一种激光多普勒取声方法及装置与流程

本发明属于激光测振领域，具体来说，是一种激光多普勒取声方法和系统。

背景技术：

在军事、缉毒、刑侦及国家安全领域，重要的会议或重要人员的谈话一直是特种兵、侦查人员关注的重点，而这些地方往往也是重点警戒的区域，一般人员无法靠近对移动目标的检测，更是传统侦听手段无法逾越的障碍。

激光多普勒取声是一种通过精密测量窗户、玻璃等物体的微小振动而获取声音的技术，它是一种无接触式实现远距离侦听语音信息的技术，能够为侦查人员提供实时、准确、全面的情报信息，保障国家安全。其最大优点是不需要在目标房间里安装任何侦听设备就可以实现侦听，具有很强的隐蔽性并且不留痕迹。

现有技术中，申请号为201220696759.4(一种激光声音探测装置)、201210442353.8(警用监听装置)、201410078849.0(一种语音监听方法和设备，以及激光反射声源定位方法)的专利对激光声音探测的基本原理进行可行性验证，其装置或设备主要包括激光发生器、激光接收器、功放电路、扬声器等，其利用说话会引起玻璃等感应物体的震动，通过检测玻璃上反射回来的激光来监测房间内说话人的声音，实现远距离监听房间内的说话声音。这些现有技术通过激光多普勒偏振原理实现了激光取声，但其功能仅停留在实验样机水平，由于实际环境中存在大量噪声，导致监听目标的有效话音完全淹没在噪声中，因而这类技术无法适用于实际复杂场景中。

申请号为201410264652.6的中国专利公开了一种基于相关检测技术的激光侦听装置，其在在传统基础上增加了信号的相关检测器，该发明虽然能够降低了外界环境因素对侦听装置的影响，增加了接收机的动态范围，提高了侦听装置的信噪比，但实际环境中，检测到的信号非常微弱，在夹杂有环境噪声的情况下，人耳无法听清声音。

申请号为201820803917.9(一种单通道侦听设备)、201820802171.x(一种双通道侦听设备)的中国专利针对现有技术中激光发射机与激光接收机分开、容易暴露窃听行为、窃听位置不便选择、获取高质量放射光困难、准确瞄准难度大等问题，设计了一种侦听设备，能够实现远距离稳定侦听且携带方便的侦听设备，该发明虽然从硬件方面解决了激光发射机和激光接收机分开问题，大大减小了激光侦听设备的体积，然而仍未解决激光侦听设备的实用性问题。

可以看出现有激光侦听设备仅以硬件的方式实现其取声原理，获取的声音信号为原始语音，因受目标物周围环境因素、硬件噪声的影响，获取的原始语音信号强度非常低，侦听人员难以分辨声音中的有用信息，考虑到实际场景必然伴随噪声、获取信号强度低等致命问题，因而现有方案均难以实现产品化。

技术实现要素：

针对现有取声方法存在的未结合使用场景导致的噪声明显、获取信号强度低的问题，本发明的目的是旨在提供一种激光多普勒取声方法，该方法通过光电技术获取反射激光信号，再对信号进行滤波和解调处理，并运用语音增强处理算法对声音进行再次处理，从而还原出清晰、舒适的声音信号。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种激光多普勒取声方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：语音探测

步骤1a：通过激光器产生激光，激光经光纤准直镜准直为平行光发出，通过偏振分束器分束，形成本振光与探测光；

步骤1b：本振光经过声光移频的作用，产生一束新的激光；

步骤1c：探测光经过光学收发天线发射出去进行语音探测，探测光经目标物体漫反射，再通过光学收发天线收集反射光；

步骤1d：将步骤1b移频产生的新的激光与步骤1c光学收发天线收集的反射光通过透镜合束处理；

步骤1e：将步骤1d合束处理后的激光通过光电探测器转换为电信号；

步骤2：滤波解调

步骤2a：将步骤1e得到的电信号进行低通滤波，滤除高频噪声信号；

步骤2b：通过功率放大器对步骤2a低通滤波后的电信号进行放大；

步骤2c：对步骤2b的电信号进行解调得到模拟信号，然后经模数转换电路转换为数字信号；

步骤3：语音增强处理

步骤3a：对步骤2c中解调得到的数字信号进行高通滤波，滤除低频噪声信号，得到信号x；

步骤3b：对信号x以帧为单位分别进行采样获得每一帧的样点数组data；

步骤3c：对步骤3b其中一帧对应的样点数组data中的所有元素求绝对值，然后计算当前帧对应的样点数组data中的所有元素的绝对值平均值avevalue；

步骤3d：将步骤3c计算得到的当前帧对应的样点数组data中的所有元素的绝对值平均值avevalue与噪声门限noisegate比较，若avevalue<noisegate，则当前帧对应的样点数组data的增益调整值gain为1；

