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CN111128217B - 分布式多通道相干激光雷达语音侦听方法及装置 - Google Patents

分布式多通道相干激光雷达语音侦听方法及装置 Download PDF

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CN111128217B CN201911408497.XA CN201911408497A CN111128217B CN 111128217 B CN111128217 B CN 111128217B CN 201911408497 A CN201911408497 A CN 201911408497A CN 111128217 B CN111128217 B CN 111128217B
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Abstract

本发明公开了一种分布式多通道相干激光雷达语音侦听方法及装置，雷达平台中激光光源的光束经1×N分束器分为N个输出光束，其中N≧2；对每个输出光束通过移频器进行移频，再经1×2分束器分为本振光束和发射光束；将发射光束通过波束控制定向发射至目标处形成阵列拓扑结构，并接收目标的回波光束，将N个回波光束和对应的本振光束进行相干接收得到N个信号数据，再将N个信号数据传输至数字信号处理系统，数据处理系统通过语音信息的解调和增强，获得高清晰的语音信息。本发明通过多个输出光束组成阵列拓扑结构能够灵活地获得多个声源信息，具有良好的空间选择性，而且还具有抗噪声干扰能力强、侦听距离远、精度高、语音清晰的特点。

Description

分布式多通道相干激光雷达语音侦听方法及装置
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，特别涉及一种分布式多通道相干激光雷达语音侦听方法及装置。
背景技术
激光语音侦听雷达通过对目标及周围发射激光束，实时非接触地检测由由声压引起的物体表面纳米量级微弱振动信号，并对信号进行解调，获取物体微振动信息，从而实现远距离无源语音信号的获取，具有高灵敏度、抗干扰性强、非接触式、探测距离远、安全隐密等优点，能有效弥补传统电子侦听手段的不足，在国家安全、刑侦破案、军事情报等领域具有重要应用价值。
目前，根据探测体制划分，激光语音侦听雷达大致可分为三种：正反射式激光强度检测法、散斑图像检测法和相干激光检测法。正反射式激光强度检测法操作复杂，目标种类单一，探测灵敏度低，抗环境干扰能力弱，这使其在语音信息获取上不能发挥很好的作用；散斑图像检测法利用散斑干涉的强度变化来获取语音信息，该方法虽然操作简单、灵敏度高，但发射激光功率大、会对人体造成一定的伤害，抗环境干扰能力弱；相干激光检测法包括零差和外差体制，具有灵敏度高、测量范围高、实时响应快、目标物种类多、操作简单等优点，成为目前的主要技术手段。
尽管相干激光语音侦听雷达能够实现高灵敏度地语音侦听，但在获取语音的同时,大气干扰噪声、环境噪声和散斑噪声会严重降低接收语音信号信噪比，房间混响以及其它说话人的话音干扰，噪声、混响和干扰的存在也会使语音通信的质量下降，严重影响语音可懂度，造成系统的性能急剧恶化。降低激光侦听信号中的噪声己经成为当前激光侦听技术面临的一个迫切问题。吕韬等人(在先技术之一，参见吕韬，张合勇，郭劲，晏春回，远距离语音的激光相干获取及增强，光学精密工程，2017，25卷，3期，569-575)采用全光纤激光相干外差测振系统，并结合基于维纳滤波的语音增强算法提高信噪比，但是这种算法需要先在频域进行噪声判断然后进行滤波降噪，在接收信噪比较低情况下效果很差，很难应用于实时的高精度语音获取。