遠(yuǎn)距離語(yǔ)音拾取系統(tǒng)的可行性研究

盧 偉 步萬(wàn)崗

（1、山東警察學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014 2、聊城市看守所，山東 聊城 252000）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)、DNA 檢測(cè)、大數(shù)據(jù)、人臉識(shí)別等技術(shù)的聯(lián)合助力下，眾多懸疑、未決案件的犯罪人員得以繩之以法，但犯罪嫌疑人犯罪手段和方式也在提升。為了適應(yīng)新的犯罪形勢(shì)，偵查機(jī)關(guān)需要采取更為有利的偵查手段來(lái)獲取證據(jù)。技術(shù)偵查作為秘密的專(zhuān)門(mén)技術(shù)手段，通過(guò)電子偵聽(tīng)、電話監(jiān)聽(tīng)、電子監(jiān)控、秘密拍照等秘密手段對(duì)危害國(guó)家安全的犯罪、恐怖活動(dòng)犯罪、組織領(lǐng)導(dǎo)參加黑社會(huì)性質(zhì)的組織犯罪、重大毒品犯罪這類(lèi)的危害性大且隱蔽性高的案件證據(jù)的搜集與固定具有十分重要的作用。語(yǔ)音拾取作為技術(shù)偵查的一種重要偵查方式以其較強(qiáng)的適應(yīng)性、非接觸性、非可視性等特點(diǎn)一直以來(lái)備受偵查機(jī)關(guān)的青睞。但因其設(shè)備較為昂貴、使用人員技術(shù)要求較高等問(wèn)題，該種偵查方式一直并未在偵查過(guò)程中發(fā)揮出其應(yīng)有的作用。本文通過(guò)對(duì)激光多普勒測(cè)振儀的研究試圖找到語(yǔ)音拾取技術(shù)應(yīng)用的新突破。

1 材料和方法

當(dāng)今社會(huì)，信息傳遞最直接、最有效、最可信的方式仍然是語(yǔ)言。誠(chéng)然，電子通信技術(shù)的發(fā)展使電子數(shù)據(jù)在信息傳遞中發(fā)揮了重要作用，但其只能作為語(yǔ)言的載體仍不能替代。對(duì)相關(guān)對(duì)象的語(yǔ)音拾取一直是偵查部門(mén)非常關(guān)注的話題，在某些特定的環(huán)境下，例如禁止記錄和電子傳遞的場(chǎng)合，時(shí)常更換談話地點(diǎn)，沒(méi)有固定交接地點(diǎn)的情況下，如果沒(méi)有特工或臥底打入其內(nèi)部，遠(yuǎn)距離語(yǔ)音拾取將成為唯一的情報(bào)信息來(lái)源。語(yǔ)音拾取手段有多種，電子拾音是使用較為普遍的手段。一種非接觸的、不留任何痕跡的語(yǔ)音拾取技術(shù)——激光多普勒干涉語(yǔ)音探測(cè)技術(shù)受到各方的重視。

1.1 多普勒激光外差干涉語(yǔ)音探測(cè)設(shè)備的技術(shù)研發(fā)

多普勒激光外差干涉語(yǔ)音探測(cè)設(shè)備針對(duì)公共安全、軍事偵查、反恐等方面的重大需求，可有效解決由于事發(fā)地點(diǎn)不確定性，不能將拾音傳感器頭預(yù)埋在事發(fā)地，以及正反射激光語(yǔ)音探測(cè)難對(duì)準(zhǔn)等諸多問(wèn)題。漫反射多普勒激光外差干涉語(yǔ)音探測(cè)系統(tǒng)是一種非接觸，對(duì)準(zhǔn)方便，易操作的拾音系統(tǒng)。

激光媒介語(yǔ)音探測(cè)技術(shù)主要以激光作為載波，通過(guò)調(diào)制解調(diào)技術(shù)，將語(yǔ)音引起的振動(dòng)信號(hào)解調(diào)出來(lái)，再還原出語(yǔ)音信號(hào)。其技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要特點(diǎn)如下：