否则将avevalue与目标值targetvalve比较，则当前帧对应的样点数组data的增益调整值gain＝targetvalve/avevalue；

步骤3e：将步骤3d计算得到的增益调整值gain分别乘以当前帧对应的样点数组data中的每一个元素，从而更新当前帧对应的样点数组data，并对增益调整后的样点数组data进行防饱和处理；

步骤3f：对信号x其它帧对应的样点数组data重复步骤3c～3e的过程，从而完成信号x的语音增强处理；

步骤4：信号输出

步骤4a：根据步骤3语音增强处理后的结果输出语音信号。

进一步限定，在步骤3b中，帧长为10～30毫秒，采样频率为8khz。

进一步限定，在步骤3e中，所述防饱和处理具体为：如果增益调整后的样点数组data的第i个元素datai>32767，则将第i个元素datai更新为32767，如果增益调整后的样点数组data的第i个元素datai<-32768，则将第i个元素datai更新为-32768。

进一步限定，在步骤4中，所述语音信号是将步骤3语音增强处理后的信号通过数模转换得到。

进一步限定，在步骤4中，所述语音信号在数模转换之前需要将语音增强处理后的信号进行存储。

本发明的另一个目的在于提供一种激光多普勒取声系统，该系统包括：光学模块、电路模块、语音增强处理模块和输出模块；

所述光学模块包括：

激光器，其产生激光光源；

光纤准直镜，其将激光准直为平行光；

偏振分束器，其将平行光分束形成本振光与探测光；

声光移频器，其将本振光在原有频率上频移产生新的激光；

光学收发天线，其将探测光发射到目标物体上，同时收集经目标物体漫反射后产生的反射光；

合束器，其将声光移频器频移产生的激光与光学接受天线收集的反射光通过透镜合束处理；

光电转换器，其将合束器合束处理后的激光转换为电信号；

所述电路模块包括：

低通滤波器，其用于滤除光电转换器输出的电信号中的高频噪声信号；

功率放大器，其将低通滤波器处理后的电信号进行放大；

解调模块，其将放大的电信号进行解调得到模拟信号；

模数转换电路，其将模拟信号转换为数字信号；

语音增强处理模块包括：

高通滤波器，其用于滤除所述模数转换电路输出的数字信号中的低频噪声信号，得到信号x；

采样模块，其对信号x以帧为单位进行采样获得每一帧的样点数组data；

增益调整值计算模块，其对采样模块输出的每一帧对应的样点数组data中的所有元素求绝对值，然后计算每一帧对应的样点数组data中的所有元素的绝对值平均值avevalue；

将计算得到的每一帧对应的样点数组data中的所有元素的绝对值平均值avevalue与噪声门限noisegate比较，若avevalue<noisegate，则每一帧对应的样点数组data的增益调整值gain为1；

否则将avevalue与目标值targetvalve比较，每一帧对应的样点数组data的增益调整值gain＝targetvalve/avevalue；

样点增益调整模块，其根据增益调整值计算模块得到的每一帧的增益调整值gain与对应帧的样点数组data进行增益调整，并对增益调整后的样点数组data进行防饱和处理，从而完成信号x的语音增强处理，其中任意一帧的增益调整值gain与对应帧的样点数组data的增益调整过程为：将增益调整值gain分别乘以当前帧对应的样点数组data中的每一个元素，从而更新当前帧对应的样点数组data；

输出模块，其将语音增强处理模块经过语音增强处理后的结果输出语音信号。

进一步限定，所述采样模块设有参数设置单元，用于调整帧长和采样频率。

进一步限定，所述样点增益调整模块采用防饱和处理模块对当前帧对应的样点数组data进行防饱和处理，所述防饱和处理模块的处理过程为：如果增益调整后的样点数组data的第i个元素datai>32767，则将第i个元素datai更新为32767，如果增益调整后的样点数组data的第i个元素datai<-32768，则将第i个元素datai更新为-32768。

进一步限定，所述输出模块设有数模转换模块，其将语音增强处理模块处理后的数字信号转换成模拟信号输出。

进一步限定，所述输出模块还设有存储模块，其用于存储语音增强处理模块处理后的数字信号。

本发明公开的激光多普勒取声方法和系统相比现有技术，通过语音增强处理算法对原始语音信号进行数字信号处理，通过参数调节，可大大提高话音质量，保证声音准确性、真实性和全面性，提升了语音的清晰度、可懂度，将该类产品提升到可商用化水平。

