基于激光干涉的语音内容解析装置研制

梁佩莹，叶嘉权*，王 瑶，曹 辉，王宇华

（1.佛山科学技术学院光信息工程系，广东佛山528000；2.暨南大学光电工程系，广东广州510632；3.佛山科学技术学院机电工程系，广东佛山528000）

基于激光干涉的语音内容解析装置研制

梁佩莹1，叶嘉权2*，王 瑶1，曹 辉1，王宇华3

（1.佛山科学技术学院光信息工程系，广东佛山528000；2.暨南大学光电工程系，广东广州510632；3.佛山科学技术学院机电工程系，广东佛山528000）

基于迈克尔逊干涉的原理，以氦氖激光器作为光源，结合光学透镜系统，设计出一种新型语音解析装置。装置的光路设计以迈克尔逊干涉仪为基础，激光束经分光镜作用后形成参考光和测量光，测量光经过焦距可调的光学透镜组聚焦到被监测区域的窗户玻璃上，室内的声音引起玻璃的振动，从而经玻璃反射回来的测量光携带室内的语音信息。参考光与测量光在光电传感器的光敏面上实现干涉，室内声音的变化将会引起干涉信号的变化。通过计算机程序对光电传感器输出信号进行采集，并还原出室内语音信息的内容。

语音内容解析；迈克尔逊干涉；光电传感器

在刑事案件的侦破过程中，当事人在案发现场的话语往往对案件的侦破起着至关重要的作用，而语音内容解析装置正好可以在此方面发挥其作用。目前，获取语音内容的装置有很多种，最初是在通讯线路上接上线圈进行语音内容的获取［1］，然后出现了大耳朵、鸟枪、微型话筒监听器、无线电波监听器等基于电子技术的语音内容解析装置［2］，这也是当今发展较为成熟的语音内容获取方式。但这些装置都存在一个弊端，就是只有把装置的接收端安放在语音源附近，才能实现语音内容的获取。

以激光作为传播介质，把语音内容反映在激光上，利用激光方向性好，传播速度快等优点，将语音内容信息快速准确地送到解析装置中，从而获取被监控区域的语音内容。与传统监听方式相比，该方法具有操作简单、隐蔽性强、抗干扰性强、测量速度快以及可实现远距离测量等优点［3］。

本文基于迈克尔逊干涉原理，以He-Ne激光器为光源，研制出一种基于激光干涉的语音内容解析装置，通过对经语音信号调制的激光进行采集，并在PC机上利用算法进行数据分析处理，从而解调出语音的内容。

1 语音内容解析装置的总体方案设计

本装置从迈克尔逊干涉原理出发，用激光去探测因声音引起的玻璃窗轻微振动，通过采集经玻璃窗反射回来的测量光的光信号，由光电传感器转换成电信号，再采集到PC机中，运用算法对语音信号进行分析处理，从而还原出语音内容，并结合参考光经光电传感器输出的电信号，使用差分电路对上述电信号和测量光经光电传感器输出的电信号进行相减，以达到抑制激光光噪声的影响。

整个装置系统包括光学探测器和PC机采集系统两部分。其中光学探测器又包括He-Ne激光器、光电传感器、光学透镜系统以及差分电路几大模块。图1为语音内容解析装置的总体示意情况。

图1 语音内容解析装置示意

2 语音内容解析装置系统设计

2.1 探测器光学传感部分的设计

装置系统中探测器的光学传感部分是以迈克尔逊干涉仪为基本结构框架设计而成的，其振动方向与测量光轴平行。其工作原理如下：探测器中的He-Ne激光器发出一束激光，经两个反射镜M1、M2反射后到达分光比为1∶1的分光镜M4。分光镜M4把激光一分为二，即由M4反射而形成的参考光以及折射而形成的测量光。反射光经过1∶9（R∶T）分光片M3反射后削弱90%，沿原光路返回透过1∶1分光片M4，到达OPT101光电传感器Q2的光敏面。透射光经过聚焦透镜光学系统后，从探测器输出孔输出，聚焦在玻璃窗面上，经玻璃窗反射后，语音内容被调制在透射光上，透射光携带声音信息，经M4反射后到达光电传感器Q2的光敏面上。参考光以及测量光在光电传感器Q2上产生干涉，用数据采集卡对Q2输出的电信号进行采集，在PC机上进行数据处理后还原出语音内容，其原理图如图2所示。

