Remote Sound Extraction Using Laser Doppler Interferometer

108

Remote Sound Extraction Using Laser Doppler Interferometer

Jeong-hwan Hwang

^†

Defense Industry Support Team, Korea Research Institute for Defense Technology Planning and Advancement, Jinju 52851, Korea (Received April 27, 2021; Revised May 9, 2021; Accepted May 18, 2021)

We propose and experimentally demonstrate a method of remote sound extraction using laser Doppler interferometry. The output frequency of a laser Doppler interferometer changes to be the same as the frequency of the acoustic wave from than object vibrated by the sound due to the Doppler effect. Based on this phenomenon, we measure the vibrational frequency of a remote target affected by a sound wave in real time, via laser Doppler interferometry. We track the peak frequency of the interferometer’s output via appropriate signal processing, which confirms that the characteristics of the so detected wave are the same as that of the original sound source. We also confirm that the same method can retrieve the sound waves not only from remote sources of single tones, but from those of any sound.

Keywords: Laser Doppler interferometer, Optical sensor network, Sound restoration

OCIS codes: (120.0280) Remote sensing and sensors; (120.3180) Interferometry; (280.3340) Laser Doppler velocimetry

레이저 도플러 간섭계를 이용한 원거리 소리 추출

황정환^†

방산지원운영팀, 방위산업기술진흥연구소

우

52851 경상남도 진주시 동진로 420

(2021년 4월 27일 받음, 2021년 5월 9일 수정본 받음, 2021년 5월 18일 게재 확정)

본 논문에서는 어떤 음원에 의하여 진동하는 물체로부터 그 음원의 소리를 레이저 도플러 간섭계를 이용하여 원거리에서 복원하는 방법을 고 안하고 실험적으로 시연하였다. 어떤 음파에 의하여 진동하는 물체를 간섭계를 통하여 측정할 경우, 측정되는 간섭계의 주파수는 도플러 효과 에 의하여 그 소리의 주파수와 동일하게 변한다. 이 현상을 이용하여 어떤 소리에 영향을 받는 대상의 진동 주파수를 레이저 도플러 간섭계를 통해 원거리에서 실시간으로 측정하고, 간섭계 출력의 최대 주파수를 추적하는 신호처리를 통하여 얻은 결과가 음원의 소리와 같은 주파수 특 성을 갖는다는 것을 실험적으로 확인하였다. 또한, 각각의 단일 톤 음원뿐만 아니라 여러 가지 주파수가 혼합된 음원의 복원도 가능함을 확인 하였다.

Keywords: 레이저 도플러 간섭계, 광 센서 네트워크, 음원 복원

OCIS codes: (120.0280) Remote sensing and sensors; (120.3180) Interferometry; (280.3340) Laser Doppler velocimetry

《연구논문》

Korean Journal of Optics and Photonics, Vol. 32, No. 3, June 2021, pp. 108-113 DOI: https://doi.org/10.3807/KJOP.2021.32.3.108

†

E-mail: [email protected], ORCID: 0000-0003-0027-2527

Color versions of one or more of the figures in this paper are available online.

I. 서 론

소리로 인한 진동판의 진동을 전기신호로 변환하여 음원 신 호를 얻는 마이크는 오래 전부터 소리를 추출하기 위한 도구 로 널리 사용되어 왔다. 마이크는 진동을 전기신호로 변환하 는 방법에 따라 다이내믹 마이크와 콘덴서 마이크로 분류된 다. 다이내믹 마이크는 진동판이 진동하며 마이크 내부의 자 석과 코일의 움직임을 발생시켜 소리를 전기신호로 변환하는

방식을 사용하고, 수음각도, 민감도 등이 비교적 떨어지는 단

점이 있다. 콘덴서 마이크는 진동판의 진동에 의한 축전기 용

량의 변화를 이용하여 전기신호로 변환하며, 다이내믹 마이크

의 단점을 대부분 극복할 수 있고 이를 이용하여 음원의 위치

를 추적하는 등 다양한 응용 분야에 활용 가능하다

^[1-5]

