基于相位编码微波感知的远程声信号拾取方法和系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于相位编码微波感知的远程声信号拾取方法和系统，包括：构建相位编码矩阵，对多个发射天线的发射信号进行相移控制；控制多个发射天线同时发射线性调频连续波信号，使得合成波束主瓣朝向待测声源方向或目标介质方向，利用一个或多个接收天线接收声源目标的回波信号，得到相应通道个数的基带信号；对相应通道个数的基带信号进行声振相位解调，提取由于声源振动信息或由于声波激励引起的介质目标表面的振动信息；重构声音信号，实现远程声音拾取。本发明专利技术克服了在远程声音拾取中存在的回波信号微弱、信噪比较低、邻近目标干扰大、重构声音信号质量较低的问题，提高了远程声音拾取的信噪比和感知距离。远程声音拾取的信噪比和感知距离。远程声音拾取的信噪比和感知距离。

【技术实现步骤摘要】
基于相位编码微波感知的远程声信号拾取方法和系统


[0001]本专利技术涉及声音拾取
，具体地，涉及一种基于相位编码微波感知的远程声信号拾取方法和系统。

技术介绍

[0002]声音作为通信与交互的重要手段和介质，在信息安全领域一直是科研人员关注和研究的重点。现有的声音拾取方法大多是通过手机、录音笔、话筒等麦克风装置录音，但是这种设备在安全性、隐蔽性、便捷性等方面存在明显缺陷。同时，这类麦克风传感技术将声音信号转换为电信号，经过放大和模数转换存储为数字信号，在传输过程中容易受到各种屏蔽设备影响，干扰传输过程。
[0003]专利文献CN110568073A(申请号：CN201910871148.5)公开了一种在噪声环境中拾取击打信号的方法，该方法包括：步骤S1：通过敲击方式采集隧道衬砌的声频信号，记作为采样信号；步骤S2：根据步骤S1获得的采样信号，通过短时傅里叶变化分析法，从采样信号中提取并分离开敲击信号和噪声信号，从而抽取出激振信号，其中，敲击信号位置前的信号为噪声信号；步骤S3：对步骤S2提取的激振信号、噪声信号均进行海明窗滤波并FFT频谱分析，将有效信号区间频谱减去噪声信号频谱，获得真实的激振信号频谱；同时，分析真实激振信号频谱的卓越周期、重心周期，进行敲击检测缺陷分析。
[0004]现有的远程非接触式的声音拾取方法主要包括激光、视觉和微波三种，其中基于激光干涉的声音感知技术可以实现远距离的声音拾取，但是主要以单点测试为主且对被测目标表面质量要求较高，条件苛刻；基于视觉的声音感知技术受相机帧率限制，以低频声音测试为主，且受光线等环境因素影响较大，精度较低；基于微波感知的声音拾取技术可以实现高质量的声音感知，但是随着传输距离的增加，回波信号微弱，信噪比降低，远程声音感知受限。因此，研究高可靠性的远程声音拾取技术对于声音传感和信息安全有着重要的意义。
[0005]现有的基于微波感知的声音感知方法在远程声音拾取中存在回波信号微弱、信噪比降低和邻近目标耦合杂波干扰严重的问题，严重影响声音信号重构精度。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于相位编码微波感知的远程声信号拾取方法和系统。
[0007]根据本专利技术提供的基于相位编码微波感知的远程声信号拾取方法，包括：
[0008]步骤S1：构建相位编码矩阵，对多个发射天线的发射信号进行相移控制；
[0009]步骤S2：控制多个发射天线同时发射线性调频连续波信号，使得合成波束主瓣朝向待测声源方向或目标介质方向，利用一个或多个接收天线接收声源目标的回波信号，得到相应通道个数的基带信号；
[0010]步骤S3：对相应通道个数的基带信号进行声振相位解调，提取由于声源振动信息
或由于声波激励引起的介质目标表面的振动信息；
[0011]步骤S4：重构声音信号，实现远程声音拾取。
[0012]优选的，所述步骤S1包括：
[0013]设待测声源或目标介质所在位置相对于发射天线阵列的角度为θ1，构建相位编码矩阵：
[0014][0015]其中，d
k
为第k个发射天线距离第一个发射天线的距离；K为发射天线的数目；k＝2,
…
K；λ
c
为线性调频连续波中心频率对应的波长；
[0016]依据相位编码矩阵设置每个发射天线的初始相位分别为：0，2πd2sinθ1/λ
c
，
…
，2πd
K
sinθ1/λ
c
，控制各个天线同时发射微波信号，使合成波束的主瓣方向角度为θ1，朝向待测声源或目标介质；
[0017]设第一个发射天线的发射信号为s1(t)，通过相移控制合成的发射信号为：
[0018][0019]其中，
[0020][0021][0022][0023]A
T
为发射信号的幅值，f0为发射信号的初始频率，B为信号带宽，T为发射信号一个扫频周期的时间长度，φ0为初始相位；t为时间序列；θ表示遍历角度；a(θ)
H
为a(θ)的共轭转置；d为每根发射天线之间的间距。
[0024]优选的，所述步骤S2包括：
[0025]控制多个发射天线同时发射线性调频连续波信号，使得合成波束主瓣朝向待测声源方向或目标介质方向，利用一个或多个接收天线接收声源目标的回波信号，通过硬件混频、低通滤波后得到第一个接收天线对应通道的基带信号为：
[0026][0027]式中，ψ＝πd(sinθ0‑
