遠距離語音拾取系統的可行性研究

盧 偉 步萬崗

（1、山東警察學院，山東 濟南 250014 2、聊城市看守所，山東 聊城 252000）

隨著科學技術的發展，互聯網、DNA 檢測、大數據、人臉識別等技術的聯合助力下，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。為了適應新的犯罪形勢，偵查機關需要采取更為有利的偵查手段來獲取證據。技術偵查作為秘密的專門技術手段，通過電子偵聽、電話監聽、電子監控、秘密拍照等秘密手段對危害國家安全的犯罪、恐怖活動犯罪、組織領導參加黑社會性質的組織犯罪、重大毒品犯罪這類的危害性大且隱蔽性高的案件證據的搜集與固定具有十分重要的作用。語音拾取作為技術偵查的一種重要偵查方式以其較強的適應性、非接觸性、非可視性等特點一直以來備受偵查機關的青睞。但因其設備較為昂貴、使用人員技術要求較高等問題，該種偵查方式一直并未在偵查過程中發揮出其應有的作用。本文通過對激光多普勒測振儀的研究試圖找到語音拾取技術應用的新突破。

1 材料和方法

當今社會，信息傳遞最直接、最有效、最可信的方式仍然是語言。誠然，電子通信技術的發展使電子數據在信息傳遞中發揮了重要作用，但其只能作為語言的載體仍不能替代。對相關對象的語音拾取一直是偵查部門非常關注的話題，在某些特定的環境下，例如禁止記錄和電子傳遞的場合，時常更換談話地點，沒有固定交接地點的情況下，如果沒有特工或臥底打入其內部，遠距離語音拾取將成為唯一的情報信息來源。語音拾取手段有多種，電子拾音是使用較為普遍的手段。一種非接觸的、不留任何痕跡的語音拾取技術——激光多普勒干涉語音探測技術受到各方的重視。

1.1 多普勒激光外差干涉語音探測設備的技術研發

多普勒激光外差干涉語音探測設備針對公共安全、軍事偵查、反恐等方面的重大需求，可有效解決由于事發地點不確定性，不能將拾音傳感器頭預埋在事發地，以及正反射激光語音探測難對準等諸多問題。漫反射多普勒激光外差干涉語音探測系統是一種非接觸，對準方便，易操作的拾音系統。

激光媒介語音探測技術主要以激光作為載波，通過調制解調技術，將語音引起的振動信號解調出來，再還原出語音信號。其技術優勢主要特點如下：

1.1.1 非接觸性，可以在被拾音對象幾十米甚至上百米之外進行有效拾音；

1.1.2 隱秘性，如果用不可見光作輻照源，被拾音對象用常規手段根本無法覺察；

1.1.3 不留痕跡，從上述分析可知，激光設備撤走后不會留下任何痕跡；

1.1.4 抗干擾性強，光以其高頻特性，在特定的電磁環境下仍可以正常工作。

1.2 技術實現原理

多普勒效應（Doppler effect）是為紀念奧地利物理學家及數學家克里斯琴·約翰·多普勒（Christian Johann Doppler）而命名的。多普勒于1842 年提出了該理論，物體輻射的波長因為光源和觀測者的相對運動的變化而產生變化。在運動的波源前面[1]，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高，可見光范圍內，顏色會向光譜紫色端偏移，也被稱為藍移（blue shift）。在運動的波源后面，產生相反的效應。波長變得較長，頻率變得較低[2]，可見光范圍內，顏色會向光譜紅色端偏移，也被稱為紅移（red shift）。波源的速度越高，所產生的效應越大。根據光波紅/藍移的程度，可以計算出波源循著觀測方向運動的速度。恒星光譜線的位移顯示恒星循著觀測方向運動的速度。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。所有波動現象（包括光波）都存在多普勒效應。

1.2.1 激光多普勒測振儀基本原理

由于光波的頻率在1014Hz，目前還沒有這么高速的探測器能直接測出光波頻率的變化。而且現實中的物體移動速度相對光速很小，因此產生的頻率變化不會超過在109Hz（按3 倍音速計算，通常的聲音振動也就104Hz），即只有光波頻率的十萬分之一，很難直接探測。所以必須采用相干方式。

激光測振儀的實際上就是一臺高精密激光干涉儀和一臺信號處理器（如圖1 所示）。干涉儀通過收集被測物體表面反射回的微弱激光，經與參考光干涉產生頻移信號，信號處理器將頻移信號轉換為速度和位移信號。