附图说明

图1为本发明激光多普勒取声方法的流程图；

图2为本发明语音增强处理的流程图；

图3为本发明激光多普勒取声系统的模块示意图。

图中标注分别为：10-光学模块，11-激光器，12-光纤准直镜，13-偏振分束器，14-声光移频器，15-光学收发天线，16-合束器，17-光电转换器，20-电路模块，21-低通滤波器，22-功率放大器，23-解调模块，24-模数转换电路，30-语音增强处理模块，31-高通滤波器，32-采样模块，33-增益调整值计算模块，34-样点增益调整模块，35-参数设置单元，36-防饱和处理模块，40-输出模块，41-数模转换模块，42-存储模块。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。

图1示出了激光多普勒取声方法的流程图，该方法包括如下几个步骤：

步骤s100：语音探测

步骤s101：通过激光器作为光源产生激光，激光经光纤准直镜准直为平行光发出，通过偏振分束器分束，形成强弱不等的本振光与探测光。

步骤s102：本振光经过声光移频的作用，产生一束新的激光，新的激光频率在原激光频率基础上频移δ＝δ1-δ2。具体过程为：激光通过声光移频器第一块镜头后发生散射，调节使其1级光功率最强(1级光频率较原激光移频δ1)，此一级光在经过声光移频器第二块镜头，调节使其-1级光最强(-1级光在原激光基础上频移-δ2)。

步骤s103：探测光经过光学收发天线发射出去进行语音探测，探测光经目标物体漫反射，再通过光学收发天线收集反射光。

步骤s104：将步骤s102中移频产生的新的激光与步骤s103中光学收发天线收集的反射光通过透镜合束处理，从而提升光束质量和亮度。

步骤s105：将步骤s104合束处理后的激光通过光电探测器转换为电信号。

步骤s200：滤波解调

步骤s201：将步骤s105得到的电信号进行低通滤波，滤除掉高频噪声信号。

步骤s202：由于目标物体振动微弱，光电探测器输出的电信号强度通常在微瓦(μw)级别，为避免解调后的数字信号因精度原因引起小信号失真，需在通过功率放大器对步骤s201低通滤波后的电信号进行放大。

步骤s203：对步骤s202的电信号进行解调得到模拟信号，然后经模数转换电路转换为数字信号，以便进行语音增强处理。

图2所示为语音增强处理的流程图，具体过程如下。

步骤s300：语音增强处理

步骤s301：对步骤s203中解调得到的数字信号进行高通滤波，滤除掉300hz以下的低频噪声信号，得到数字信号x。

步骤s302：虽然步骤s200对模拟信号进行了放大，但受电路噪声因素的影响，其放大倍数无法达到理想状态，因而经放大后的信号强度仍然较低，清晰度、可懂度难以达到可接受的音量级。基于此问题，为了提升话音的清晰度和可懂度，本步骤在数字信号处理阶段对数字信号x以帧为单位分别进行采样获得每一帧的样点数组data。

每帧的长度(即帧长)通常以10-30ms作为一帧，也可以自行设定，如果每帧以8khz频率进行采样，可以获得每一帧对应的样点数组data。

下面通过步骤s303～s305描述下如何对其中一帧的数字信号进行语音增强处理。

步骤s303：首先选取其中一帧对应的样点数组data，并对样点数组data中的所有元素求绝对值，然后计算当前帧对应的样点数组data中的所有元素的绝对值平均值avevalue，具体操作如下：

步骤s304：将步骤s303计算得到的当前帧对应的样点数组data中的所有元素的绝对值平均值avevalue与噪声门限noisegate比较。

如果avevalue<noisegate，则当前帧对应的样点数组data的增益调整值gain就设为1(样点数组data保持不变)，这是为了避免噪声信号过大。

否则将avevalue与目标值targetvalve进行比较，则当前帧对应的样点数组data的增益调整值gain＝targetvalve/avevalue。其中若gain>1则表示信号需要放大，若gain<1则表示信号需要压缩。增益调整值gain的计算具体操作如下：

步骤s305：将步骤s304计算得到的增益调整值gain分别乘以当前帧对应的样点数组data中的每一个元素，从而更新当前帧对应的样点数组data，并对增益调整后的样点数组data进行防饱和处理。

上述防饱和处理具体为：如果增益调整后的样点数组data的第i个元素datai>32767，则将第i个元素datai更新为32767，如果增益调整后的样点数组data的第i个元素datai<-32768，则将第i个元素datai更新为-32768，该处理能够防止部分样点的值过分大，造成声音尖锐。

