激光反射法音频声源定位 华农09电科

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1、第三届全国光电设计大赛理论方案报告编号：参赛 题目：激光反射法音频声源定位与语音内容解析参赛队伍名称：所在学校：华南农业大学队长姓名：钟礼浩提交方案时间：第三届全国光电设计大赛组委会制参赛题目：激光反射法音频声源定位与语音内容解析、研究内容本文研究运用激光发射法进行一定距离内音频声源定位与语音内容解析。能够对距离15米以内、分贝等级为40dB以上音频声源进行0.1米精度的定位和语音内容解析。如图一所示。S:声源1处理系统模块喇叭图一二、研究方案下列分两大模块介绍：语音内容解析模块与定位模块。如图二所示:光电传感擀倍弓放大语音内容解析模块音源定位模块图二语音内容解析基本原理是将一束激光照射在监听

2、目标周围容易受 声压作用产生振动的玻璃上，然后在其光束反射的方向上接收振动 信号，并对信号进行放大、滤波达到声音还原。实现了从声音信号到 光信号，再到电信号的转换。VDDAA/D采样信号A/D通道1t1阈值电压阈值电压图三如图三所示，激光定位关键之处在于将两列声波从声源传播到两 玻璃窗口测定点的时间差T，考虑到声源播放的语音信息是断续播放 的，本方案通过从左右两个窗口接收振动信号，检测出同一语音信号 被接收的时间错误！未找到引用源。、错误！未找到引用源。，得出错 误！未找到引用源。三、技术路线及可行性分析1、语音内容解析图四如图四所示，使用功率为30mW的激光发射器，声波作用在玻璃表 面产生声

3、压，导致玻璃表面做受迫振动 其振动幅度与声压成正比。 可近似认为激光入射点处周围足够小的区域内玻璃表面沿着与其垂 直方向有微小位移。激光射到玻璃表面 一部分光发生反射。在接收 端使激光束光斑的边沿对准光电二极管（尽量令光斑中线与检测器边 框重合），反射光会因玻璃振动而偏离原来的位置使得射入光电检测器的光斑面积同时发生变化 光电检测器输出信号I (或U)作出 相应变化。根据研究推导得：I = 2 hS(t) sin 0的 位置，当S发出声音时，右面的B窗会比左面的A窗先接收到声波， B窗比A窗先产生振动；反之，若X0,则左面的A窗会比右面的B 窗先接收到声波，A窗比B窗先产生振动。若知道两玻璃振

4、动的时间 差t则可以求得声源S偏离中间的量X。具体实现方法如下：同时检测A窗和B窗的振动，当声源S没有声音发出时，两窗没 有振动或振动微弱，此时系统处于等待状态。若声源S不置于中间的 位置，当其中一窗会先收到声波（此处假设为B先收到）而产生振动， 系统开始计时，直到另一窗A收到声波开始振动为止，计时结束，得 到时间差值t （为正值）。反之若A先收到，系统计时开始，直到B 开始振动后结束计时，得到的时间t （人为定义为负值）。扬声器到 窗平面的垂直距离H和两窗测量点的距离L均已知，xl、x2分别为 声源S到窗A和窗B的距离，设声波在空气中的传播速度为v,则有 几何关系：错误！未找到引用源。（1）

5、错误！未找到引用源。（2）错误！未找到引用源。（3）由（1）（2）（3）式可得：错误！未找到引用源。（4）式中X即为所求的音频声源S的定位。从公式可知，若t0时， 则X0,即扬声器S的位置在靠近B窗的一侧，若t0，则X0,即 声源S的位置在靠近A窗的一侧。若声源S置于中间，则两窗收到声 波的时间一样，此时系统检测到的时间差t为小值，当该检测到该小值小于一设定阀值时，系统会自动识别为声源S在中间位置。四、拟解决的关键问题1、接收距离、接收光斑大小和入射角大小为何值时能得到良好的接 收效果。其中：（1）接收距离：当距离较短时，光电二极管接收的光 强过强，易发生饱和；当距离较大时，有利于信号的检测，

6、调节好放 大倍数，可得到较好的效果。（2）接收光斑大小：当接收光斑全照在 光电二极管时，所探测到的光通量变化微弱，不利于检测；同时减少 接收光斑面积可防止光电二极管饱和。（3）入射角大小：在一定范围 内，入射角越大，震动效果越明显。（4）接收距离、接收光斑大小和 入射角大小互相作用，想得到理想的检测效果，三者要互相配合调节。2、两光电二极管检测状态不一致（如，光斑大小、激光强度） 拟解决方案：滤除高频噪声，定位时设定阀值，尽量选工作参数特性 相同的激光、光电二极管，并加黑色遮光筒滤除外界光干扰。3、当扬声器偏离中间位置较多的时候，两窗接收到的声波大小差值 较大，振动幅值也有很大不同，如何排除该

7、干扰。4、电源问题：激光电源，单片机电源，放大电路，驱动电路供电稳 定性问题。拟解决方案：若采用市电整流普通稳压或线性稳压型方案，在纹波上 难以确保激光器的亮度稳定性，因此对于激光器,在电源稳定上，选 择性能稳定的直流电源，例如锂电池。与激光器供电一样，对于单片 机的A/D采集，前置信号放大电路来说，供电稳定性直接影响数据的 精度，因此在主控系统中，会采用12V的铅酸蓄电池池以确保供电质 量。五、特色与创新点1、定位测量的方法和算法简练，不需要借助电脑CPU等高速计算单 元即可完成位置测定，结构简易可靠，有效降低成本。2、激光源与光电二极管对齐、调校操作简便，通过对光电二级管加 装黑色遮光筒滤除外界光干扰。3、于光敏二极管前方防止聚焦透镜，可调节激光光斑的大小，从而 调节光斑与光电二极管接触面积，以提高系统的精确度与灵敏度。4、为防止扬声器发出的声音会再次引起所监听处的玻璃振动产生啸 叫，备选了耳机作为播放工具。六、时间进度安排七、经费预算八、参赛队伍简介九、其他说明1.前置处理与语音还原模块电路图：2.STM32主控与音源定位模块电路图:oo