圖1 激光多普勒測振儀基本原理

通過干涉作用，使到達探測器的信號形成了一個以光波頻率為載波的調幅信號，這個調幅信號的變化頻率就是物體運動引起的光波多普勒頻率。這個是個低頻信號，常規探測器響應速度都可探測到。以下是相干后得到的光強公式：

IR和IM為參考光強和探測信號光強，R 目標為反射率，K 為干涉系數，fD為多普勒頻移。

可以看出：以上基本原理實際上和電子上的FM檢測原理是相同，多普勒效應對光波頻率進行調制，然后和本振-參考光進行混頻干涉，將頻率調制轉換成幅度調制，然后再進行濾波放大檢測。

雖然采用基本的原理可以實現振動探測，但由上述公式也亦看出，在沒有振動時，即fD為0 時，也會有一個直流光強信號，如果激光電源不穩定，激光自身光強就會存在浮動，這會影響信號探測器，另外，探測器自身的非線性噪聲也會影響信號。更好的方式是采用外差法探測。

1.2.2 外差法激光多普勒測振原理

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

圖2 外差法激光多普勒測振原理

外差原理如圖2。激光頻率為fo，經分束鏡分成兩束，一束為探測光束，一束為參考光束，在探測光中加入（Bragg Cell）布拉格聲光調制器，使探測光頻率變為fo+fb，fb即為40Mhz 左右的。探測到目標后，頻率受到調制，變為fo+fb+fd，fd即為多普勒調頻，帶有振動信息。再與參考光fo混頻干涉后，探測器得到的光強為：

由上述公式可以看出：即使沒有振動，即fd=0，此光強信號仍然是一個頻率為fb的交流信號，因此可利用交流放大電路進行放大，只要使fb的頻率遠離弱激光電源波動頻率和探測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點，因此我們所設計的振動測量光學系統采用的就是外差振動測量光學系統。

目前實現外差干涉振動測量主要有三種方法：采用磁光調制移頻法的雙頻激光器作為測量光源的雙頻激光測量系統；利用半導體激光線性調頻實現的外差干涉測量系統；利用光學頻移器件實現光學外差產生的干涉測量系統。聲光器件又稱聲光調制器或布拉格盒[3](Bragg cell)，聲光調制是一種外調制技術，其主要作用是控制激光束強度的變化。與其他方法進行的外差光學系統相比，利用聲光調制器來構成外差振動測量光路的頻移器的方法具有以下優點：在振動測量的光學結構中提取測量的參考信號，從而消除了光束漂移對測量精度的影響。頻移范圍廣，聲光調制器的范圍可達107-108Hz，可以使測量速度大大提高。與雙頻測量系統相比，它不存在混頻帶來的誤差，更容易實現納米量級的振動測量。

可以看出：以上基本原理實際上和電子上的FM 檢測原理是相同，多普勒效應對光波頻率進行調制，然后和本振-參考光進行混頻干涉，將頻率調制轉換成幅度調制，然后再進行濾波放大檢測。

聲音可以引起周圍目標的微小振動，在生活中周圍絕大多數目標，例如水杯、家具、壁掛物、臺歷、紙巾盒、燈罩，飲水機等都可以被聲音引起微弱振動，被聲音引起的振動頻率與語音頻率相同，利用激光進行振動頻率的探測、提取、解調，可以得到引起其振動的語音頻率、幅度，即激光語音探測。

2 多普勒激光外差干涉語音探測設備的設計實現

總體工作原理框（如圖3 所示）。

圖3 總體工作原理圖

該系統主要由近紅外窄線寬線偏振激光光源、精密外差干涉光路、微弱信號探測解調系統等三個子系統組成。該系統以近紅外人眼安全不可見的窄線寬線偏振半導體激光器發出的光作為載波，以水瓶、煙盒、家具、廣告牌、車體等目標物為媒介；當目標物附近有人說話的時候，說話聲會引起目標物的微弱同頻率共振，這種振動會使照射到目標物上的激光產生多普勒頻移，通過同軸發射接收光學天線接收到這種反射的回波信號，并與參考光進行外差干涉[4]，再經過光電器件探測該外差干涉信號（如圖4 所示），然后通過正交解調和語音增強等信號處理過程還原出語音信號，并通過揚聲器輸出，從而實現遠距離的非接觸激光偵聽語音探測。

圖4 多普勒激光語音探測示意圖

探測解調主要完成光電信號轉換及語音信號的解調輸出功能，該子系統由光電探測、跨阻放大、帶通濾波、混頻、AD 轉換、正交解調等電路模塊組成，系統擬采用的電路整體方案（如圖5 所示）。

