据中国激光杂志社网，于2024年04月23日报道，提到激光，我们往往会想到科幻电影中的那些酷炫场景，比如镭射剑、激光枪，但其实激光在现实中也是一项非常酷的技术，在**、医学、显示、材料加工等多领域都有着广泛的应用，但它的“魔法”不止于此，激光在科研人员的手中已经有了一张新的名片——“超级传声员”，其在远距离语音探测领域有着十分优异的表现。
远距离语音信号探测在入侵检测、公共场所异常情况检测以及水声环境监测等监控领域有着广泛的应用和重要的战略意义。目前，远距离语音探测方法主要包括抛物面麦克风、枪式麦克风、从视频中重构语音信号、多普勒微波雷达、激光远距离语音探测技术等。其中，抛物面麦克风声信号易受探测路径上噪声的干扰；视频中重构语音信号易受到环境光干扰且探测距离受限于目前的图像采集技术；而多普勒微波雷达和激光远距离语音探测方法不易受到探测路径上的噪声影响，并且激光探测方法已被证明可以实现数百米至公里级距离的语音探测。
天津大学芮小博副研究员、中国科学院伍洲研究员联合团队，基于激光远距离测振系统、探测信号的分析处理方法两方面，综述了激光远距离语音探测技术的研究进展，介绍了干涉式和非干涉式两种不同的激光远距离测振系统，分析了影响探测语音信号质量的因素，并对激光远距离语音探测技术的未来发展进行了展望。相关内容发表在《激光与光电子学进展》第5期。
1 激光玩转远距离语音探测：揭秘探测系统结构
一束纤细的激光光束穿越空气优雅舞动，悄无声息地探寻着远处的声音，这场充满未来感的科技“魔术”背后的原理却是严禁深奥而充满魅力的。今天，让我们一起揭开这项神奇技术的面纱，探索其奇妙的结构和原理。
激光远距离语音探测的原理如图1(a)所示，激光远距离语音探测系统由激光测振系统与非合作测振目标组成，根据回光的探测方式可将探测系统分为非干涉式与干涉式，其原理图分别为图1(b)和(c)。
1.1 非干涉式探测系统
非干涉式探测是一位性格十分直率的朋友，通过激光照射目标表面，借助倾斜运动对反射光方位的调制导致接收端光强或散斑图像发生的变化来直接测量目标表面微振动，进而“直来直往”的实现远距离声信号的探测。非干涉系统根据接收端光电探测器的结构可分为单点式和阵列式。单点式结构的核心是“重构声信号”，即通过测量回光方位变化导致的探测器探测光强的变化来测量物体表面振动。单点式结构具有成本低、结构简单、采样率较高且可实时根据探测器光电流的反馈重构声信号等优势，但实际情况下的激光散斑效应会破坏振动与探测器探测光强之间的线性关系，因此制约了单点式非干涉式探测系统的应用。阵列式结构通过散斑图像处理算法重构目标物表面振动，使得测振系统对粗糙表面具有较强的适应性，具有更高的精度和灵敏度。
1.2 干涉式探测系统
不同于非干涉式探测的直率，干涉式探测多了一份婉转的韵味，其原理为通过激光照射目标物表面，目标物表面沿光轴方向的位移给回光引入了相位/频率的变化，使用干涉技术方法测量频移/相移实现远距离微振动测量。目前较为前沿的干涉式探测技术根据原理可分为基于激光多普勒测振技术和基于激光自混合干涉方法的远距离声信号探测两种。
激光多普勒测振方法基于激光的多普勒效应，通过测量目标物表面振动导致的测量激光的多普勒频移来探测声音信号，其测量原理如图2（a）所示。激光多普勒测振技术作为一种较成熟非接触振动测量技术，应用于声学器件性能检测、事件检测、地雷定位、结构健康监测、声场重建等领域，如图2（b）所示为激光多普勒测振仪在车用电机异音检测领域的应用场景。