1.1.1 非接觸性，可以在被拾音對(duì)象幾十米甚至上百米之外進(jìn)行有效拾音；

1.1.2 隱秘性，如果用不可見(jiàn)光作輻照源，被拾音對(duì)象用常規(guī)手段根本無(wú)法覺(jué)察；

1.1.3 不留痕跡，從上述分析可知，激光設(shè)備撤走后不會(huì)留下任何痕跡；

1.1.4 抗干擾性強(qiáng)，光以其高頻特性，在特定的電磁環(huán)境下仍可以正常工作。

1.2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理

多普勒效應(yīng)（Doppler effect）是為紀(jì)念?yuàn)W地利物理學(xué)家及數(shù)學(xué)家克里斯琴·約翰·多普勒（Christian Johann Doppler）而命名的。多普勒于1842 年提出了該理論，物體輻射的波長(zhǎng)因?yàn)楣庠春陀^測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的變化而產(chǎn)生變化。在運(yùn)動(dòng)的波源前面[1]，波被壓縮，波長(zhǎng)變得較短，頻率變得較高，可見(jiàn)光范圍內(nèi)，顏色會(huì)向光譜紫色端偏移，也被稱(chēng)為藍(lán)移（blue shift）。在運(yùn)動(dòng)的波源后面，產(chǎn)生相反的效應(yīng)。波長(zhǎng)變得較長(zhǎng)，頻率變得較低[2]，可見(jiàn)光范圍內(nèi)，顏色會(huì)向光譜紅色端偏移，也被稱(chēng)為紅移（red shift）。波源的速度越高，所產(chǎn)生的效應(yīng)越大。根據(jù)光波紅/藍(lán)移的程度，可以計(jì)算出波源循著觀測(cè)方向運(yùn)動(dòng)的速度。恒星光譜線的位移顯示恒星循著觀測(cè)方向運(yùn)動(dòng)的速度。除非波源的速度非常接近光速，否則多普勒位移的程度一般都很小。所有波動(dòng)現(xiàn)象（包括光波）都存在多普勒效應(yīng)。

1.2.1 激光多普勒測(cè)振儀基本原理

由于光波的頻率在1014Hz，目前還沒(méi)有這么高速的探測(cè)器能直接測(cè)出光波頻率的變化。而且現(xiàn)實(shí)中的物體移動(dòng)速度相對(duì)光速很小，因此產(chǎn)生的頻率變化不會(huì)超過(guò)在109Hz（按3 倍音速計(jì)算，通常的聲音振動(dòng)也就104Hz），即只有光波頻率的十萬(wàn)分之一，很難直接探測(cè)。所以必須采用相干方式。

激光測(cè)振儀的實(shí)際上就是一臺(tái)高精密激光干涉儀和一臺(tái)信號(hào)處理器（如圖1 所示）。干涉儀通過(guò)收集被測(cè)物體表面反射回的微弱激光，經(jīng)與參考光干涉產(chǎn)生頻移信號(hào)，信號(hào)處理器將頻移信號(hào)轉(zhuǎn)換為速度和位移信號(hào)。

圖1 激光多普勒測(cè)振儀基本原理

通過(guò)干涉作用，使到達(dá)探測(cè)器的信號(hào)形成了一個(gè)以光波頻率為載波的調(diào)幅信號(hào)，這個(gè)調(diào)幅信號(hào)的變化頻率就是物體運(yùn)動(dòng)引起的光波多普勒頻率。這個(gè)是個(gè)低頻信號(hào)，常規(guī)探測(cè)器響應(yīng)速度都可探測(cè)到。以下是相干后得到的光強(qiáng)公式：

IR和IM為參考光強(qiáng)和探測(cè)信號(hào)光強(qiáng)，R 目標(biāo)為反射率，K 為干涉系數(shù)，fD為多普勒頻移。

可以看出：以上基本原理實(shí)際上和電子上的FM檢測(cè)原理是相同，多普勒效應(yīng)對(duì)光波頻率進(jìn)行調(diào)制，然后和本振-參考光進(jìn)行混頻干涉，將頻率調(diào)制轉(zhuǎn)換成幅度調(diào)制，然后再進(jìn)行濾波放大檢測(cè)。

雖然采用基本的原理可以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)探測(cè)，但由上述公式也亦看出，在沒(méi)有振動(dòng)時(shí)，即fD為0 時(shí)，也會(huì)有一個(gè)直流光強(qiáng)信號(hào)，如果激光電源不穩(wěn)定，激光自身光強(qiáng)就會(huì)存在浮動(dòng)，這會(huì)影響信號(hào)探測(cè)器，另外，探測(cè)器自身的非線性噪聲也會(huì)影響信號(hào)。更好的方式是采用外差法探測(cè)。