. 하지

만 두 마이크 모두 소리로 인한 진동을 전달하는 진동판이 반

드시 마이크에 포함되어야 한다. 따라서 소리가 마이크의 진

동판까지 도달하여 진동시킬 수 있는 크기의 소리에 대한 정

ISSN:1225-6285(Print)

ISSN:2287-321X(Online)

《연구논문》

레이저 도플러 간섭계를 이용한 원거리 소리 추출 ― 황정환 109

보만을 얻을 수 있으며 그보다 먼 거리의 작은 소리에 대한 정 보는 얻을 수 없다. 이러한 한계를 극복하기 위한 대안으로 광 간섭계를 이용하여 소리를 추출하는 방법이 있다

^[6,7]

. 광 간섭 계는 측정하고자 하는 대상에 레이저 빔을 조사하여 반사된 빔으로부터 대상의 변위, 진동과 같은 정보를 획득한다. 따라 서 소리에 의해 진동하는 원거리의 대상을 진동판처럼 활용하 여 소리에 대한 정보를 얻을 수 있다. 또한, 광 센서 특유의 넓 은 대역폭으로 인해 광 간섭계를 이용하여 수 pm의 미세한 변위도 측정할 수 있기 때문에

^[8]

소리로 인해 불특정 벽면에서 발생하는 미세한 진동에 대해서도 반사되는 빔을 수집할 수 있다면 소리를 추출할 수 있다.

본 논문에서는 어떤 음원에 의하여 진동하는 물체로부터 그 음원의 소리를 레이저 도플러 간섭계를 이용하여 원거리에서 실시간으로 측정하고, 신호처리를 통해 간섭계 출력의 최대 주파수 정보를 추적하여 해당 결과가 음원의 소리와 같은 주 파수 특성을 갖는 것을 실험을 통해 확인하였다.

II. 이론적 배경

일반적인 레이저 도플러 간섭계는 그림 1과 같이 구성된다.

레이저가 조사한 빔은 빔 스플리터(beam splitter)를 이용해 두 개로 분리된다. 하나의 빔은 원거리의 대상으로부터 정보 를 획득하기 위한 테스트 빔으로 사용된다. 테스트 빔은 음향- 광 변조기로 불리기도 하는 브래그 셀(Bragg cell)과 빔 스플 리터를 통과하여 대상으로 조사되고 반사된 빔이 다시 빔 스 플리터로 돌아와 광 검출기에 도달한다. 나머지 하나의 빔은 테스트 빔과 비교하기 위하여 레퍼런스 빔으로 사용되며 간섭 계 내부의 경로를 테스트 빔과 동일하게 하기 위하여 대칭 구 조로 구성되어 광 검출기에 도달하게 된다. 최종적으로 광 검 출기에서 테스트 빔과 레퍼런스 빔, 두 빔의 간섭 신호를 얻는 다. 이 때 헤테로다인 검출 방법을 이용하기 위해 테스트 빔은 브래그 셀을 통과하면서 주파수가 수 MHz (= f

_b

)만큼 편이되 는데, 레이저의 주파수는 일반적으로 광 검출기의 대역폭보다 크기 때문에 한쪽 빔의 주파수를 일정량 편이시켜 두 빔 간의

간섭 신호를 편이된 주파수 대역( f

_b

)에서 검출하기 위해 이러 한 방법을 사용한다. 여기에 테스트 빔을 조사받는 대상이 이 동하면 도플러 효과에 의하여 추가적으로 주파수가 편이되며, 이때의 주파수 변화량( f

_b

)은 아래의 식 (1)과 같다.

FIG. 1. C frequency

일반적 spliter)를 빔으로 사 통과하여 하나의 빔 빔과 동 검출기에 이용하기 주파수는 간의 간섭 빔을 조사 변화량(







Conventional y shift due to

적인 레이저 도 를 이용해 두 개

사용된다. 테 여 대상으로 조

빔은 테스트 동일하게 하기

에서 테스트 기 위해 테스트 는 일반적으로

섭 신호를 편 사받는 대상이





은 아래의











laser Doppler Doppler effec

도플러 간섭계 개로 분리된다

스트 빔은 음 조사되고 반사

빔과 비교하 기 위하여 대 빔과 레퍼런 트 빔은 브래그 로 광 검출기의 편이 된 주파수 이 이동하면

수식(1)과 같

Ⅱ.

r interferomete ct.

