远距离语音拾取系统的可行性研究

卢 伟 步万岗

（1、山东警察学院，山东 济南 250014 2、聊城市看守所，山东 聊城 252000）

随着科学技术的发展，互联网、DNA 检测、大数据、人脸识别等技术的联合助力下，众多悬疑、未决案件的犯罪人员得以绳之以法，但犯罪嫌疑人犯罪手段和方式也在提升。为了适应新的犯罪形势，侦查机关需要采取更为有利的侦查手段来获取证据。技术侦查作为秘密的专门技术手段，通过电子侦听、电话监听、电子监控、秘密拍照等秘密手段对危害国家安全的犯罪、恐怖活动犯罪、组织领导参加黑社会性质的组织犯罪、重大毒品犯罪这类的危害性大且隐蔽性高的案件证据的搜集与固定具有十分重要的作用。语音拾取作为技术侦查的一种重要侦查方式以其较强的适应性、非接触性、非可视性等特点一直以来备受侦查机关的青睐。但因其设备较为昂贵、使用人员技术要求较高等问题，该种侦查方式一直并未在侦查过程中发挥出其应有的作用。本文通过对激光多普勒测振仪的研究试图找到语音拾取技术应用的新突破。

1 材料和方法

当今社会，信息传递最直接、最有效、最可信的方式仍然是语言。诚然，电子通信技术的发展使电子数据在信息传递中发挥了重要作用，但其只能作为语言的载体仍不能替代。对相关对象的语音拾取一直是侦查部门非常关注的话题，在某些特定的环境下，例如禁止记录和电子传递的场合，时常更换谈话地点，没有固定交接地点的情况下，如果没有特工或卧底打入其内部，远距离语音拾取将成为唯一的情报信息来源。语音拾取手段有多种，电子拾音是使用较为普遍的手段。一种非接触的、不留任何痕迹的语音拾取技术——激光多普勒干涉语音探测技术受到各方的重视。

1.1 多普勒激光外差干涉语音探测设备的技术研发

多普勒激光外差干涉语音探测设备针对公共安全、军事侦查、反恐等方面的重大需求，可有效解决由于事发地点不确定性，不能将拾音传感器头预埋在事发地，以及正反射激光语音探测难对准等诸多问题。漫反射多普勒激光外差干涉语音探测系统是一种非接触，对准方便，易操作的拾音系统。

激光媒介语音探测技术主要以激光作为载波，通过调制解调技术，将语音引起的振动信号解调出来，再还原出语音信号。其技术优势主要特点如下：

1.1.1 非接触性，可以在被拾音对象几十米甚至上百米之外进行有效拾音；

1.1.2 隐秘性，如果用不可见光作辐照源，被拾音对象用常规手段根本无法觉察；

1.1.3 不留痕迹，从上述分析可知，激光设备撤走后不会留下任何痕迹；

1.1.4 抗干扰性强，光以其高频特性，在特定的电磁环境下仍可以正常工作。

1.2 技术实现原理

多普勒效应（Doppler effect）是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒（Christian Johann Doppler）而命名的。多普勒于1842 年提出了该理论，物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动的变化而产生变化。在运动的波源前面[1]，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高，可见光范围内，颜色会向光谱紫色端偏移，也被称为蓝移（blue shift）。在运动的波源后面，产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低[2]，可见光范围内，颜色会向光谱红色端偏移，也被称为红移（red shift）。波源的速度越高，所产生的效应越大。根据光波红/蓝移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。恒星光谱线的位移显示恒星循着观测方向运动的速度。除非波源的速度非常接近光速，否则多普勒位移的程度一般都很小。所有波动现象（包括光波）都存在多普勒效应。

1.2.1 激光多普勒测振仪基本原理

由于光波的频率在1014Hz，目前还没有这么高速的探测器能直接测出光波频率的变化。而且现实中的物体移动速度相对光速很小，因此产生的频率变化不会超过在109Hz（按3 倍音速计算，通常的声音振动也就104Hz），即只有光波频率的十万分之一，很难直接探测。所以必须采用相干方式。

激光测振仪的实际上就是一台高精密激光干涉仪和一台信号处理器（如图1 所示）。干涉仪通过收集被测物体表面反射回的微弱激光，经与参考光干涉产生频移信号，信号处理器将频移信号转换为速度和位移信号。

图1 激光多普勒测振仪基本原理

通过干涉作用，使到达探测器的信号形成了一个以光波频率为载波的调幅信号，这个调幅信号的变化频率就是物体运动引起的光波多普勒频率。这个是个低频信号，常规探测器响应速度都可探测到。以下是相干后得到的光强公式：