Rui Li等人(在先技术之二，参见Rui Li,Nicholas Madampoulos,Zhigang Zhu,and Liangping Xie,Performance comparison of an all-fiber-basedlaser Doppler vibrometer for remote acoustical signal detection using shortand long coherence length lasers,Applied Optics,2012,Vol.51,No.21,5011-5018)提出采用可调谐光学延迟线补偿的方法抑制外差探测过程中的噪声，但是这种方法对于远距离探测并不适用。Shi-song Wu等人(在先技术之三，参见Shi-song Wu,Tao Lv,Xi-yuHan,Chun-hui Yan,He-yong Zhang,Remote audio signals detection using apartial-fi ber laser Doppler vibrometer,Applied Acoustics,2018,130,216–221)提出采用自由空间-光纤混合的方案抑制光纤环形器引入的串扰噪声，但是信号光的耦合效率会下降，而且增加了系统复杂性。
综上所述，现有的语音增强技术虽然能在一定程度上提高带噪语音的质量，但由于这些技术均基于单通道探测，在接收信号中噪声直接叠加在语音信号上，因此随着环境噪声的增强，其性能不可避免地下降，特别在强噪声环境下，现有的语音增强技术仍很难取得好的效果，造成现有语音侦听激光雷达探测精度低，抗噪声干扰能力差，语音不清晰，使得应用前景严重受限。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种分布式多通道相干激光雷达语音侦听方法及装置。本发明通过多个输出光束组成阵列拓扑结构能够灵活地获得多个声源信息，具有良好的空间选择性，而且还具有抗噪声干扰能力强、侦听距离远、精度高、语音清晰的特点；此外，本发明可以滤波处理掉不同输出光束之间的串扰信号，有效提高单个输出光束的语音探测精度。
本发明的技术方案：分布式多通道相干激光雷达语音侦听方法，其特征在于：雷达平台中激光光源的光束经1×N分束器分为N个输出光束，其中N≧2；对每个输出光束通过移频器进行移频，再经1×2分束器分为本振光束和发射光束；将发射光束定向发射至目标处形成阵列拓扑结构，并接收目标的回波光束，将N个回波光束和对应的本振光束进行相干接收得到N个信号数据，再将N个信号数据传输至数字信号处理系统，数据处理系统通过语音信息的解调和语音增强，获得高清晰的语音信息。
上述的分布式多通道相干激光雷达语音侦听方法，所述回波光束的传输是通过将发射光束传输光学环形器，再通过光学望远镜和光束定向器发射至目标，并由光学望远镜接收目标的回波光束，最后经光学环形器传输至光学桥接器。
前述的分布式多通道相干激光雷达语音侦听方法，所述回波光束和本振光束进入2×4 90°光学桥接器进行正交相干接收，光场表示为：
Figure GDA0003659802690000041
其中RN(t)是第N个回波光束感知的由声压引起的物体表面微弱振动幅值，f0是激光载频，fN是第N个输出光束的移频量，c是光速，φS是发射光束的噪声位相，φLO是本振光束的噪声位相；
Figure GDA0003659802690000042
t是时间；ES_N是回波光束振幅；ELO_N是本振光束振幅；
经过2×4 90°光学桥接器混频后的四路输出分别为：
Figure GDA0003659802690000043
同相信号；
Figure GDA0003659802690000044
正交信号；
其中φN_noise是噪声位相；IS是和回波光束有关的直流量；I0是和本振光束有关的直流量；
光学桥接器输出的具有正交特性的同相信号和正交信号分别被光电平衡探测器接收，光电平衡探测器输出的同相信号和正交信号分别为：
Figure GDA0003659802690000051
其中kin是同相信号的光电平衡探测器响应率，kqu是正交信号的光电平衡探测器响应率；
如果同相信号和正交信号的光电探测器响应率保持一致，则通过反正切解相可以获得物体表面微弱振动位相：
Figure GDA0003659802690000052
其中，φN_noise是第N个输出光束的噪声位相；