계는 그림 1 과 다. 하나의 빔 음향-광 변조기 사된 빔이 다 하기 위하여 레 대칭 구조로

스 빔, 두 빔 그 셀을 통과 의 대역폭보다 수대역(



에서

도플러 효과 같다.

이

이론 론적 적 배 배

er.



, laser fre

과 같이 구성된 빔은 원거리의 기로 불리기도 다시 빔 스플리

레퍼런스 빔 구성되어 광 빔의 간섭 신

하면서 주파수 다 크기 때문에

서 검출하기 에 의하여 추

배 배경 경

equency; 



, f

된다. 레이저가 의 대상으로부 도 하는 브래그

리터로 돌아와 으로 사용되 광 검출기에 호를 얻는다 수가 수 MHz 에 한쪽 빔의

위해 이러한 추가적으로 주

frequency shif

가 조사한 빔 부터 정보를 획

그 셀(Bragg c 와 광 검출기 며 간섭계 내

도달하게 된 다. 이 때 헤테

z (=



만큼 편 주파수를 일 방법을 사용 주파수가 편이

ft due to Brag

은 빔 스플리 획득하기 위한

cell)과 빔 스 기에 도달한다

내부의 경로를 된다. 최종적 테로다인 검출

편이 되는데, 일정량 편이 시

용한다. 여기에 되며, 이때의

gg cell; 



,

리터(Beam 한 테스트 플리터를 다. 나머지 를 테스트 적으로 광 출 방법을 레이저의 시켜 두 빔 에 테스트 의 주파수

(1) (1) 여기서 v 는 대상의 속도, c 는 빛의 속도, f

₀

는 레이저 빔의 주 파수를 의미한다.

따라서 대상이 이동하고 있으면 광 검출기에 도달한 테스트 빔의 주파수는 f

₀

+ f

_b

+ f

_d

가 되어 두 빔의 간섭을 통해 f

_b

+ f

_d

의 신호를 얻을 수 있다. 이미 f

_b

의 값을 인지하고 있기 때문에 도 플러 효과에 의한 주파수 편이량( f

_d

)을 얻을 수 있다. 이때, 대 상이 음파에 의하여 진동하는 경우, 도플러 효과에 의한 주파 수 편이량이 시간의 함수( f

_d

( t ))가 되며 주파수 특성은 음파의 주파수 특성과 일치하게 된다. 즉, 이 주파수 특성을 추적하면 음파의 정보를 얻을 수 있다.

III. 실험 구성

원거리에서 소리를 추출하기 위한 레이저 도플러 간섭계 실 험 구조는 그림 2와 같다. 위에서 소개한 일반적인 레이저 도 플러 간섭계와 다르게 광섬유 기반의 간섭계 형태로 구성하였 다. 광섬유 기반의 간섭계로 구성하게 될 경우 간섭계 내부구 조에서 별도의 광 정렬 없이 빔 스플리터와 거울의 역할을 광 커플러와 광 서큘레이터로 대체할 수 있는 장점이 있다. 레이 저는 1,550 nm 대역 butterfly 타입의 DFB-LD (distributed feedback – laser diode)를 사용하였으며 레이저 모듈에 장 착되어 있는 TEC를 이용하여 온도를 안정화하여 사용하였다.

