非接觸式聲帶振動(dòng)感測(cè)技術(shù)探索

王亞楠

摘要：隨著科技的不斷發(fā)展，非接觸式聲帶震動(dòng)感測(cè)技術(shù)在醫(yī)療、通信、軍事等領(lǐng)域都取得了十分良好的應(yīng)用。該項(xiàng)技術(shù)是利用雷達(dá)對(duì)人體發(fā)聲器官的生理微振動(dòng)進(jìn)行感測(cè)，并通過回波信號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從而獲取相關(guān)的參數(shù)資料，還原聲音信息。本文結(jié)合非接觸式聲帶震動(dòng)感測(cè)技術(shù)的應(yīng)用原理，對(duì)其設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：非接觸式；聲帶震動(dòng)；感測(cè)技術(shù)

前言

在傳統(tǒng)的語音信號(hào)處理領(lǐng)域當(dāng)中，主要是以空氣壓力波作為媒介，然后利用麥克風(fēng)進(jìn)行收音，將其轉(zhuǎn)換為電性信號(hào)，再通過對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理來獲得相應(yīng)的參數(shù)。但是這種方法容易受到周圍環(huán)境噪聲的影響，使得信號(hào)的質(zhì)量大大降低。而非接觸式聲帶震動(dòng)感測(cè)技術(shù)具有良好的抗干擾能力，能夠有效的對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，清晰的還原聲音信息，在多個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中都有著十分廣泛的應(yīng)用。

一、非接觸式聲帶震動(dòng)感測(cè)技術(shù)的原理

人體在發(fā)聲的時(shí)候，聲門肌肉會(huì)進(jìn)行周期性的收縮和擴(kuò)張，從而產(chǎn)生聲帶震動(dòng)。與心肺運(yùn)動(dòng)相同，人體的聲帶震動(dòng)也是一個(gè)周期性的震動(dòng)過程。非接觸式聲帶震動(dòng)感測(cè)技術(shù)是以多普勒雷達(dá)為基礎(chǔ)，依據(jù)多普勒定理，在電磁波與一個(gè)位置進(jìn)行周期性變化且凈速度為零的物體發(fā)生碰撞時(shí)，所產(chǎn)生的回波信號(hào)是按照其周期運(yùn)動(dòng)對(duì)原是發(fā)射信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制后的信號(hào)。因此，只需要對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，就能夠獲得相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。

非接觸式聲帶震動(dòng)感測(cè)技術(shù)能夠?qū)θ梭w發(fā)聲器官的生理微振動(dòng)進(jìn)行感測(cè)。當(dāng)人體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，雷達(dá)向人體發(fā)射連續(xù)波電磁信號(hào)。當(dāng)電磁波碰到人體發(fā)聲器官的時(shí)候，所產(chǎn)生的回波信號(hào)就會(huì)被聲帶的周期震動(dòng)進(jìn)行相位調(diào)制[1]。通過對(duì)回波信號(hào)的解調(diào)、積分、放大、濾波得等處理，然后將處理后的信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，從而就能夠獲得與人體聲帶震動(dòng)相關(guān)的參數(shù)，復(fù)原聲音信息。

二、非接觸式聲帶震動(dòng)感測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)性能的要求

基于美國聯(lián)邦通信委員會(huì)的規(guī)定，從2.1GHz到10.6GHz、-41dBm/MHz可以應(yīng)用在醫(yī)療系統(tǒng)，最小的寬帶要求為500MHz。因此，該系統(tǒng)采用的頻率可選定為2.4GHz。模擬通道混頻后，送入到ADC當(dāng)中的中頻信號(hào)應(yīng)為75MHz。由于人們?cè)谡Ｕf話的時(shí)候，聲帶的振動(dòng)頻率通常在60-350Hz，因此最終需要進(jìn)行處理的數(shù)據(jù)率大約為50KHz。另外，被測(cè)目標(biāo)距離雷達(dá)天線的距離應(yīng)為2m，雷達(dá)的發(fā)射功率應(yīng)為0.1mW。

（二）系統(tǒng)工作體制的選擇

按照不同的雷達(dá)信號(hào)形式，可將雷達(dá)分為連續(xù)波了雷達(dá)和脈沖雷達(dá)兩種。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體情況的不同，選擇相應(yīng)的雷達(dá)。

1.連續(xù)波雷達(dá)

連續(xù)波雷達(dá)通過發(fā)射器發(fā)射一個(gè)固定頻率的連續(xù)波，經(jīng)過環(huán)形器傳送至天線，然后由天線向被測(cè)目標(biāo)進(jìn)行發(fā)射。當(dāng)天線發(fā)射出的電波與被測(cè)目標(biāo)發(fā)生碰撞之后，目標(biāo)會(huì)將大部分的電磁波返回到天線。天線再將接收到的回波通過環(huán)行器加載到混頻器，然后對(duì)其進(jìn)行后續(xù)的處理。