该步骤具体操作如下：

步骤s306：通过步骤s303～s305的描述，可以很清楚的知道如何对任意一帧的数字信号进行语音增强处理，因此本步骤需要重复步骤s303～s305的过程对数字信号x其它帧对应的样点数组data分别进行语音增强处理，然后将每一帧语音增强处理后的样点数组data合并成一个数字音频信号，从而完成整个数字信号x的语音增强处理。

步骤s400：信号输出

步骤s401：根据步骤s300语音增强处理后的数字音频信号通过数模转换得到对应的语音模拟信号。

需要说明的是，在数模转换之前，语音增强处理后的数字音频信号最好存储下来。

图3所示为一种激光多普勒取声系统，该系统包括：光学模块10、电路模块20、语音增强处理模块30和输出模块40。

光学模块10包括激光器11、光纤准直镜12、偏振分束器13、声光移频器14、光学收发天线15、合束器16和光电转换器17。光学模块10的作用是通过激光测量目标物体的微小振动来获取声音的电信号，其具体工作原理如下：

首先激光器11产生激光光源，激光光源通过光纤准直镜12准直为平行光，平行光通过偏振分束器13分束形成本振光与探测光，其中本振光通过声光移频器14在原有频率上频移产生新的激光，探测光则通过光学收发天线15发射到目标物体上，经目标物体漫反射后被光学收发天线15收集，获得反射光信号，接着将经过声光移频器14频移产生的激光与光学收发天线15收集的反射光通过合束器16合束处理，然后将合束处理后的激光通过光电转换器17转换为电信号。

电路模块20包括低通滤波器21、功率放大器22、解调模块23以及模数转换电路24。电路模块20的作用是将光学模块10测振产生的电信号经过滤波、放大和解调处理后获得有效的数字信号，其具体工作原理如下：

首先通过低通滤波器21滤除光学模块10中输出的电信号中的高频噪声信号，由于目标物体振动微弱，光电探测器输出的电信号强度比较弱，为避免解调后的数字信号失真，需在通过功率放大器22对低通滤波器21输出的电信号进行放大，然后再通过解调模块23对放大的电信号进行解调得到模拟信号，最后经模数转换电路24转换为数字信号输出。

语音增强处理模块30包括高通滤波器31、采样模块32、增益调整值计算模块33和样点增益调整模块34。语音增强处理模块30的作用是通过参数调节，提高话音质量，保证声音的准确性、真实性和全面性，其具体工作原理如下：

首先通过高通滤波器31滤除模数转换电路24输出的数字信号中300hz以下的低频噪声信号，得到数字信号x，然后通过采样模块32对信号x以帧为单位进行采样获得每一帧的样点数组data，每帧的长度(即帧长)通常以10-30ms作为一帧，采样频率8khz。

采样模块32设有参数设置单元35，上述涉及帧长以及采样频率的参数可以通过参数设置单元35进行调整。

然后选取其中一帧对应的样点数组data通过增益调整值计算模块33计算增益调整值，具体为先对样点数组data中的所有元素求绝对值，然后计算当前帧对应的样点数组data中的所有元素的绝对值平均值avevalue，将计算得到的每一帧对应的样点数组data中的所有元素的绝对值平均值avevalue与噪声门限noisegate比较，若avevalue<noisegate，则每一帧对应的样点数组data的增益调整值gain取为1；否则将avevalue与目标值targetvalve比较，每一帧对应的样点数组data的增益调整值gain＝targetvalve/avevalue。

再通过样点增益调整模块34对样点数组data进行增益调整，具体为：根将步骤s304计算得到的增益调整值gain分别乘以当前帧对应的样点数组data中的每一个元素，从而更新当前帧对应的样点数组data，并对增益调整后的样点数组data通过防饱和处理模块36进行防饱和处理，具体为：如果增益调整后的样点数组data的第i个元素datai>32767，则将第i个元素datai更新为32767，如果增益调整后的样点数组data的第i个元素datai<-32768，则将第i个元素datai更新为-32768，该防饱和处理能够防止部分样点的值过分大，造成声音尖锐。

最后通过增益调整值计算模块33和样点增益调整模块34对数字信号x其它帧对应的样点数组data分别进行语音增强处理，然后将每一帧语音增强处理后的样点数组data合并成一个数字音频信号，从而完成整个数字信号x的语音增强处理。

输出模块40将语音增强处理模块30经过语音增强处理后的结果输出语音信号，其中输出模块40设有数模转换模块41，其将语音增强处理模块30处理后的数字信号转换成模拟信号输出。

同时输出模块40设有存储模块42，通过存储模块42能够将语音增强处理模块30处理后的数字信号保存下来。

以上对本发明提供的一种激光多普勒取声方法和系统进行了详细介绍。具体实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。