레퍼런스 빔의 경로에는 브래그 셀과 동일한 역할을 하는 음 향-광 변조기(acousto-optic modulator, AOM)를 사용하여 광 주파수를 편이시켜 40 MHz 대역에서 간섭 신호의 측정이 가능하게 하며, 테스트 빔은 콜리메이터를 통해 대상으로 조 사되고 음원에 의하여 진동하는 대상으로부터 반사되어 다시

FIG. 1. C frequency

일반적

spliter)를

빔으로 사

통과하여 하나의 빔

빔과 동

검출기에

이용하기

주파수는 간의 간섭

빔을 조사

변화량(

 Conventional

y shift due to

적인 레이저 도

를 이용해 두 개

사용된다. 테

여 대상으로 조 빔은 테스트

동일하게 하기

에서 테스트

기 위해 테스트

는 일반적으로 섭 신호를 편

사받는 대상이

은 아래의









laser Doppler Doppler effec

도플러 간섭계

개로 분리된다

스트 빔은 음

조사되고 반사 빔과 비교하

기 위하여 대

빔과 레퍼런

트 빔은 브래그

로 광 검출기의 편이 된 주파수

이 이동하면

수식(1)과 같

Ⅱ.

r interferomete ct.

계는 그림 1과

다. 하나의 빔

음향-광 변조기

사된 빔이 다 하기 위하여 레

대칭 구조로

스 빔, 두 빔

그 셀을 통과

의 대역폭보다 수대역(에서

도플러 효과

같다.

이 이론 론적 적 배 배

er., laser fre

과 같이 구성된

빔은 원거리의

기로 불리기도

다시 빔 스플리 레퍼런스 빔

구성되어 광

빔의 간섭 신

하면서 주파수

다 크기 때문에 서 검출하기

에 의하여 추

배 배경 경

equency; , f

된다. 레이저가

의 대상으로부

도 하는 브래그

리터로 돌아와 으로 사용되

광 검출기에

호를 얻는다

수가 수 MHz

에 한쪽 빔의 위해 이러한

추가적으로 주

frequency shif

가 조사한 빔

부터 정보를 획

그 셀(Bragg c

와 광 검출기 며 간섭계 내

도달하게 된

다. 이 때 헤테

z (=만큼 편 주파수를 일 방법을 사용

주파수가 편이

ft due to Brag

은 빔 스플리

획득하기 위한

cell)과 빔 스

기에 도달한다 내부의 경로를

된다. 최종적

테로다인 검출

편이 되는데,

일정량 편이 시 용한다. 여기에

되며, 이때의 gg cell; ,

리터(Beam

한 테스트

플리터를

다. 나머지 를 테스트

적으로 광

출 방법을

레이저의

시켜 두 빔 에 테스트

의 주파수

(1)

Fig. 1. Conventional laser Doppler interferometer. f

0

, laser frequency; f

b

, frequency shift at the Bragg cell; f

d

, frequency shift due to the Doppler

effect.

110 한국광학회지 제32권 제3호, 2021년 6월

콜리메이터를 통해 돌아와서 레퍼런스 빔과 간섭 신호를 발 생시킨다. 광 검출기에서 검출된 40 MHz 간섭 신호는 sam- pling rate 5 MHz까지 지원하는 데이터 수집기(data acqui- sition system, DAQ)로 수집하여 신호처리를 하기 위해 전압 제어발진기(voltage-controlled oscillator, VCO)에서 출력 되는 약 38.5 MHz 신호와 믹서에서 혼합되어 1.5 MHz 신호 로 다운-컨버젼된다. 다운-컨버젼된 신호는 DAQ를 통해 실 시간으로 PC로 수집되며 LabVIEW (National Instruments Co., TX, USA)를 통해 구현한 신호처리 프로그램을 통해 매 512샘플을 window로 고속 푸리에 변환(fast Fourier trans-

form, FFT)하여 지속해서 최대 주파수를 추적하여 이 결과를 재생된 음원과 비교하였다. 5 MHz로 sampling된 데이터를 다시 512 샘플씩 FFT하여 최대 주파수를 추적하였기 때문에 최종 결과는 약 10 kHz의 sampling rate를 갖게 되어 실험 에 사용된 800–1000 Hz 신호를 시간상으로 부드러운 결과로 얻지는 못하지만, 본 논문에서 보여주고자 하는 재생된 음원 과 동일한 주파수특성을 갖는다는 점을 나타내기 위해서는 충 분한 sampling rate라고 판단하였다.

