技术领域
[0001] 本
发明涉及激光拾音技术领域，特别涉及一种扫描式多通道相干激光拾音方法及装置。
背景技术
[0002] 音频监控已经成为广场、机场、车站、公园、会场等场所安防系统的重要组成部分，是应对群体突发事件例如监狱暴动、公共场所恐怖活动的重要手段。声音采集部分是音频
监控系统中的核心，主要是通过声音的震动来采集现场的声音。由于室外远距离拾音有强环境噪声干扰，传统的麦克
风集音器效果不佳，实施难度很大。
[0003] 激光拾音通过对目标发射
激光束，实时非
接触地检测由声压引起的目标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
电磁干扰性强、非接触式、探测距离远、安全隐密等优点，能有效弥补传统
电子拾音手段的不足，在国家安全、刑侦破案、军事情报等领域具有重要应用价值。
[0004] 根据探测体制划分，激光拾音大致可分为三种：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，但其探测的方式为“点对点”，只能在拾音目标静止状态获取较为精确地语音信息，当拾音目标进行移动时，其获取的语音
精度就大大的下降，不适合使用在广场、车站、监狱等安防场所。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于，提供一种扫描式多通道相干激光拾音方法及装置。本发明可以对移动中的拾音目标进行激光拾音，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。
[0006] 本发明的技术方案：扫描式多通道相干激光拾音方法，在目标区域内多个
位置设置合作目标，合作目标用于响应周围环境的语音振动；激光
光源的输出光束经分束器分为
本振光束和发射光束，再将发射光束定向发射至该位置区域内对拾音目标进行语音振动响应的合作目标，并接收该合作目标的回波光束，将回波光束和本振光束进行相干接收得到信号数据，再将信号数据传输至主控计算机，主控计算机通过语音信息解调，获得信号数据的语音信息。
[0007] 上述的扫描式多通道相干激光拾音方法，主控计算机进行语音信息解调，是先将信号数据进行校正，校正后再通过反正切鉴相，获得物体表面微弱振动位相，再经过解包裹
算法获得合作目标感应的语音信息。
[0008] 前述的扫描式多通道相干激光拾音方法，所述视频捕获和
跟踪拾音目标的位置是通过视频捕获器采集到的视频数据发送至处理器，处理器从接收到的视频数据分析出目标的
像素坐标，处理器根据像素坐标通过驱动
云台伺服机构使得视频捕获器对准移动拾音目标，同时激光
拾音器选取离拾音目标最近的合作目标进行语音接收。
[0009] 前述的扫描式多通道相干激光拾音方法，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：
[0010]
[0011] 其中RN(t)是回波光束
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，c是光速，φS是回波光束的噪声位相，φLO是本振光束的噪声位相； t是时间；ES_N是回波光束振幅； ELO_N是本振光束振幅；
[0012] 经过2×4 90°光学桥接器混频后的四路输出分别为：
[0013] 同相信号；
[0014] 正交信号；
[0015] 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；
[0016] 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：
[0017]
[0018] 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；
[0019] 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：
[0020]
[0021] 其中，φN_noise是噪声位相；
[0022] 最后经过解包裹算法重建输出光束的语音信号RN(t)。
[0023] 前述的扫描式多通道相干激光拾音方法，所述回波光束和本振光束进入2×2 180°光学桥接器进行正交相干接收，光场表示为：
[0024]
[0025] 其中RN(t)是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，fshift是本振光束的移频量，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； t是时间； ES_N是回波光束振幅；ELO_N是本振光束振幅；
[0026] 经过2×2 180°光学桥接器混频后的两路输出分别为：
[0027]
[0028] 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；