1.2.2 外差法激光多普勒測(cè)振原理

外差法實(shí)際上就是在參考光或信號(hào)入射光上人為的加一個(gè)40Mhz 左右的固有頻率，這樣在進(jìn)行干涉檢測(cè)時(shí)，就會(huì)得到一個(gè)振動(dòng)信號(hào)調(diào)制在40Mhz 頻率上的FM信號(hào)，然后與40Mhz 本振頻率再進(jìn)行一次混頻干涉，就可以解碼出振動(dòng)信號(hào)。這在原理上與電子學(xué)上的外差法探測(cè)（如圖2 所示）是完全一樣的。

圖2 外差法激光多普勒測(cè)振原理

外差原理如圖2。激光頻率為fo，經(jīng)分束鏡分成兩束，一束為探測(cè)光束，一束為參考光束，在探測(cè)光中加入（Bragg Cell）布拉格聲光調(diào)制器，使探測(cè)光頻率變?yōu)閒o+fb，fb即為40Mhz 左右的。探測(cè)到目標(biāo)后，頻率受到調(diào)制，變?yōu)閒o+fb+fd，fd即為多普勒調(diào)頻，帶有振動(dòng)信息。再與參考光fo混頻干涉后，探測(cè)器得到的光強(qiáng)為：

由上述公式可以看出：即使沒(méi)有振動(dòng)，即fd=0，此光強(qiáng)信號(hào)仍然是一個(gè)頻率為fb的交流信號(hào)，因此可利用交流放大電路進(jìn)行放大，只要使fb的頻率遠(yuǎn)離弱激光電源波動(dòng)頻率和探測(cè)器自身的非線性噪聲頻率，就可大大降低這些噪聲干擾，提高信噪比。由于外差光路具有以上優(yōu)點(diǎn)，因此我們所設(shè)計(jì)的振動(dòng)測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)采用的就是外差振動(dòng)測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)。

目前實(shí)現(xiàn)外差干涉振動(dòng)測(cè)量主要有三種方法：采用磁光調(diào)制移頻法的雙頻激光器作為測(cè)量光源的雙頻激光測(cè)量系統(tǒng)；利用半導(dǎo)體激光線性調(diào)頻實(shí)現(xiàn)的外差干涉測(cè)量系統(tǒng)；利用光學(xué)頻移器件實(shí)現(xiàn)光學(xué)外差產(chǎn)生的干涉測(cè)量系統(tǒng)。聲光器件又稱(chēng)聲光調(diào)制器或布拉格盒[3](Bragg cell)，聲光調(diào)制是一種外調(diào)制技術(shù)，其主要作用是控制激光束強(qiáng)度的變化。與其他方法進(jìn)行的外差光學(xué)系統(tǒng)相比，利用聲光調(diào)制器來(lái)構(gòu)成外差振動(dòng)測(cè)量光路的頻移器的方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：在振動(dòng)測(cè)量的光學(xué)結(jié)構(gòu)中提取測(cè)量的參考信號(hào)，從而消除了光束漂移對(duì)測(cè)量精度的影響。頻移范圍廣，聲光調(diào)制器的范圍可達(dá)107-108Hz，可以使測(cè)量速度大大提高。與雙頻測(cè)量系統(tǒng)相比，它不存在混頻帶來(lái)的誤差，更容易實(shí)現(xiàn)納米量級(jí)的振動(dòng)測(cè)量。

可以看出：以上基本原理實(shí)際上和電子上的FM 檢測(cè)原理是相同，多普勒效應(yīng)對(duì)光波頻率進(jìn)行調(diào)制，然后和本振-參考光進(jìn)行混頻干涉，將頻率調(diào)制轉(zhuǎn)換成幅度調(diào)制，然后再進(jìn)行濾波放大檢測(cè)。

聲音可以引起周?chē)繕?biāo)的微小振動(dòng)，在生活中周?chē)^大多數(shù)目標(biāo)，例如水杯、家具、壁掛物、臺(tái)歷、紙巾盒、燈罩，飲水機(jī)等都可以被聲音引起微弱振動(dòng)，被聲音引起的振動(dòng)頻率與語(yǔ)音頻率相同，利用激光進(jìn)行振動(dòng)頻率的探測(cè)、提取、解調(diào)，可以得到引起其振動(dòng)的語(yǔ)音頻率、幅度，即激光語(yǔ)音探測(cè)。