近年来，我国的科研人员在LDV赛道的研究也取得了显著的成果，例如：2017年中国科学院长春光机所搭建了全光纤LDV，可实现远距离的语音信号检测，并提出一种基于峰度比和线性预测的去噪方法，有效地消除了散斑噪声，改善了语音信号的质量；2017-2020年中科院空天院陆续研制了可实现数百米目标物表面微弱振动信号检测的双移频固定式激光外差干涉测量系统，以及可实现对探测微振动信号增强的多光束混合外差干涉微振动测量方法，可实现观测最大达146倍的增强效果。这些研究在远距离语音信号探测领域都具有一定的应用前景，中国“LDV力量”也在不断增强！随着激光多普勒测振技术的不断发展和创新，相信其会在远距离侦听方面发挥更加重要的作用，为安全监控、情报收集、语音识别等领域带来新的突破和进展。
激光自混合干涉技术通过让远距离目标的一部分反射光重新进入激光谐振腔中引起对激光场幅度与频率的调制来测量目标的位移、速度、振动和距离，其优势在于测振系统体积小、灵敏度高且可使用较低功率激光器进行远距离声音信号探测，用于远距离语音信号探测的移频式激光自混合测量系统如图3所示。
作为一种用途丰富且高效的技术手段，激光“魔法”玩转远距离语音可不仅仅在探测领域，在反探测领域同样有出色的表现和广泛的应用——激光侦听反制技术。这项技术能在室内、办公楼及其他玻璃幕墙场所实现百米级别的窃听反制，仅单台设备就可对窗户面积15平米的会议室形成有效保护，此外还具有10秒内完成扫描定位的快速响应速度、识别率90%以上的高定位精度以及可长时间稳定工作的高可靠性等优势。激光侦听反制技术可在重点行业办公室等场景为用户的声信息安全提供有力保障。
2 信号噪声的解码之旅：激光远距离语音探测信号分析处理
在科技的奇妙舞台上，激光远距离语音探测像一曲美妙的交响乐，然而这个交响乐也有着自己的“杂音”——信号噪声。就像一场音乐会中不期而遇的吵闹观众，噪声在激光语音探测中时常捣乱。激光远距离语音信号探测的噪声按照来源可大致分为激光测振仪器自身引入的噪声、测振目标物附近其他声源引入的噪声以及环境扰动产生的噪声等。远距离语音探测最终需要得到能被人类听觉或机器识别的语音信号，而来自外界环境与探测系统的诸多混合噪声会降低获取的语音信号的可听性与可懂度，并且这些噪声的频带分布与语音信号的主要频带分布(约300~3000 Hz)部分重合，不能简单通过传统滤波器滤除，需要进一步对探测语音信号进行处理，目前科研人员主要针对非平稳的宽带噪声和冲击噪声开展去噪研究。
宽带背景噪声的处理一般通过短时谱估计法、子空间法等各类基于信号处理的噪声抑制算法，以及传统机器学习方法、深度学习方法等语音增强技术，将纯净语音信号从背景噪声中分离出来。近年来，我国科研人员也提出许多语音信号增强方法。
冲击噪声是LDV探测系统探测光照射到探测目标物上的位置受到扰动时动态散斑效应可能引入的散斑噪声，目前主要通过检测信号出现高能量尖峰的位置，并用预测值替代的方式来实现该类噪声的去除。
3 总结与展望
激光远距离语音探测具有在侦听、多模监控、入侵检测、搜救、激光麦克风等众多领域的应用前景，可以预见，激光远距离语音探测未来的研究趋势将主要立足于①提高系统的测量性能，如灵敏度和信噪比，对探测系统的探测方式、组件、结构等进行优化；②增强信号处理算法的适应性，使激光语音探测技术能适应不同的测量距离、环境条件以及测振目标物等；③更合理的选择测振目标，以及对具有不同频响特性的目标物上测得的语音信号进行高频补偿等方面；④改良系统结构，通过小型化、便携化以及探测过程智能化等手段进一步优化探测系统。