실제 실험 구성의 사진은 그림 3과 같다. 스피커 앞에 얇은 막을 측정 대상으로 두었고 스피커에서 단일 톤 신호와 다중 여기서

따라서 빔의 간섭 의한 주파 주파수 편 주파수 특

FIG. 2. B Voltage c

원거리에 일반적인 간섭계로 커플러와

(Distribu 온도를 변조기(A

서 는 대상의 서 대상이 이

섭을 통해  

파수 편이량(

편이량이 시간 특성을 추적하

Block diagram controlled osc

에서 소리를 인 레이저 도 로 구성하게 될 와 광 서큘레이

uted feedback 안정화하여 AOM)를 사용

속도, 는 빛 동하고 있으

   의 신호

  을 얻을 수 간의 함수(   하면 음파의 정

m of experim cillator; PD, P

추출하기 위 플러 간섭계 될 경우 간섭계 이터로 대체할

– Laser dio 사용하였다.

용하여 광 주파

빛의 속도,   는 면 광 검출기 를 얻을 수 있 수 있다. 이때,

가 되며 주 정보를 얻을 수

Ⅲ

mental setup. I hoto detector;

한 레이저 도 와 다르게 광 계 내부구조에 할 수 있는 장점 de)를 사용하

레퍼런스 빔 파수를 편이 시

는 레이저 빔의 기에 도달한

있다. 이미  

, 대상이 음파 주파수 특성은

수 있다.

Ⅲ. 실 실험 험 구 구

ISO, Optical

; LPF, Low-pa

도플러 간섭계 광섬유 기반의 에서 별도의 점이 있다. 레 하였으며 레이

빔의 경로에 시켜 40 MHz

의 주파수를 의 테스트 빔의 의 값을 인지 파에 의하여 진 은 음파의 주파

구 구성 성

isolator; AOM ass filter; DAQ

계 실험 구조는 의 간섭계 형

광 정렬 없이 레이저는 1550 이저 모듈에

는 브래그 셀 z 대역에서 간

의미한다 주파수는  

지하고 있기 때 진동하는 경우

파수 특성과

M, Acousto-o Q, Data acqui

는 그림 2 와 태로 구성하 이 빔 스플리터

0 nm 대역 but 장착 되어있 셀과 동일한 간섭 신호의 측

       가 때문에 도플러 우, 도플러 효과 일치하게 된다

optic modulat isition.

같다. 위에서 하였다. 광섬유 터와 거울의 역 tterfly 타입의

는 TEC 를 역할을 하는 측정이 가능하

가 되어 두 러 효과에 과에 의한 다. 즉, 이

tor; VCO,

서 소개한 유 기반의 역할을 광

DFB-LD 이용하여 는 음향-광 하게 하며, Fig. 2. Block diagram of experimental setup. ISO, optical isolator; AOM, acousto-optic modulator; VCO, voltage-controlled oscillator; PD, photo detector; LPF, low-pass filter; DAQ, data acquisition.

Fig. 3. Experimental setup. LD, laser diode; PC, polarization controller.

《연구논문》

레이저 도플러 간섭계를 이용한 원거리 소리 추출 ― 황정환 111

Fi ig. 3 Experime ental setup. LD

Ⅳ

D, Laser diod

Ⅳ. 실 실험 험 결 결

de; PC, Polariz

결 결과 과

zation controlller.

그림 4

정지하고

결과이다

주파수

스테이지

경우 발생

주파수

미치지 않

그림 5

측정하여

결과들이 FIG

4 는 레이저 고 있을 때와

다. 1.28 mm/s

편이량은 각

지의 속도가 일

생할 수 있다.

값을 추적하

않는다.