2 多普勒激光外差干涉語(yǔ)音探測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

總體工作原理框（如圖3 所示）。

圖3 總體工作原理圖

該系統(tǒng)主要由近紅外窄線寬線偏振激光光源、精密外差干涉光路、微弱信號(hào)探測(cè)解調(diào)系統(tǒng)等三個(gè)子系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)以近紅外人眼安全不可見(jiàn)的窄線寬線偏振半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光作為載波，以水瓶、煙盒、家具、廣告牌、車(chē)體等目標(biāo)物為媒介；當(dāng)目標(biāo)物附近有人說(shuō)話的時(shí)候，說(shuō)話聲會(huì)引起目標(biāo)物的微弱同頻率共振，這種振動(dòng)會(huì)使照射到目標(biāo)物上的激光產(chǎn)生多普勒頻移，通過(guò)同軸發(fā)射接收光學(xué)天線接收到這種反射的回波信號(hào)，并與參考光進(jìn)行外差干涉[4]，再經(jīng)過(guò)光電器件探測(cè)該外差干涉信號(hào)（如圖4 所示），然后通過(guò)正交解調(diào)和語(yǔ)音增強(qiáng)等信號(hào)處理過(guò)程還原出語(yǔ)音信號(hào)，并通過(guò)揚(yáng)聲器輸出，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的非接觸激光偵聽(tīng)語(yǔ)音探測(cè)。

圖4 多普勒激光語(yǔ)音探測(cè)示意圖

探測(cè)解調(diào)主要完成光電信號(hào)轉(zhuǎn)換及語(yǔ)音信號(hào)的解調(diào)輸出功能，該子系統(tǒng)由光電探測(cè)、跨阻放大、帶通濾波、混頻、AD 轉(zhuǎn)換、正交解調(diào)等電路模塊組成，系統(tǒng)擬采用的電路整體方案（如圖5 所示）。

圖5 電路原理框圖

由于返回到探測(cè)器的光線很弱，產(chǎn)生的光電流也很小，為nA 量級(jí)，并且信噪比很小，直接測(cè)量非常困難。我們采用微弱信號(hào)的小波分析方法和信號(hào)的自相關(guān)技術(shù)對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行提取。通過(guò)信號(hào)處理器將頻移信號(hào)轉(zhuǎn)換為速度和位移信號(hào)[5]，最終轉(zhuǎn)變?yōu)橐纛l信號(hào)。

由于返回的測(cè)量光很微弱，為nW 量級(jí)，光電探測(cè)器的轉(zhuǎn)換效率為0.9A/W，產(chǎn)生的光電流也很小，為nA量級(jí)，并且信噪比很小，必須采用高靈敏度的光電探測(cè)系統(tǒng)。

外差干涉測(cè)量時(shí)，光電探測(cè)器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交流信號(hào)，因此項(xiàng)目組利用交流放大電路對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行放大，只要使信號(hào)頻率遠(yuǎn)離弱激光電源波動(dòng)頻率和探測(cè)器自身的非線性噪聲頻率，就可大大降低這些噪聲干擾，提高信噪比，并且通過(guò)以下關(guān)鍵技術(shù)措施降低了系統(tǒng)本身噪聲，提高系統(tǒng)光電探測(cè)靈敏度：選用跨阻前置交流放大器電路，盡可能地保持原始信號(hào)的頻譜特性，防止信號(hào)畸變，防止直流的輸入造成運(yùn)算放大器的飽和。

根據(jù)電路對(duì)噪聲的要求選用合適器件，而且使器件工作在額定狀態(tài)（如電壓、電流、頻率等最好在正常合適范圍內(nèi)），盡量減少噪聲。對(duì)電路合理布局。做好屏蔽，減少外界干擾。低噪聲放大器采用獨(dú)立電源，不和別的電路合用電源，特別不和數(shù)字脈沖電路合用電源。經(jīng)過(guò)上述處理后的信號(hào)依然具有噪聲干擾，完全依靠模擬電路是無(wú)法濾除的。將含有噪聲的信號(hào)進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，依靠數(shù)字信號(hào)處理的方法進(jìn)行信號(hào)的提取和識(shí)別，包括對(duì)信號(hào)的數(shù)字濾波、解調(diào)等，最終可獲得清晰的語(yǔ)音信號(hào)。

3 結(jié)果與討論

3.1 典型目標(biāo)物的適應(yīng)能力實(shí)驗(yàn)