由于本装置对物体反射回来的光信号进行采集，其本质是对窗户玻璃的振动信号进行分析。因而所选窗户材料的声致振动特性将影响语音内容还原的效果。

根据理论分析，目标物的相干频率和声传播损耗会随着材料的不同而发生变化，导致目标物的振动幅度发生改变，所以在装置制作过程中需要注意反射材料的选取［4］。

此外，光源的选取也很重要，其参数将直接影响干涉的效果［5］。根据实验要求，本文选取氦氖激光器作为激光光源，采用自相干法，把发出的光分解成两列光波，让他们通过不同的光路后再使之相遇重叠，形成干涉。

图2 探测器光学传感部分原理

由不同的语音内容引起的玻璃窗面振动情况是不同的，从而光电传感器输出的电信号也会存在差异，从理论上分析窗面振动位移量与输出的电信号之间的关系如下。

若玻璃窗面的振动位移为x（t），与时间相关，则由其引起的光学电场产生的多普勒相移φ（t）与x（t）存在以下关系［6-7］

根据光电传感器的输出特性，其输出电压与入射光通量成正比，即正比于入射光强。t时刻的参考光与测量光的光学电场可分别表达为

其中，E为参考光光学电场的大小，E'为测量光光学电场的大小，f为激光的频率，φ1、φ2是初相位，φ（t）是玻璃窗面振动引起的相位变化。

测量光经M4反射回来最终与参考光在光电传感器Q2中产生干涉信号，所以传感器的输出含有相位调制的电流信号［8］。

而光电传感器的输出正比于两个光学电场总和的平方，其输出表达为

对式（4）进行三角变化，由于光电接收器的频响远跟不上极高的光频，导致光电传感器在输出中，光学拍频信号难以被观察出来。故输出表达式中保留差频项，去掉相关的和频项及二倍频项，整理后可以得到［9］

由式（5）可以看出，光电传感器的输出信号分为两部分，前半部分部分是正比于E21、E22之和的直流分量，后半部分是振幅正比于E1E2，相位中包含多普勒相位φ（t）的余弦信号，其中φ（t）由玻璃窗面振动位移x（t）决定。后面将对此电信号进行采集，并用算法程序对信号进行数据分析处理，进而还原出语音的内容。

2.2 探测器调焦光学透镜组部分的设计

为了适应不同距离声源的探测，在探测器中设计一组由光学透镜组成的调焦系统，它可以根据声源的实际位置来调节探测器的焦距，使激光准确地照射在模拟小屋的玻璃窗面上。透镜组设计原理如图3所示。

图3 探测器调焦光学透镜组原理

由图3可知，该透镜组由两块平凸镜和一块双凸镜组成。其中平凸镜2与双凸镜之间的距离d是可调的。各透镜的焦距和两镜距离d的可调范围可以根据不同的情况而选择不同的参数。根据实验室的实际情况，探测器调焦系统选择的透镜参数与距离d的参数如下：f1'=-0.1 cm，f1=1.5 cm，f2'=-15 cm，f2=15 cm，探测器总焦距可分别表达如下［10］

取两镜距离d范围为15～17 cm，由公式理论计算可知，当d取16.5 cm时，探测器右焦距f可达到10 m，调焦系统组合透镜组焦距f随距离d的变化曲线如图4所示。

图4 组合透镜组的焦距f随距离d的变化曲线

在实际的光传播过程中，激光器发射出的测量光容易受到外来光的干扰，所以在调焦系统后方加入一个小孔光阑进行空间低通滤波，滤掉高频成分，使测量光更加稳定，同时也防止外界光进入探测系统造成干扰。

2.3 探测器差分电路部分的设计

在本装置中，实质是利用光作为传播介质，对窗面的微弱振动进行探测，属于弱信号探测［11］。在实际的语音内容探测中，一些分贝较低的语音内容的频率信息容易淹没在噪声之中，这是因为激光器输出的激光功率不稳定，容易产生光噪声，这些噪声会叠加在光电传感器中。因此对传感器输出信号进行放大之前，须对噪声等杂质信号进行处理。对于工频干扰，通过采取屏蔽、滤波即可［12］。此外还需考虑直流误差带来的影响［13］。本装置在探测器中加入一个差分电路，把两个光电传感器输出的电信号相减，从而减少光噪声带来的影响，提高装置的性能。

由图2可知，光电传感器Q1检测到的成分包括激光的直流光强和光噪声，传感器Q2检测到的成分包括直流光强、多普勒相位余弦调制的光信号和光噪声。Q1输出的电信号U1、Q2输出的电信号U2分别为