IR和IM为参考光强和探测信号光强，R 目标为反射率，K 为干涉系数，fD为多普勒频移。

可以看出：以上基本原理实际上和电子上的FM检测原理是相同，多普勒效应对光波频率进行调制，然后和本振-参考光进行混频干涉，将频率调制转换成幅度调制，然后再进行滤波放大检测。

虽然采用基本的原理可以实现振动探测，但由上述公式也亦看出，在没有振动时，即fD为0 时，也会有一个直流光强信号，如果激光电源不稳定，激光自身光强就会存在浮动，这会影响信号探测器，另外，探测器自身的非线性噪声也会影响信号。更好的方式是采用外差法探测。

1.2.2 外差法激光多普勒测振原理

外差法实际上就是在参考光或信号入射光上人为的加一个40Mhz 左右的固有频率，这样在进行干涉检测时，就会得到一个振动信号调制在40Mhz 频率上的FM信号，然后与40Mhz 本振频率再进行一次混频干涉，就可以解码出振动信号。这在原理上与电子学上的外差法探测（如图2 所示）是完全一样的。

图2 外差法激光多普勒测振原理

外差原理如图2。激光频率为fo，经分束镜分成两束，一束为探测光束，一束为参考光束，在探测光中加入（Bragg Cell）布拉格声光调制器，使探测光频率变为fo+fb，fb即为40Mhz 左右的。探测到目标后，频率受到调制，变为fo+fb+fd，fd即为多普勒调频，带有振动信息。再与参考光fo混频干涉后，探测器得到的光强为：

由上述公式可以看出：即使没有振动，即fd=0，此光强信号仍然是一个频率为fb的交流信号，因此可利用交流放大电路进行放大，只要使fb的频率远离弱激光电源波动频率和探测器自身的非线性噪声频率，就可大大降低这些噪声干扰，提高信噪比。由于外差光路具有以上优点，因此我们所设计的振动测量光学系统采用的就是外差振动测量光学系统。

目前实现外差干涉振动测量主要有三种方法：采用磁光调制移频法的双频激光器作为测量光源的双频激光测量系统；利用半导体激光线性调频实现的外差干涉测量系统；利用光学频移器件实现光学外差产生的干涉测量系统。声光器件又称声光调制器或布拉格盒[3](Bragg cell)，声光调制是一种外调制技术，其主要作用是控制激光束强度的变化。与其他方法进行的外差光学系统相比，利用声光调制器来构成外差振动测量光路的频移器的方法具有以下优点：在振动测量的光学结构中提取测量的参考信号，从而消除了光束漂移对测量精度的影响。频移范围广，声光调制器的范围可达107-108Hz，可以使测量速度大大提高。与双频测量系统相比，它不存在混频带来的误差，更容易实现纳米量级的振动测量。

可以看出：以上基本原理实际上和电子上的FM 检测原理是相同，多普勒效应对光波频率进行调制，然后和本振-参考光进行混频干涉，将频率调制转换成幅度调制，然后再进行滤波放大检测。

声音可以引起周围目标的微小振动，在生活中周围绝大多数目标，例如水杯、家具、壁挂物、台历、纸巾盒、灯罩，饮水机等都可以被声音引起微弱振动，被声音引起的振动频率与语音频率相同，利用激光进行振动频率的探测、提取、解调，可以得到引起其振动的语音频率、幅度，即激光语音探测。

2 多普勒激光外差干涉语音探测设备的设计实现

总体工作原理框（如图3 所示）。

图3 总体工作原理图

该系统主要由近红外窄线宽线偏振激光光源、精密外差干涉光路、微弱信号探测解调系统等三个子系统组成。该系统以近红外人眼安全不可见的窄线宽线偏振半导体激光器发出的光作为载波，以水瓶、烟盒、家具、广告牌、车体等目标物为媒介；当目标物附近有人说话的时候，说话声会引起目标物的微弱同频率共振，这种振动会使照射到目标物上的激光产生多普勒频移，通过同轴发射接收光学天线接收到这种反射的回波信号，并与参考光进行外差干涉[4]，再经过光电器件探测该外差干涉信号（如图4 所示），然后通过正交解调和语音增强等信号处理过程还原出语音信号，并通过扬声器输出，从而实现远距离的非接触激光侦听语音探测。