測(cè)試如下內(nèi)容：

（1）測(cè)試不低于40 種典型目標(biāo)物；

（2）測(cè)試驗(yàn)證目標(biāo)物的振動(dòng)響應(yīng)特征曲線；

（3）針對(duì)不同目標(biāo)物的振動(dòng)特性進(jìn)行分析；

（4）研究不同類(lèi)型目標(biāo)物對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的失真特點(diǎn)。

3.2 典型應(yīng)用環(huán)境設(shè)定

對(duì)實(shí)際使用環(huán)境進(jìn)行分類(lèi)，室內(nèi)、室外、車(chē)內(nèi)等典型應(yīng)用環(huán)境的可能存在的典型目標(biāo)物進(jìn)行備選。制定測(cè)試目標(biāo)物明細(xì)表，對(duì)典型目標(biāo)物的實(shí)際狀態(tài)、形狀、尺寸等進(jìn)行選取，并設(shè)定好測(cè)試時(shí)狀態(tài)。

針對(duì)實(shí)際使用時(shí)系統(tǒng)與目標(biāo)物的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試方案設(shè)定，例如從車(chē)內(nèi)對(duì)室內(nèi)進(jìn)行探測(cè)；系統(tǒng)架設(shè)方式設(shè)定，在車(chē)內(nèi)的狀態(tài)，車(chē)子的狀態(tài)；室內(nèi)探測(cè)典型目標(biāo)物為紙巾盒，并對(duì)紙巾盒與車(chē)之間可能間隔玻璃，玻璃的厚度、尺寸、透過(guò)率；聲音源距離目標(biāo)物的距離，聲音源音量大小，環(huán)境噪聲等等進(jìn)行典型規(guī)定。

3.3 典型目標(biāo)物的選取及制表

編制測(cè)試試驗(yàn)表格，典型目標(biāo)物（如表1）記錄所示，進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，對(duì)方案的典型性進(jìn)行分析，確保目標(biāo)物為典型目標(biāo)物。

表1 典型目標(biāo)物列表

3.4 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)，對(duì)測(cè)試的不同目標(biāo)物的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，采用表所示試驗(yàn)記錄表格，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的詳細(xì)信息進(jìn)行測(cè)試記錄，方便試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析和規(guī)律總結(jié)。通過(guò)測(cè)試絕大多數(shù)的日常目標(biāo)常見(jiàn)物品都可以作為語(yǔ)音探測(cè)的目標(biāo)物，因此具有很好的適應(yīng)性。一款非接觸，人眼不可見(jiàn)，探測(cè)距離百米以上的激光語(yǔ)音探測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)集人眼不可見(jiàn)窄線寬激光器、高精密外差干涉測(cè)量系統(tǒng)、微弱光信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)、語(yǔ)音解調(diào)增強(qiáng)系統(tǒng)于一體。探測(cè)目標(biāo)能力強(qiáng)，可適用于家具、塑料、鋁材、部分玻璃等絕大部分材質(zhì)，整機(jī)語(yǔ)音響應(yīng)速度快，可方便應(yīng)用于車(chē)內(nèi)對(duì)車(chē)內(nèi)、車(chē)內(nèi)對(duì)室內(nèi)，室內(nèi)對(duì)室內(nèi)、室外對(duì)室內(nèi)等各種應(yīng)用場(chǎng)景?？赏ㄟ^(guò)近紅外成像攝像機(jī)配合完成對(duì)目標(biāo)人員周?chē)駝?dòng)介質(zhì)的精確定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的頻率、速度、加速度、振動(dòng)幅度等的捕獲功能。

結(jié)束語(yǔ)

隨著社會(huì)的發(fā)展，犯罪的多樣化、隱蔽化使傳統(tǒng)的證據(jù)搜集方式面臨挑戰(zhàn)，語(yǔ)言拾取技術(shù)的運(yùn)用作為一種新興方式有望使犯罪偵查在眾多挑戰(zhàn)面前實(shí)現(xiàn)新的突破。但由于激光語(yǔ)音拾取這一技術(shù)領(lǐng)域的特殊性，所有關(guān)鍵技術(shù)國(guó)外都處于嚴(yán)格保密狀態(tài)，而我國(guó)在這方面的裝備還比較落后，因此，激光拾音技術(shù)的研究不僅能夠填補(bǔ)我國(guó)在技術(shù)語(yǔ)音探測(cè)領(lǐng)域的空白，對(duì)提高拾音裝備現(xiàn)有水平，更重要的是它對(duì)維護(hù)國(guó)家安全、掌握國(guó)外經(jīng)濟(jì)、科技動(dòng)態(tài)有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。