[0029] 两路输出由光电平衡探测器进行接收并输出，输出数据为：
[0030]
[0031] 其中k是光电平衡探测器响应率，φN_noise是噪声位相；
[0032] 所述光电平衡探测器的输出数据经过
模数转换器转换为数字，最后由
数据采集器的一个通道采集，同时数据采集器的另一个通道采集移频器的数字驱动信号，采集的数据输入
数据处理单元内处理：首先通过正交解调获得正交基带信号，表示为：
[0033]
[0034] 如果同相信号和正交信号的光电平衡探测器响应率保持一致，则通过反正切解相获得物体表面微弱振动位相：
[0035]
[0036] 其中，φN_noise是噪声位相；
[0037] 最后经过解包裹算法重建输出光束的语音信号RN(t)。
[0038] 前述的扫描式多通道相干激光拾音方法，所述回波光束的传输是通过将发射光束传输到光学环形器，再通过
光学望远镜传输至光束扫描器，由光束扫描器与合作目标对焦后形成发射光束的定向发射；所述的定向发射是通过将光束扫描器固定在扫描云台上，通过扫描云台自身的转动，然后再配合旋转双光楔来进行；所述光学望远镜接收合作目标的回波光束，最后经光学环形器传输至光学桥接器。
[0039] 实现如前述的扫描式多通道相干激光拾音方法的装置，包括激光光源，所述激光光源经分束器连接有光学环形器；
[0040] 所述光学环形器的输出端依次连接有光学望远镜和光束扫描器, 光束扫描器连接有设置在目标区域内各个位置上的无源器件；所述光学环形器和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模数转换器，模数转换器经数据采集器连接有主控计算机；所述主控计算机还与光束扫描器连接。
[0041] 实现如前述的扫描式多通道相干激光拾音方法的装置，包括激光光源，所述激光光源经分束器连接有光学环形器和移频器；
[0042] 所述光学环形器的输出端依次连接有光学望远镜和光束扫描器, 光束扫描器连接有设置在目标区域内各个位置上的无源器件；所述光学环形器和移频器一同连有光学桥接器，所述光学桥接器为2×2 180 °光学桥接器；所述光学桥接器经光电平衡探测器连接有模数转换器，模数转换器经数据采集器连接有主控计算机；所述数据采集器还与移频器的数字输出连接；所述主控计算机还与光束扫描器连接。
[0043] 前述的装置，所述激光光源和分束器之间还设有起偏器；所述分束器和光学环形器之间还设有激
光放大器。
[0044] 前述的装置，所述的合作目标为无源器件，包括一用于固定的基底层、一
中间层和一层防
水层；所述中间层的表面涂覆有高反射材料构成的低声阻振膜；所述的防水层为由PE材料构成的防水透声膜。
[0045] 与
现有技术相比，本发明通过在目标区域内各个位置上对应设置一个合作目标，通过视频捕获和跟踪拾音目标在目标区域内的位置，激光拾音器选取离拾音目标最近的合作目标进行语音接收；然后将激光光源的输出光束经分束器分为本振光束和发射光束，再将发射光束定向发射至该位置区域内对拾音目标进行语音振动响应的合作目标，并接收该合作目标的回波光束，将回波光束和本振光束进行相干接收得到信号数据，再将信号数据传输至主控计算机，主控计算机通过语音信息解调，获得信号数据的语音信息；由此本发明通过多个合作目标进行区域的
覆盖，使得发射光束可以在不同时间段内发射至多个合作目标，因而可以灵活地实现对移动中的拾音目标进行最优化的激光拾音，具有良好的空间选择性；在获取得到合作目标的回波光束时，通过将本振光束和回波光束的相干接收，由主控计算机通过语音信息解调，获得语音信息。本发明能够实现音视频同步监控，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，本发明还具有整体结构较简单，系统运行简便的特点，具有良好的应用前景。
附图说明
[0046] 图1是本发明的结构示意图；
[0047] 图2是本发明的光束扫描器结构示意图；
[0048] 图3是本发明的合作目标结构示意图；
[0050] 图5是本发明
实施例3中装置的结构示意图。
[0051] 附图中的标记为：1、激光光源；2、分束器；3、光学环形器；4、光学望远镜；5、光束扫描器；6、无源器件；7、光学桥接器；8、光电平衡探测器；9、模数转换器；10、数据采集器；11、主控计算机； 13、起偏器；14、激
光放大器；15、基底层；16、中间层；17、防水层；18、移频器。
具体实施方式
[0052] 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。
[0053] 实施例1：扫描式多通道相干激光拾音方法，在目标区域内各个位置上对应设置一个合作目标，通过视频捕获和跟踪拾音目标在目标区域内的位置，然后将激光光源的输出光束经分束器分为本振光束和发射光束，再将发射光束定向发射至该位置区域内对拾音目标进行语音振动响应的合作目标6，并接收该合作目标的回波光束，将回波光束和本振光束进行相干接收得到信号数据，再将信号数据传输至主控计算机，主控计算机通过语音信息解调，获得信号数据的语音信息。