最后经过解包裹算法重建第N个输出光束的语音信号RN(t)。
前述的分布式多通道相干激光雷达语音侦听方法，将第N个回波光束和对应的本振光束进行相干接收，得到第N个信号数据，第N个信号数据内含有其他回波光束与第N个回波光束对应的本振光束相干接收产生的串扰信号，串扰信号表示为：
Figure GDA0003659802690000053
ES_M表示为其他回波光束振幅，ELO_N表示为第N个回波光束对应的本振光束振幅；
相干接收产生的串扰信号的数据中包含频率为|fN-fM|项，通过低通滤波对其进行滤波处理，消除串扰信号，提高单个输出光束的语音探测精度。
前述的分布式多通道相干激光雷达语音侦听方法，所述的阵列拓扑结构包括一维线性、二维面阵与三维立体阵；所述的一维线性包括等距阵列、嵌套线性阵以及非等距阵列；所述的二维面阵包括均匀和非均匀圆形阵、方阵；所述的阵列拓扑结构运用空间采样定理以抑制空间混叠，采用阵列探测语音增强算法实现降噪。
实现如前述的分布式多通道相干激光雷达语音侦听方法的装置，包括激光光源，所述激光光源经1×N分束器连接有多个移频器，每个移频器依次连接有1×2分束器和光学环形器；
所述光学环形器的输出端依次连接有光学望远镜和光束定向器；所述光学环形器和1×2分束器一同连有光学桥接器，所述光学桥接器为2×4 90°光学桥接器；所述光学桥接器经光电平衡探测器连接有滤波器，多个滤波器一同连接有模数转换器，模数转换器经数字信号处理系统连接有主控计算机；所述主控计算机还与光束定向器连接。
前述的装置，所述激光光源和1×N分束器之间还设有起偏器和激光放大器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用分布式多输出光束的定向发射，在目标处形成阵列拓扑结构，通过移频器对每个输出光束进行移频，然后再通过将本振光束和回波光束的相干接收，灵活地获得多个声源信息，再通过语音信息的解调和语音增强，获得高清晰的语音信息；此外，本发明还通过滤波处理，可以有效抑制不同输出光束串扰引入的噪音问题，从而再进一步地提高语音清晰度。
2、本发明采用阵列探测语音增强算法可有效抑制噪声，通过空间采样定理以抑制空间混叠，因此本发明具有良好的空间选择性，而且还具有抗噪声干扰能力强、侦听距离远、精度高、语音清晰的特点。
3、本发明通过光学环形器、光学望远镜和光束定向器实现了收发同轴，通过光束定向器在不转动雷达的情况下将发射激光定向发射到待测目标，而且无外设速度/加速度测量装置，从而有利于集成小型化，降低了系统的复杂性；本发明基于2×4 90°光学桥接器的相干接收技术不仅能够抑制镜频干扰，还能降低了生产成本。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
附图中的标记为：1、激光光源；2、1×N分束器；3、移频器；4、1×2分束器；5、光学环形器；6、光学望远镜；7、光束定向器；8、光学桥接器；9、光电平衡探测器；10、滤波器；11、模数转换器；12、数字信号处理系统；13、主控计算机；14、起偏器；15、激光放大器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1：分布式多通道相干激光雷达语音侦听方法，雷达平台中激光光源的光束经1×4分束器分为4个输出光束；对每个输出光束通过移频器进行移频，再经1×2分束器分为本振光束和发射光束；将发射光束定向发射至目标处形成阵列拓扑结构，并接收目标的回波光束，将4个回波光束和对应的本振光束进行相干接收得到4个信号数据，再将4个信号数据传输至数字信号处理系统，数据处理系统通过语音信息的解调，获得语音信息。
