远距离激光相干语音信号侦测技术研究

doi:3F0BFA3B72A4EFE8B9BA2C271F373186

	远距离激光相干语音信号侦测技术研究
	吕韬
学位类型	博士
导师	郭劲
	2019-06-01
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
关键词	激光语音侦测激光相干多普勒测振粗糙表面散斑噪声语音降噪带宽扩展
摘要	与传统的语音侦测技术相比,激光语音侦测可在远距离、非接触的情况下侦测语音,具有隐蔽性强、操作便利等优点,因此被广泛应用于军事、安全、监控等领域。常见的激光语音侦测技术(例如光反射调制测量技术、散斑图像测量技术)存在环境适用性差、测量设备装调复杂等缺点,不能满足激光语音侦测的实际应用需求。激光相干多普勒测振技术具有作用距离远、精度高、非接触、空间分辨率高以及动态范围宽等优点,目前已经成为激光语音侦测领域的主要侦测手段。国外相关系统已实现300米的语音侦测,国内也开展了一系列相关研究,然而,与国外相比,无论是作用距离(相同激光功率下)抑或是获取语音的质量仍存在一定差距。国内要实现远距离、高质量语音侦测,无论是光路结构设计、测量目标的选择以及语音信号处理等方面都需要进行更深入的研究。因此,本文主要围绕上述三个方面,采用理论分析、数值仿真和实验研究相结合的方法,对远距离激光相干语音信号侦测技术进行了深入的研究。本文主要内容如下:(1)介绍了激光语音侦测技术在国内外的发展现状,分析并比较了目前常见的激光语音侦测方法的特点,提出了将激光相干多普勒测振技术应用于激光语音侦测系统中,回顾了激光相干多普勒测振技术的发展历程并介绍了国内外的研究现状,总结了国内发展激光相干语音侦测技术需要解决的技术难点,这为后续深入研究提供指导。(2)阐述了基于激光相干多普勒测振技术的语音信号侦测原理。通过理论计算给出了激光相干语音侦测系统的载噪比、探测分辨率和探测概率等评估系统性能指标的数学表达式。此外,通过理论推导和数值分析,研究了像差、激光器谱线展宽、探测方式以及发射光串扰等光学因素对激光相干语音侦测系统性能的影响。最后,在全光纤激光相干语音侦测系统光路结构基础上,针对光纤环形器隔离度不够的问题,设计并搭建了部分光纤光路,并根据理论研究结果,确定了系统的光学元器件。(3)激光相干语音侦测的本质是检测由声压引起的物体振动,因此被测物体选择的情况直接影响了侦测语音的质量。本文根据STL理论和SSC模型建立了不同材质及形状的平板在声场的振动模型模拟物体在声场的振动幅度,并通过实验验证了分析的准确性。在激光语音侦测过程中,声源附近的物体相较于光波长而言是粗糙的。因此,本文采用数值仿真与实验相结合的方法讨论了不同粗糙表面对激光相干语音侦测系统载噪比的影响。当粗糙面相对于语音侦测系统存在除光轴方向之外的运动时,会给语音侦测过程引入散斑噪声。本文根据散斑特性讨论了散斑噪声对侦测语音的影响,并进行了实验验证,此外,根据理论计算得出了散斑噪声的功率谱密度。以上研究内容可为侦测过程中选择合适的测量目标提供指导。(4)系统地介绍了几种常见的解调方法,针对激光侦听系统需要同时保证信号处理的精度与实时性的要求,采用了正交解调与反正切鉴相结合的解调算法重构语音信号。由于环境噪声、物体粗糙面等因素,重构语音会受到噪声的干扰,因此需要降噪处理。根据噪声在相干侦测语音中的表现形式可分为背景噪声和冲击噪声。针对背景噪声,本文采用最优对数谱估计算法(Optimal Log-Spectral,OM-LSA)与相位补偿相结合的方法降噪;针对冲击噪声,本文首先使用峰度值比较法(kurtosis ratio)确定噪声在语音中的位置,再使用线性预测法估计出被冲击噪声污染的语音数据。此外,由于被测物体对于声场的振动响应会导致相干侦测语音带宽较窄,因此本文使用基于半波整流的语音带宽扩展算法扩展相干侦测语音带宽。(5)开展了室内30m、70m、120m距离,振动测量目标为文件夹(塑料制)、饮料瓶(纸制)以及电脑显示屏的语音侦测实验,实验结果表明自研系统可有效获取远距离(至少120m)可理解语音信号。在充分证明自研侦测系统性能的基础上,分别进行了双模监控实验和远距离说话人识别实验,这两个实验结果分别表明了自研语音侦测系统在安防监控领域和生物识别领域应用的可行性和潜力。综上,本论文通过对远距离激光相干语音信号侦测关键技术的理论与实验研究,逐步解决了各项关键难点,为后续实现更远距离更高质量的语音侦测奠定基础。
页数	167
DOI	3F0BFA3B72A4EFE8B9BA2C271F373186
语种	中文
引用统计
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/63831
专题	中科院长春光机所知识产出
推荐引用方式 GB/T 7714	吕韬. 远距离激光相干语音信号侦测技术研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2019.

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