搭建完整系統(tǒng)進(jìn)行外場(chǎng)測(cè)試，通過對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析比較，證明設(shè)

3、計(jì)的可行性。論文主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　（1）聲紋識(shí)別系統(tǒng)總體架構(gòu)及性能指標(biāo)的研究與設(shè)計(jì)。通過對(duì)聲目標(biāo)特性分析，建立識(shí)別策略，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體方案、性能指標(biāo)、各子模塊功能和信號(hào)流向?；诠饫w MOEMS聲傳感器技術(shù)的聲紋識(shí)別系統(tǒng)由前臺(tái)聲傳感頭模塊和后臺(tái)聲信號(hào)數(shù)據(jù)處理模塊組成，兩模塊之間通過光纖傳輸數(shù)據(jù)。前臺(tái)聲傳感頭模塊用于接收聲波，包含光纖MOEMS聲傳感器、激光光源、光纖環(huán)路器等器件，聲波對(duì)傳感頭內(nèi)部的光束進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的光束經(jīng)

4、光纖傳入后臺(tái)數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊包含光電轉(zhuǎn)換子模塊、聲信號(hào)預(yù)處理子模塊、聲紋特征提取子模塊和模式識(shí)別子模塊。本文主要對(duì)光纖MOEMS聲傳感器、聲信號(hào)預(yù)處理子模塊算法、聲紋特征提取子模塊算法和模式識(shí)別子模塊算法進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，激光光源、光纖環(huán)路器、光電轉(zhuǎn)換器件等均采用成品設(shè)備，不是本文主要研究?jī)?nèi)容。
　?。?）光纖 MOEMS聲傳感器的研究與設(shè)計(jì)。1）光纖聲傳感器是聲傳感頭模塊的核心，通過對(duì)現(xiàn)有光纖傳感器的種類和基本原理進(jìn)行

5、分析比較，本文選擇了體積小巧、魯棒性好的反射式光強(qiáng)調(diào)制型光纖MOEMS法珀腔結(jié)構(gòu)。2）針對(duì)傳統(tǒng)光纖MOEMS法珀腔聲傳感器的不足進(jìn)行研究，指出傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中沒有考慮 MOEMS聲振薄膜彎曲所導(dǎo)致的耦合損耗，這會(huì)使測(cè)量精度難以進(jìn)一步提高。針對(duì)這種情況，本文提出基于法珀腔干涉和耦合損耗理論的混合調(diào)制模型，并進(jìn)行建模和推導(dǎo)相關(guān)計(jì)算公式，修正傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的功率傳遞系數(shù)；3）傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中沒有采用準(zhǔn)直器或者沒有將其納入計(jì)算，本文使用GRIN梯度折射率透鏡

6、作為準(zhǔn)直器，建模計(jì)算由此導(dǎo)致的光場(chǎng)變化，通過與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)效果對(duì)比，證明這種設(shè)計(jì)可以有效降低腔內(nèi)傳輸損耗；4）對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中MOEMS薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從而優(yōu)化聲振薄膜結(jié)構(gòu)、提高響應(yīng)靈敏度、降低工藝難度；5）按新設(shè)計(jì)方案制作光纖MOEMS聲傳感器，進(jìn)行室內(nèi)測(cè)試、評(píng)估，驗(yàn)證新設(shè)計(jì)方案的效果。
　?。?）數(shù)據(jù)處理的算法研究與設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)處理模塊主要包括：聲信號(hào)預(yù)處理子模塊、聲紋特征提取子模塊和模式識(shí)別子模塊，因此，數(shù)據(jù)處理算法的研究主要針對(duì)聲

7、信號(hào)預(yù)處理算法、聲紋特征提取算法、模式識(shí)別算法。1）聲信號(hào)預(yù)處理算法：利用多項(xiàng)式擬合算法去掉實(shí)測(cè)信號(hào)的趨勢(shì)項(xiàng)；針對(duì)傳統(tǒng)的譜減法進(jìn)行分析，提出改進(jìn)的減噪算法——以均方差作為調(diào)節(jié)因子，使不同概率分布的高斯噪聲譜線在譜減過程中實(shí)現(xiàn)自我調(diào)節(jié)，并應(yīng)用該算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，提高信噪比。2）聲紋特征提取算法：針對(duì)直升機(jī)聲紋低頻特征明顯、諧波性好的特點(diǎn)，提出應(yīng)用“雙譜”(BISPECTRUM)和梅爾倒譜系數(shù)（MFCC，Mel Frequency Cep

8、strum Coefficient）建立聯(lián)合特征提取算法，從不同的角度進(jìn)行聲紋特征提取，合成直升機(jī)聲紋特征向量?！半p譜”具有屏蔽高斯噪聲和選取諧波峰的能力，MFCC算法具有對(duì)低頻段的良好分析能力。特征提取后，信號(hào)被轉(zhuǎn)化為聲紋特征。3）模式識(shí)別算法：采用模糊聚類算法對(duì)聲紋特征進(jìn)行壓縮，形成輸入向量；利用交叉驗(yàn)證算法、遺傳算法、粒子群算法對(duì)SVM（Support Vector Machine，支持向量機(jī)）關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，以建立最佳模型機(jī)；

9、利用最佳模型機(jī)進(jìn)行分類測(cè)試。測(cè)試結(jié)果證明， SVM能夠?qū)χ鄙龣C(jī)類型進(jìn)行有效分類，達(dá)到較高的識(shí)別率。
　?。?）聲紋識(shí)別系統(tǒng)搭建與外場(chǎng)測(cè)試。實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、預(yù)處理、特征提取、識(shí)別分類的全過程，驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果。測(cè)試共獲得6000組動(dòng)態(tài)(有頻移)和靜態(tài)(無頻移)數(shù)據(jù)。通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析和比較，驗(yàn)證了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。
　　綜上所述，本文設(shè)計(jì)了基于光纖 MOEMS聲傳感器技術(shù)的聲紋識(shí)別系統(tǒng)的整體架構(gòu)；針對(duì)傳統(tǒng)光纖 MOEMS法珀腔聲傳感器