实施例2：分布式多通道相干激光雷达语音侦听方法的装置，如图1所示，包括激光光源1，激光光源1采用人眼安全的1550nm单模窄线宽连续光纤激光器，激光器线宽10kHz，输出功率为20mW，光纤输出有隔离保护，所述激光光源1和1×4分束器2之间还设有起偏器14和激光放大器15，激光光源1的光束经过起偏器14，确保偏振消光比大于25dB，经过激光放大器放大至600mW，所述激光光源1经1×4分束器2连接有多个移频器3，通过1×4分束器出射4道输出光束，考虑到插损，每道输出光束功率约100mW，每道输出光束经过移频器3进行移频，移频量分别为48MHz、49MHz、50MHz和51MHz；每个移频器3依次连接有1×2分束器4和光学环形器5；所述光学环形器5的输出端依次连接有光学望远镜6和光束定向器7；输出光束经过1×2分束器4输出两路光，强度为1:99，小部分能量作为本振信号，大部分能量作为发射信号，经过光学环形器5，再通过光学望远镜6和光束定向器7(旋转双光楔扫描器)发射至目标，发射光口径为20mm，距离100米处的光斑直径约20mm，光斑阵列的拓扑结构为等距线阵，光斑间距10mm。
所述光学环形器5和1×2分束器4一同连有光学桥接器8，所述光学桥接器8为2×490°光学桥接器；所述回波光束和本振光束进入2×4 90°光学桥接器进行正交相干接收，光场表示为：
Figure GDA0003659802690000091
其中RN(t)是第N个回波光束感知的由声压引起的物体表面微弱振动
幅值，f0是激光载频，fN是第N个输出光束的移频量，c是光速，φS是发射光束的噪声位相，φLO是本振光束的噪声位相；
Figure GDA0003659802690000092
t是时间；ES_N是回波光束振幅；ELO_N是本振光束振幅；
经过2×4 90°光学桥接器混频后的四路输出分别为：
Figure GDA0003659802690000093
同相信号；
Figure GDA0003659802690000094
正交信号；
其中φN_noise是混频噪声位相；IS是和回波光束有关的直流量；I0是和本振光束有关的直流量；
光学桥接器8输出的具有正交特性的同相信号和正交信号分别被光电平衡探测器9接收，带宽100MHz，直流耦合，光电平衡探测器9输出的同相信号和正交信号分别为：
Figure GDA0003659802690000101
其中kin是同相信号的光电平衡探测器响应率，kqu是正交信号的光电平衡探测器响应率；
将第N个回波光束和对应的本振光束进行相干接收，得到第N个信号数据，第N个信号数据内含有其他回波光束与第N个回波光束对应的本振光束相干接收产生的串扰信号，串扰信号表示为：
Figure GDA0003659802690000102
ES_M表示为其他回波光束振幅，ELO_N表示为第N个回波光束对应的本振光束振幅；
相干接收产生的串扰信号的数据中包含频率为|fN-fM|项，通过滤波器10对其进行滤波处理，滤除1MHz以上的信号，用于消除串扰信号，提高单个输出光束的语音探测精度。
使用4通道14位100KHz的模数转换器11实现对4个光电平衡探测器9输出的目标信号同步数据采集，然后采用数字信号处理系统12(DSP)对获得的4个采样数据进行处理，如果同相信号和正交信号的光电探测器9响应率保持一致，则通过反正切解相可以获得物体表面微弱振动位相：
Figure GDA0003659802690000111
其中，φN_noise是第N个输出信号的噪声位相。
经过解包裹算法重建第N个输出光束的语音信号RN(t)，由此实时获取4个通道的语音信息，与此同时，数字信号处理系统12连接有主控计算机13；所述主控计算机13还与光束定向器7连接，主控计算机13用于控制和获取阵列拓扑结构的信息，最后结合等距线阵拓扑结构和语音信号，通过阵列探测语音增强算法处理实现降噪，提高语音精度。
综上所述，本发明采用分布式多输出光束的定向发射，在目标处形成阵列拓扑结构，然后在通过将本振光束和回波光束的相干接收，灵活地获得多个声源信息，由数据处理系统通过对语音信息的解调和语音增强，获得语音信息，本发明通过移频器对每个输出光束进行移频，再通过滤波可以有效抑制不同通道间串扰引入的噪音问题，从而提高了语音清晰度。因此本发明具有良好的空间选择性，而且还具有抗噪声干扰能力强、侦听距离远、精度高、语音清晰的特点。

Claims (6)