5 는 스피커에 여 주파수를 추

이 각각의 단일 G. 4. The spect

도플러 간섭

와 1.28 mm/s

s 속도로 이동 각각의 경우에

일관되지 않는

. 본 실험은 대

하여 음원을 추

에서 단일 톤

추출한 결과

일 톤 음원 및

tra of the mov

섭계의 작동 여

속도로 가까

동할 때의 이

에 대해 +162

는 점과 콜리메

대상의 정확한

추출하기위한

톤 음원과 다중

이다. 음원들

다중 톤 음원

ving target of (

여부를 파악하

까워지거나

이론적인 주파

21 Hz, -1785 메이터와 측정

한 속도를 측정

한 실험이기

중 톤 음원을

들은 PC 를 이

원 모든 경우에 (a) stop, (b) cl

하기 위해 측

멀어질 때의

파수 편이량은

5 Hz 으로 측 정 대상 간 광

정하기 위한 것

때문에 이 정

을 재생하고

이용하여 소프

에 대해 음원과 lose, and (c) a

정 대상을 모

의 간섭계 출

은  1651 Hz

측정되었다.

정렬 시 정확

것이 아닌 진동

정도의 오차는

이때 측정 대

프트웨어를 통

과 일치하는 것 away.

모터 스테이지

출력의 변화를

이지만 실제

이러한 오차

확히 수평이 되

동에 의한 변

는 결과에 큰

대상을 간섭계

통해 재생되었

것을 확인할 수 지 위에서

를 측정한

제 측정된

차는 모터

되지 않을

위로부터

큰 영향을

계를 통해

었다. 측정

수 있다.

Fig. 4. Spectra of the laser Doppler interferometer output when the target (a) stops, (b) comes closer, and (c) moves away.

112 한국광학회지 제32권 제3호, 2021년 6월

톤 신호를 각각 재생하여 실험을 수행하였다.

IV. 실험 결과

그림 4는 레이저 도플러 간섭계의 작동 여부를 파악하기 위해 측정 대상을 모터 스테이지 위에서 정지하고 있을 때와 1.28 mm/s 속도로 가까워지거나 멀어질 때의 간섭계 출력의 변화를 측정한 결과이다. 1.28 mm/s 속도로 이동할 때의 이 론적인 주파수 편이량은 ±1651 Hz이지만 실제 측정된 주파 수 편이량은 각각의 경우에 대해 +1,621 Hz, −1,785 Hz으로 측정되었다. 이러한 오차는 모터 스테이지의 속도가 일관되지 않는 점과 콜리메이터와 측정 대상 간 광 정렬 시 정확히 수평 이 되지 않을 경우 발생할 수 있다. 본 실험은 대상의 정확한 속도를 측정하기 위한 것이 아닌 진동에 의한 변위로부터 주 파수 값을 추적하여 음원을 추출하기 위한 실험이기 때문에 이 정도의 오차는 결과에 큰 영향을 미치지 않는다.

그림 5는 스피커에서 단일 톤 음원과 다중 톤 음원을 재생

하고 이때 측정 대상을 간섭계를 통해 측정하여 주파수를 추 출한 결과이다. 음원들은 PC를 이용하여 소프트웨어를 통해 재생되었다. 측정 결과들이 각각의 단일 톤 음원 및 다중 톤 음원 모든 경우에 대해 음원과 일치하는 것을 확인할 수 있다.

V. 결 론

레이저 도플러 간섭계를 이용하여 음원의 소리에 영향을 받 는 원거리의 물체로부터 음원을 추출하는 실험을 수행하였다.

진동판이 함께 구성되어 있는 마이크와 달리 원거리의 물체를 진동판으로 활용하여 소리를 추출하여 복원할 수 있음을 실험 적으로 증명하였다. 이를 활용하여 국방 분야에서 도청하고자 하는 대상 근처까지 접근하여야 하는 도청기를 대신하여 원거 리 도청 장치로 응용 가능할 것으로 생각된다. 또한, 민간분야 에서도 laser scanning 기술과 함께 사용하여 층간소음과 같 은 다양한 생활 소음의 발생 위치를 탐지하거나 분석하는 등 다양한 분야에 응용 가능할 것으로 생각된다.

Fig. 5. Peak frequencies of the laser Doppler interferometer output when the speaker was playing (a) 800 Hz, (b) 900 Hz, (c) 1,000 Hz, and (d)

combined sound.

《연구논문》

레이저 도플러 간섭계를 이용한 원거리 소리 추출 ― 황정환 113

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