圖5 電路原理框圖

由于返回到探測器的光線很弱，產生的光電流也很小，為nA 量級，并且信噪比很小，直接測量非常困難。我們采用微弱信號的小波分析方法和信號的自相關技術對有用信號進行提取。通過信號處理器將頻移信號轉換為速度和位移信號[5]，最終轉變為音頻信號。

由于返回的測量光很微弱，為nW 量級，光電探測器的轉換效率為0.9A/W，產生的光電流也很小，為nA量級，并且信噪比很小，必須采用高靈敏度的光電探測系統。

外差干涉測量時，光電探測器會產生一個交流信號，因此項目組利用交流放大電路對微弱信號進行放大，只要使信號頻率遠離弱激光電源波動頻率和探測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，并且通過以下關鍵技術措施降低了系統本身噪聲，提高系統光電探測靈敏度：選用跨阻前置交流放大器電路，盡可能地保持原始信號的頻譜特性，防止信號畸變，防止直流的輸入造成運算放大器的飽和。

根據電路對噪聲的要求選用合適器件，而且使器件工作在額定狀態（如電壓、電流、頻率等最好在正常合適范圍內），盡量減少噪聲。對電路合理布局。做好屏蔽，減少外界干擾。低噪聲放大器采用獨立電源，不和別的電路合用電源，特別不和數字脈沖電路合用電源。經過上述處理后的信號依然具有噪聲干擾，完全依靠模擬電路是無法濾除的。將含有噪聲的信號進行AD 轉換后變為數字信號，依靠數字信號處理的方法進行信號的提取和識別，包括對信號的數字濾波、解調等，最終可獲得清晰的語音信號。

3 結果與討論

3.1 典型目標物的適應能力實驗

測試如下內容：

（1）測試不低于40 種典型目標物；

（2）測試驗證目標物的振動響應特征曲線；

（3）針對不同目標物的振動特性進行分析；

（4）研究不同類型目標物對語音信號的失真特點。

3.2 典型應用環境設定

對實際使用環境進行分類，室內、室外、車內等典型應用環境的可能存在的典型目標物進行備選。制定測試目標物明細表，對典型目標物的實際狀態、形狀、尺寸等進行選取，并設定好測試時狀態。

針對實際使用時系統與目標物的狀態進行測試方案設定，例如從車內對室內進行探測；系統架設方式設定，在車內的狀態，車子的狀態；室內探測典型目標物為紙巾盒，并對紙巾盒與車之間可能間隔玻璃，玻璃的厚度、尺寸、透過率；聲音源距離目標物的距離，聲音源音量大小，環境噪聲等等進行典型規定。

3.3 典型目標物的選取及制表

編制測試試驗表格，典型目標物（如表1）記錄所示，進行測試試驗，對方案的典型性進行分析，確保目標物為典型目標物。

表1 典型目標物列表

3.4 實驗總結

通過驗證試驗，對測試的不同目標物的試驗數據進行記錄，采用表所示試驗記錄表格，對試驗過程的詳細信息進行測試記錄，方便試驗數據的對比分析和規律總結。通過測試絕大多數的日常目標常見物品都可以作為語音探測的目標物，因此具有很好的適應性。一款非接觸，人眼不可見，探測距離百米以上的激光語音探測系統，該系統集人眼不可見窄線寬激光器、高精密外差干涉測量系統、微弱光信號探測系統、語音解調增強系統于一體。探測目標能力強，可適用于家具、塑料、鋁材、部分玻璃等絕大部分材質，整機語音響應速度快，可方便應用于車內對車內、車內對室內，室內對室內、室外對室內等各種應用場景。可通過近紅外成像攝像機配合完成對目標人員周圍振動介質的精確定位，實現對目標的頻率、速度、加速度、振動幅度等的捕獲功能。

結束語

隨著社會的發展，犯罪的多樣化、隱蔽化使傳統的證據搜集方式面臨挑戰，語言拾取技術的運用作為一種新興方式有望使犯罪偵查在眾多挑戰面前實現新的突破。但由于激光語音拾取這一技術領域的特殊性，所有關鍵技術國外都處于嚴格保密狀態，而我國在這方面的裝備還比較落后，因此，激光拾音技術的研究不僅能夠填補我國在技術語音探測領域的空白，對提高拾音裝備現有水平，更重要的是它對維護國家安全、掌握國外經濟、科技動態有著十分重要的現實意義。