1.分布式多通道相干激光雷达语音侦听方法，其特征在于：雷达平台中激光光源的光束经1×N分束器分为N个输出光束，其中N≧2；对每个输出光束通过移频器进行移频，再经1×2分束器分为本振光束和发射光束；将发射光束定向发射至目标处形成阵列拓扑结构，并接收目标的回波光束，将N个回波光束和对应的本振光束进行相干接收得到N个信号数据，再将N个信号数据传输至数字信号处理系统，数据处理系统通过语音信息的解调和语音增强，获得高清晰的语音信息；
所述回波光束和本振光束进入2×4 90°光学桥接器进行正交相干接收，光场表示为：
Figure FDA0003659802680000011
其中RN(t)是第N个回波光束感知的由声压引起的物体表面微弱振动幅值，f0是激光载频，fN是第N个输出光束的移频量，c是光速，φS是发射光束的噪声位相，φLO是本振光束的噪声位相；
Figure FDA0003659802680000012
t是时间；ES_N是回波光束振幅；ELO_N是本振光束振幅；
经过2×4 90°光学桥接器混频后的四路输出分别为：
Figure FDA0003659802680000021
同相信号；
Figure FDA0003659802680000022
正交信号；
其中φN_noise是噪声位相；Is是和回波光束有关的直流量；Io是和本振光束有关的直流量；
光学桥接器输出的具有正交特性的同相信号和正交信号分别被光电平衡探测器接收，光电平衡探测器输出的同相信号和正交信号分别为：
Figure FDA0003659802680000023
其中kin是同相信号的光电平衡探测器响应率，kqu是正交信号的光电平衡探测器响应率；
如果同相信号和正交信号的光电探测器响应率保持一致，则通过反正切解相可以获得物体表面微弱振动位相：
Figure FDA0003659802680000024
其中，φN_noise是第N个输出光束的噪声位相；
最后经过解包裹算法重建第N个输出光束的语音信号RN(t)。
2.根据权利要求1所述的分布式多通道相干激光雷达语音侦听方法，其特征在于：所述回波光束的传输是通过将发射光束传输光学环形器，再通过光学望远镜和光束定向器发射至目标，并由光学望远镜接收目标的回波光束，最后经光学环形器传输至光学桥接器。
3.根据权利要求1所述的分布式多通道相干激光雷达语音侦听方法，其特征在于：将第N个回波光束和对应的本振光束进行相干接收，得到第N个信号数据，第N个信号数据内含有其他回波光束与第N个回波光束对应的本振光束相干接收产生的串扰信号，串扰信号表示为：
Figure FDA0003659802680000031
ES_M表示为其他回波光束振幅，ELO_N表示为第N个回波光束对应的本振光束振幅；
相干接收产生的串扰信号的数据中包含频率为|fN-fM|项，通过低通滤波对其进行滤波处理，消除串扰信号，提高单个输出光束的语音探测精度。
4.根据权利要求1所述的分布式多通道相干激光雷达语音侦听方法，其特征在于：所述的阵列拓扑结构包括一维线性、二维面阵与三维立体阵；所述的一维线性包括等距阵列、嵌套线性阵以及非等距阵列；所述的二维面阵包括均匀和非均匀圆形阵、方阵；所述的阵列拓扑结构运用空间采样定理以抑制空间混叠，采用阵列探测语音增强算法实现降噪。
5.实现如权利要求1-4任一项所述的分布式多通道相干激光雷达语音侦听方法的装置，其特征在于：包括激光光源(1)，所述激光光源(1)经1×N分束器(2)连接有多个移频器(3)，每个移频器(3)依次连接有1×2分束器(4)和光学环形器(5)；
所述光学环形器(5)的输出端依次连接有光学望远镜(6)和光束定向器(7)；所述光学环形器(5)和1×2分束器(4)一同连有光学桥接器(8)，所述光学桥接器(8)为2×4 90°光学桥接器；所述光学桥接器(8)经光电平衡探测器(9)连接有滤波器(10)，多个滤波器(10)一同连接有模数转换器(11)，模数转换器(11)经数字信号处理系统(12)连接有主控计算机(13)；所述主控计算机(13)还与光束定向器(7)连接。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述激光光源(1)和1×N分束器(2)之间还设有起偏器(14)和激光放大器(15)。
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