2.脈沖雷達(dá)的發(fā)射機(jī)能夠通過本振產(chǎn)生發(fā)射波形，然后將其傳輸至雙工器。然后雙工器切換到發(fā)射模式，將電波通過天線進(jìn)行發(fā)射。電波在與被測(cè)目標(biāo)發(fā)生碰撞之后被反射回來，天線接收到反射回波之后，將其傳輸?shù)诫p工器[2]。雙工器此時(shí)切換到接收模式，將接收到的回波傳送至接收機(jī)，進(jìn)行信號(hào)處理。

通過以上兩種雷達(dá)的工作模式，我們可以看出，連續(xù)波雷達(dá)相對(duì)來說較為簡單。連續(xù)波雷達(dá)對(duì)電磁波的發(fā)射和接收是同時(shí)進(jìn)行的，不需要經(jīng)過雙工器的處理。同時(shí)，連續(xù)波雷達(dá)的寬帶要小于脈沖雷達(dá)，因此可以對(duì)濾波器進(jìn)行簡化。如果被測(cè)目標(biāo)是在速率或位移移動(dòng)當(dāng)中，采用連續(xù)波雷達(dá)還能夠簡化后期計(jì)算的過程。連續(xù)波雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)潭ň嚯x下按照固定速率進(jìn)行移動(dòng)的目標(biāo)速率進(jìn)行精確測(cè)量，而脈沖雷達(dá)在測(cè)距和測(cè)速等方面都沒有連續(xù)波雷達(dá)精確。

（三）雷達(dá)接收機(jī)的選擇

1.零中頻接收機(jī)

在零中頻接收機(jī)的工作過程中，天線接收到的信號(hào)首先通過低噪放大器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，以此來降低噪聲系數(shù)。然后通過射頻帶通濾波器將噪聲濾除并傳送到混頻器，由混頻器將所需的頻帶直接交換到基帶進(jìn)行處理。零中頻接收機(jī)當(dāng)中不含有中頻級(jí)，因此它能夠克服鏡像問題，不需要再經(jīng)過鏡像濾波器，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到了簡化。同時(shí)，由于零中頻接收機(jī)的電路較為簡單，因此濾波器等電路能夠通過單片輕易實(shí)現(xiàn)。

但是，零中頻接收機(jī)也存在著一些弊端。直流偏移就是其中一個(gè)十分重要的問題。能夠?qū)е轮绷髌频脑蛴泻芏?，但最為主要的原因就是本振信?hào)泄露到了發(fā)射端。然后經(jīng)過發(fā)射端輸入與本振信號(hào)進(jìn)行混頻，從而造成了直流偏移。如果直流偏移過大，將會(huì)淹無用信號(hào)，從而對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成影響。同時(shí)，還會(huì)使中頻接受的過程中受到奇次互調(diào)和偶次互調(diào)的影響[3]。由于直接變頻需要采用正交形式，因此，從本振輸出的兩路信號(hào)必須能夠嚴(yán)格的保持相位正交和幅度平衡。

2.超外差式接收機(jī)

超外差式接收機(jī)信號(hào)由天線接收并接入接收機(jī)，在射頻階段，要先進(jìn)性濾波和放大，然后經(jīng)過混頻器和本振進(jìn)行混頻，從而得到一個(gè)中頻信號(hào)。隨后再對(duì)信號(hào)進(jìn)行依次濾波和放大處理，并輸送到A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換。由于其中引入了中頻處理的步驟，因此也可稱作中頻數(shù)字接收機(jī)。該接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)為接收動(dòng)態(tài)范圍大、接收靈敏度高、收I/Q信號(hào)不平衡問題的影響較小。不過，該接收機(jī)也存在一些缺點(diǎn)，例如電路較為復(fù)雜，存在鏡像干擾等。但是相比于零中頻接收機(jī)，超外差接收機(jī)的整體性能和效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于零中頻接收機(jī)。

結(jié)論

目前，非接觸式聲帶振動(dòng)感測(cè)技術(shù)在社會(huì)多個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，都得到了十分廣泛的應(yīng)用，它主要是利用雷達(dá)技術(shù)對(duì)人體聲帶的生理微振動(dòng)進(jìn)行感測(cè)，經(jīng)過一系列信號(hào)處理，最終還原聲音信息。而在非接觸式聲帶振動(dòng)感測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計(jì)中，針對(duì)不同的實(shí)際情況和設(shè)計(jì)用途，可選取最為恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)，使該系統(tǒng)能夠最大限度的發(fā)揮作用。雖然目前該項(xiàng)技術(shù)還存在這一定的缺陷和局限性，但是隨著科技水平的不斷提高，該技術(shù)必將得到不斷的完善，進(jìn)而得到更為廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張學(xué)萌.非接觸式聲帶振動(dòng)感測(cè)技術(shù)研究[D].南京理工大學(xué)，2013.

[2]張盛富.應(yīng)用電磁波探測(cè)聲帶振動(dòng)[J].通信技術(shù)，2012（4）：115-118.

[3]，徐建良.軟件無線電原理與應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社，2011.endprint