[0054] 实施例2：扫描式多通道相干激光拾音方法的装置，如图1所示，包括激光光源1，所述的激光光源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和分束器2之间还设有起偏器13；光纤耦合输出光束首先经过起偏器13，确保偏振消光比大于25dB，并且偏振方向可以控制旋转；所述激光光源1经分束器2连接有光学环形器3；所述的分束器2为1×2光纤偏振分束器，激光光源的光束通过1×2光纤偏振分束器出射两路光的偏振态分别为水平偏振(P 光)和垂直偏振(S光)。通过调整起偏器13改变出射偏振方向，保证1×2光纤偏振分束器输出两路光强度为10:90，本发明将P光支路作为发射光束，S光支路作为本振光束；
[0055] 所述光学环形器3的输出端依次连接有光学望远镜4和光束扫描器5,所述分束器2和光学环形器3之间还设有激光放大器14，首先经过激光放大器14(掺铒光纤放大器)放大，进入光学环形器3，光学环形器3由激光
准直器、偏振分束器、法拉第旋光器和半波片组成，法拉第旋光器将水平偏振光的偏振态旋转45°，半波片的慢轴与入射偏振态成22.5°，能够将发射偏振光的偏振态旋转90°，而接收光偏振态均保持不变。水平偏振发射光经过法拉第旋光器和半波片，偏振态变为垂直偏振；所述主控计算机11与光束扫描器5连接，用于控制旋转双光楔扫描器的光束指向，并实现在不同合作目标之间的快速准确切换，以达到更改探测通道的目的。如图2所示，所述光束扫描器5为旋转双光楔光束扫描器，旋转双光楔结构由两个完全相同的圆形光楔组成，将它们平行放置，绕相同的轴独立旋转，出射光束的方位
角和两个光楔的转动角度都有关系，而
俯仰角只和两个光楔之间的夹角有关，和两个光楔的绝对位置没有关系，通过控制两个光楔的旋转角度就可以改变激光束发射方向，实现激光束的定向发射。所述光束扫描器5连接有设置在目标区域内各个位置上的合作目标6；所述的合作目标是无源器件，无源器件是一种在不需要外加电源的条件下，就可以显示其特性的电子元件，无源器件主要包括
电阻，电容，电感，转换器，渐变器，匹配网络，
谐振器，
滤波器，
混频器和
开关等，可以通过市售获得，是
微波视频中一种最为常规、最为普通的器件，如图3所示，所述的无源器件还可以是包括一用于固定的基底层 15、一中间层16和一层防水层17；所述中间层16的表面涂覆有高反射材料构成的低声阻振膜，具有很高的灵敏度；所述的防水层17 为由PE材料构成的防水透声膜，内部有非常均匀的亚微米、内互联的微孔结构，具有良好的透声性和防水性能，而且具有良好的红外激光透射性。如图4所示，在某一时刻，确定拾音目标后，通过视频捕获或跟踪拾音目标的位置，然后发射光束定向指向该位置区域内的对拾音目标语音振动响应的合作目标(无源器件)，光学望远镜4就和合作目标构成了唯一的探测通道，当拾音目标移动离开当前位置区域时，再次通过视频捕获拾音目标的最新位置，发射光束重新定向指向该最新位置区域内的对拾音目标语音振动响应的合作目标(无源器件)，在接收到合作目标的回波光束后经过偏振分束器，和本振光束输入2×4 90°光学桥接器和光电平衡探测器8实现正交相干接收，光电平衡探测器8的带宽100MHz，直流耦合；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：
[0056]
[0057] 其中RN(t)是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，c是光速，φS是回波光束的噪声位相，φLO是本振光束的噪声位相； t是时间；ES_N是回波光束振幅； ELO_N是本振光束振幅；
[0058] 经过2×4 90°光学桥接器混频后的四路输出分别为：
[0059] 同相信号；
[0060] 正交信号；
[0061] 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；
[0062] 所述光学桥接器7经光电平衡探测器8连接有模数转换器9，模数转换器9经数据采集器10连接有主控计算机11；光电平衡探测器 8输出同相和正交通道
模拟信号由双通道数据采集卡(数据采集器 10)采集，每个通道
采样率500MHz，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8接收，光电平衡探测器输出的同相信号和正交信号分别为：
[0063]
[0064] 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；
[0065] 最后数据输入主控计算机11，主控计算机经过平滑滤波和最小二乘法非线性校正后，如果同相信号和正交信号的光电探测器响应率保持一致，校正后的数据通过反正切鉴相，可以获得物体表面微弱振动位相：
[0066]
[0067] 其中，φN_noise是噪声位相；