sinθ)/λ
c
[0028]设通过差拍频率解调后，得到相位复
矢量，表示为：
[0029][0030]针对接收阵列天线通道的相位复矢量表示为：
[0031][0032]其中，A
B
为接收信号的幅值，λ0为初始频率对应的波长，T
sweep
为扫频是时间长度，R为目标距离天线的距离；c为光速；x(iT
sweep
)表示第i个扫频周期内的位移值；ψ为中间量；f
b
为差拍频率；表示与目标到微波收发器之间的距离相关的相位信息；表示第i个扫频周期由于目标振动引起的相位变化值。
[0033]优选的，所述步骤S3包括：
[0034]通过声振相位解调，提取每个扫描周期待测声源或目标介质表面的振动位移序列：
[0035][0036]式中，x(p,θ
s
,R,iT
sweep
)表示为第p次循环扫描、波束扫描的角度为θ
s
、发射扫频周期为i、当前扫描角度距离为R的被测目标或测点的位移序列元素值；arg{}为取复数相位值的运算；N为每个扫频周期单通道基带信号元素的个数；n为每个扫频周期单通道基带信号元素的序号；T
s
为基带信号采样频率时间；s
B
(p,θ
s
,iT,nT
s
)为第p次循环扫描、波束扫描角度为θ
s
、第i个发射扫频周期共M个通道基带信号组成的矩阵，矩阵的列向量为第m＝1,2,
…
,M通道的基带信号；j为虚数单位；为被测目标或测点距离对应的差拍频率估计值；d
rxm
分别为第m个接收天线到第一个接收天线的距离，m＝1,
…
,M，其中d
rx1
＝0。
[0037]优选的，所述步骤S4包括：通过包括低通滤波在内的方法对提取的待测声源或目标介质表面的振动信号进行处理，得到声音频段范围的声信号，实现远程声音拾取，若存在多个声源目标，则重复执行步骤S1
‑
S3，依据其余声源的方位角θ
i
构建相位编码矩阵，并提取该声源的声振信号，实现远程声音拾取。
[0038]根据本专利技术提供的基于相位编码微波感知的远程声信号拾取系统，包括：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于相位编码微波感知的远程声信号拾取方法，其特征在于，包括：步骤S1：构建相位编码矩阵，对多个发射天线的发射信号进行相移控制；步骤S2：控制多个发射天线同时发射线性调频连续波信号，使得合成波束主瓣朝向待测声源方向或目标介质方向，利用一个或多个接收天线接收声源目标的回波信号，得到相应通道个数的基带信号；步骤S3：对相应通道个数的基带信号进行声振相位解调，提取由于声源振动信息或由于声波激励引起的介质目标表面的振动信息；步骤S4：重构声音信号，实现远程声信号拾取。2.根据权利要求1所述的基于相位编码微波感知的远程声信号拾取方法，其特征在于，所述步骤S1包括：设待测声源或目标介质所在位置相对于发射天线阵列的角度为θ1，构建相位编码矩阵：其中，d
k
为第k个发射天线距离第一个发射天线的距离；K为发射天线的数目；k＝2,
…
K；λ
c
为线性调频连续波中心频率对应的波长；依据相位编码矩阵设置每个发射天线的初始相位分别为：0，2πd
2 sinθ1/λ
c
，
…
，2πd
K sinθ1/λ
c
，控制各个天线同时发射微波信号，使合成波束的主瓣方向角度为θ1，朝向待测声源或目标介质。3.根据权利要求2所述的基于相位编码微波感知的远程声信号拾取方法，其特征在于，所述步骤S2包括：控制多个发射天线同时发射线性调频连续波信号，使得合成波束主瓣朝向待测声源方向或目标介质方向，利用一个或多个接收天线接收声源目标的回波信号，通过硬件混频、低通滤波后得到多通道微波基带信号。4.根据权利要求3所述的基于相位编码微波感知的远程声信号拾取方法，其特征在于，所述步骤S3包括：通过声振相位解调，提取每个扫描周期待测声源或目标介质表面的振动位移序列：式中，x(p,θ
s
,R,iT
sweep
)表示为第p次循环扫描、波束扫描的角度为θ
s
、发射扫频周期为i、当前扫描角度距离为R的被测目标或测点的位移序列元素值；T
sweep
为发射天线发射线性调频连续波的扫频周期；arg{}为取复数相位值的运算；N为每个扫频周期单通道基带信号元素的个数；n为每个扫频周期单通道基带信号元素的序号；T
s
为基带信号采样频率时间；s
B
(p,θ
s
,iT,nT
s
)为第p次循环扫描、波束扫描角度为θ
s
、第i个发射扫频周期共M个通道基带信号组成的矩阵，矩阵的列向量为第m＝1,2,
…
,M通道的基带信号；j为虚数单位；为被测目标或测点距离对应的差拍频率估计值；λ
c
为线性调频连续波中心频率对应的波长；d
rxm
分别为第m个接收天线到第一个接收天线的距离，m＝1,
…
,M，其中d
rx1
＝0。
5.根据权利要求4所述的基于相位编码微波感知的远程声信号拾取方法，其特征在于，所述步骤S4包括：通过包括低通滤波在内的方法对待测声源或目标介质表面的振动信号进行处理，得到声音频段范围的声信号，实现远程声音拾取，若存在多个声源目标，则重复执行步骤S1
‑
S3，依据其余声源的方位角θ
i

【专利技术属性】
技术研发人员：彭志科，李松旭，熊玉勇，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：