图4 多普勒激光语音探测示意图

探测解调主要完成光电信号转换及语音信号的解调输出功能，该子系统由光电探测、跨阻放大、带通滤波、混频、AD 转换、正交解调等电路模块组成，系统拟采用的电路整体方案（如图5 所示）。

图5 电路原理框图

由于返回到探测器的光线很弱，产生的光电流也很小，为nA 量级，并且信噪比很小，直接测量非常困难。我们采用微弱信号的小波分析方法和信号的自相关技术对有用信号进行提取。通过信号处理器将频移信号转换为速度和位移信号[5]，最终转变为音频信号。

由于返回的测量光很微弱，为nW 量级，光电探测器的转换效率为0.9A/W，产生的光电流也很小，为nA量级，并且信噪比很小，必须采用高灵敏度的光电探测系统。

外差干涉测量时，光电探测器会产生一个交流信号，因此项目组利用交流放大电路对微弱信号进行放大，只要使信号频率远离弱激光电源波动频率和探测器自身的非线性噪声频率，就可大大降低这些噪声干扰，提高信噪比，并且通过以下关键技术措施降低了系统本身噪声，提高系统光电探测灵敏度：选用跨阻前置交流放大器电路，尽可能地保持原始信号的频谱特性，防止信号畸变，防止直流的输入造成运算放大器的饱和。

根据电路对噪声的要求选用合适器件，而且使器件工作在额定状态（如电压、电流、频率等最好在正常合适范围内），尽量减少噪声。对电路合理布局。做好屏蔽，减少外界干扰。低噪声放大器采用独立电源，不和别的电路合用电源，特别不和数字脉冲电路合用电源。经过上述处理后的信号依然具有噪声干扰，完全依靠模拟电路是无法滤除的。将含有噪声的信号进行AD 转换后变为数字信号，依靠数字信号处理的方法进行信号的提取和识别，包括对信号的数字滤波、解调等，最终可获得清晰的语音信号。

3 结果与讨论

3.1 典型目标物的适应能力实验

测试如下内容：

（1）测试不低于40 种典型目标物；

（2）测试验证目标物的振动响应特征曲线；

（3）针对不同目标物的振动特性进行分析；

（4）研究不同类型目标物对语音信号的失真特点。

3.2 典型应用环境设定

对实际使用环境进行分类，室内、室外、车内等典型应用环境的可能存在的典型目标物进行备选。制定测试目标物明细表，对典型目标物的实际状态、形状、尺寸等进行选取，并设定好测试时状态。

针对实际使用时系统与目标物的状态进行测试方案设定，例如从车内对室内进行探测；系统架设方式设定，在车内的状态，车子的状态；室内探测典型目标物为纸巾盒，并对纸巾盒与车之间可能间隔玻璃，玻璃的厚度、尺寸、透过率；声音源距离目标物的距离，声音源音量大小，环境噪声等等进行典型规定。

3.3 典型目标物的选取及制表

编制测试试验表格，典型目标物（如表1）记录所示，进行测试试验，对方案的典型性进行分析，确保目标物为典型目标物。

表1 典型目标物列表

3.4 实验总结

通过验证试验，对测试的不同目标物的试验数据进行记录，采用表所示试验记录表格，对试验过程的详细信息进行测试记录，方便试验数据的对比分析和规律总结。通过测试绝大多数的日常目标常见物品都可以作为语音探测的目标物，因此具有很好的适应性。一款非接触，人眼不可见，探测距离百米以上的激光语音探测系统，该系统集人眼不可见窄线宽激光器、高精密外差干涉测量系统、微弱光信号探测系统、语音解调增强系统于一体。探测目标能力强，可适用于家具、塑料、铝材、部分玻璃等绝大部分材质，整机语音响应速度快，可方便应用于车内对车内、车内对室内，室内对室内、室外对室内等各种应用场景。可通过近红外成像摄像机配合完成对目标人员周围振动介质的精确定位，实现对目标的频率、速度、加速度、振动幅度等的捕获功能。

结束语

随着社会的发展，犯罪的多样化、隐蔽化使传统的证据搜集方式面临挑战，语言拾取技术的运用作为一种新兴方式有望使犯罪侦查在众多挑战面前实现新的突破。但由于激光语音拾取这一技术领域的特殊性，所有关键技术国外都处于严格保密状态，而我国在这方面的装备还比较落后，因此，激光拾音技术的研究不仅能够填补我国在技术语音探测领域的空白，对提高拾音装备现有水平，更重要的是它对维护国家安全、掌握国外经济、科技动态有着十分重要的现实意义。