[0068] 最后经过解包裹算法重建输出光束的语音信号RN(t)，最后语音信号与视频同步输出。
[0069] 实施例3：扫描式多通道相干激光拾音方法的装置，如图5所示，包括激光光源1，所述的激光光源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和分束器2之间还设有起偏器13；光纤耦合输出光束首先经过起偏器13，确保偏振消光比大于25dB，并且偏振方向可以控制旋转；所述激光光源1经分束器2连接有光学环形器3和移频器18；所述的分束器2为1×2光纤偏振分束器，激光光源的光束通过1×2光纤偏振分束器出射两路光的偏振态分别为水平偏振(P光)和垂直偏振(S光)。通过调整起偏器13改变出射偏振方向，保证1×2光纤偏振分束器输出两路光强度为10:90，本发明将P光支路作为发射光束，S光支路作为本振光束；
[0070] 所述光学环形器3的输出端依次连接有光学望远镜4和光束扫描器5,所述分束器2和光学环形器3之间还设有激光放大器14，首先经过激光放大器14(掺铒光纤放大器)放大，进入光学环形器3，光学环形器3由偏振分束器、法拉第旋光器和半波片组成，法拉第旋光器将水平偏振光的偏振态旋转45°，半波片的慢轴与入射偏振态成 22.5°，能够将发射偏振光的偏振态旋转90°，而接收光偏振态均保持不变。水平偏振发射光经过法拉第旋光器和半波片，偏振态变为垂直偏振；所述主控计算机11与光束扫描器5连接，用于控制旋转双光楔扫描器的光束指向，并实现在不同合作目标之间的快速准确切换，以达到更改探测通道的目的。如图2所示，所述光束扫描器5 为旋转双光楔光束扫描器，旋转双光楔结构由两个完全相同的圆形光楔组成，将它们平行放置，绕相同的轴独立旋转，出射光束的方位角和两个光楔的转动角度都有关系，而俯仰角只和两个光楔之间的夹角有关，和两个光楔的绝对位置没有关系，通过控制两个光楔的旋转角度就可以改变激光束发射方向，实现激光束的定向发射。所述光束扫描器5连接有设置在目标区域内各个位置上的合作目标6；包括一用于固定的基底层15、一中间层16和一层防水层17；所述中间层16 的表面涂覆有高反射材料构成的低声阻振膜，具有很高的灵敏度；所述的防水层17为由PE材料构成的防水透声膜，内部有非常均匀的亚微米、内互联的微孔结构，具有良好的透声性和防水性能，而且具有良好的红外激光透射性。如图4所示，在某一时刻，确定拾音目标后，通过视频捕获或跟踪拾音目标的位置，然后发射光束定向指向该位置区域内的对拾音目标语音振动响应的合作目标(无源器件)，光学望远镜4就和合作目标构成了唯一的探测通道，当拾音目标移动离开当前位置区域时，再次通过视频捕获拾音目标的最新位置，发射光束重新定向指向该最新位置区域内的对拾音目标语音振动响应的合作目标(无源器件)，在接收到合作目标的回波光束后经过偏振分束器，和本振光束输入2×2 180°光学桥接器和光电平衡探测器8实现正交相干接收，光电平衡探测器8的带宽100MHz，直流耦合；所述本振光束先通过移频器18进行移频，然后和所述回波光束进入2×2 180 °光学桥接器进行正交相干接收，光场表示为：
[0071]
[0072] 其中RN(t)是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，fshift是本振光束的移频量，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； t是时间； ES_N是回波光束振幅；ELO_N是本振光束振幅；
[0073] 经过2×2 180°光学桥接器混频后的两路输出分别为：
[0074]
[0075] 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；
[0076] 信号；
[0077] 所述光学桥接器7经光电平衡探测器8连接有模数转换器9，模数转换器9经数据采集器10连接有主控计算机11；光电平衡探测器8输出同相和正交通道模拟信号由双通道数据采集卡(数据采集器 10)采集，每个通道采样率500MHz，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8接收，光电平衡探测器输出的同相信号和正交信号分别为：
[0078]
[0079] 其中k是光电平衡探测器响应率，φN_noise是噪声位相；
[0080] 所述光电平衡探测器的输出数据经过模数转换器转换为数字，最后由数据采集器的一个通道采集，同时数据采集器的另一个通道采集移频器18的数字驱动信号，采集的数据输入主控计算机11：
[0081] 首先通过正交解调获得正交基带信号，表示为：
[0082]
[0083] 如果同相信号和正交信号的光电平衡探测器响应率保持一致，则通过反正切解相获得物体表面微弱振动位相：
[0084]
[0085] 其中，φN_noise是噪声位相；
[0086] 经过解包裹算法重建输出光束的语音信号RN(t)；
[0087] 最后语音信号与视频同步输出。