其中，a、c均为由传感器输出后经前置放大的直流分量，b、d均为电压增益常数，φ（t）是语音内容引起玻璃窗面振动产生的多普勒相位，Δφ0是光程差引起的相位差，N（t）是激光的光噪声输出。当调节电压增益使得 b=d时，将式（9）减去式（8）可得

由式（10）可知，由激光光噪声引起的电压输出N（t）被消去，达到了抑制激光光噪声的影响。

光电传感器作输出的信号比较微弱，需对输出信号作放大处理，再经采集卡送到电脑进行数据处理。本文采用LM348运放芯片对输出的微弱电信号进行放大，通过改变反馈电阻的大小，从而实现电压增益调节。但在实际情况中很难保证两个光电传感器输出的电信号增益一致，放大电路会因此而产生自激振荡现象，从而导致相位不同。实验结果表明，如果出现相位不同的现象，差分电路就不能有效地抑制光噪声，从而大大降低了信噪比。因此，在放大电路之前一个一阶RC滤波电路，其高频截止频率f为

该高频截止频率既保留了振动信号中人耳敏感频率，又防止了因电压增益不同而产生自激振荡而导致的相位不同的现象，从而提高了差分电路的工作效率和系统的信噪比。

光电传感器是一种光电转换电子器件，其输出电信号的变化反映了入射光强的变化。其中，响应频率（即传感器的响应特性与入射光照波长的关系响应率）是光电传感器的关键性能参数［14］。本装置传感器选用由B-B公司研发的OPT101传感器，该传感器性能稳定，并且具有一定的信号放大作用，因此广泛应用于工控、仪表等行业［15］。其特性参数如表1所示。

表1 OPT光电传感器特性参数

根据上述原理，模拟房间内的声音信号变化会导致传感器输出电信号的变化，将输出信号接入示波器可观察输出波形，对信号进行初步分析，便于后续的算法处理［16］。

在不用差分电路进行信号处理的情况下，OPT101光电传感器（图2中Q2）采集到的信号如图6所示。由图6可以看出，由于光噪声等高频信号的影响，信号波形出现很多毛刺。经差分电路作用后，采集波形如图7所示，可观察到消除了光噪声的影响，波形变得平滑，系统的信噪比得以提高。

图6 OPT101采集到的信号

图7 经差分电路处理后的信号

3 小结

以迈克尔逊干涉作为基本框架，设计出本文基于激光干涉的语音内容解析装置。与传统的电子语音内容解析装置相比，该装置具有方向性好、精确度高等优点。若把氦氖激光换成红外激光，装置的隐蔽性就会大大提高，这将对刑事案件的侦破提供有力的帮助。

本装置采用增益可调的放大电路，并通过差分电路来降低光噪声对系统的影响；采用光阑进行空间低通滤波，提高系统的信噪比；采用焦距可调的光学透镜组，实现了不同距离的语音内容探测。经过实验测试表明，该装置具有性能稳定、可探测距离远、方向性好、声音还原度高以及成本较低等特点。

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The design of a michelson interference based device for voice analysis

LIANGPei-ying1,YE Jia-quan2,*WANGYao1,CAOHui1,WANGYu-hua2
（1.Department of Photoelectric Information and Engineering,Foshan University,Foshan 528000,China;2.Department of Optoelectronic Engineering,Jinan University,Guangzhou 510632,China;3.Department of Mechatronics Engineering,Foshan University,Foshan 528000,China）

Based on the principle of Michelson Interference,with He-Ne Laser device as the light source,combining with an optical system,a new voice analytical device is designed.The light path design is based on Michelson interferometer and after passing through the spectrometer,the laser will be divided into the reference light and the measurable light.The measurable light,after passingthrough an adjustable focal optical system,will be focused on the window which covers the target zone where interesting voice are generating.The voice inside this zone causes vibrating effect on the window which modulates the measurable light which will be reflected back tothe device side bythe window.Consequently,when the reference light and the reflected measurable light which carries interesting voice information mixed together by interference on the sensing surface of a photosensor which is a part of the device,the mixed light will be effected by the interesting voice as well.Measuring the mixed light by measuringthe output of the photosensor,the original voice fromthe target zone could be restored.

analysis of voice information;Michelson interference;photosensor

TN24

A

1008-0171（2017）05-0010-06

2015-10-27

国家自然科学基金资助项目（61275214）；2014年度国家级大学生创新训练资助项目（201411847017）；2014公益研究与能力建设专项资金资助项目（2015A010103017）

梁佩莹（1975-），女，广东佛山人，佛山科学技术学院讲师。

*通信作者：叶嘉权（1993-），男，广东佛山人，暨南大学硕士研究生。

【责任编辑：任小平 renxp90@163.com】