CN111045028B - 运动多普勒频移补偿的语音相干激光雷达侦听方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种运动多普勒频移补偿的语音相干激光雷达侦听方法及装置，雷达平台中激光光源输出光束后经偏振分束器分为本振光束和发射光束；将发射光束发射至目标，并接收目标的回波光束，将回波光束和本振光束进行相干接收后传输至数据处理单元，数据处理单元计算获得雷达平台与目标相对运动产生的多普勒频移，数据处理单元根据多普勒频移信息将控制指令反馈至移频器，在移频器中对本振光束的移频量进行调节，实现运动状态下多普勒频移实时补偿；经过补偿后采集的新数据再通过位相解调和解包裹算法，实时获得语音信息。本发明可以对语音进行侦听，不仅侦听距离远、精度高、语音清晰，而且整体系统小型化，算法简单，运行容易。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，特别涉及一种运动多普勒频移补偿的语音相干激光雷达侦听方法及装置。
背景技术
语音是信息传递的一种不可替代的方式，语音侦听是获取情报的重要来源。但是近年来国内外恐怖犯罪事件已呈现出防侦听手段不断完善、防侦听设备不断丰富和不断更新的新特点。为了防备谈话被监听和信息泄露，一些恐怖组织在交谈诸如恐怖预谋、实施计划等内容时，一方面严密组织人员加强外围警戒，使安全人员无法接近侦听；另一方面不同程度地利用电磁干扰、电磁欺骗、电磁压制等手段，阻碍无线电侦听装备的侦听信道，造成传统侦听方式难度进一步加大。激光侦听系统通过对目标及周围发射激光束，实时非接触地检测由声压引起的物体表面纳米量级微弱振动，并对信号进行解调，获取物体微振动信息，从而实现远距离语音信号的获取，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，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，激光侦听大致可分为三种：正反射式激光强度检测法、散斑图像检测法和多普勒相干激光检测法。其中，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；多普勒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。
尽管多普勒相干激光检测法能够实现远距离语音侦听，目标与雷达间的相对运动仍然会严重降低接收语音信号信噪比，严重影响可懂度。目标与雷达间的相对运动可以由人体运动或其他环境因素造成，一方面会引入散斑噪声，散斑强度起伏会使接收信号产生尖峰噪声和突发噪声；另一方面会引入时变多普勒频移，叠加在接收语音信号的频带内形成噪声，甚至将信号完全淹没。麻省理工学院的Jiang等人在发射孔径位置加装了加速度计来测量沿视线方向的平台速度变化，然后在信号处理中把平台速度项减掉(在先技术之一，参见F L.A. Jiang,M.A.Albota,et al.,“Laser vibrometry from a moving groundvehicle,”Applied Optics,Vol.50,No.15,pp. 2263-2273,2011.)。由于平台运动与光纤寄生耦合的存在，他们还采用了参考通道来消除共模振动干扰。但是这种方法只能消除雷达平台运动引入的多普勒噪声，对于目标本身的运动是无法解决的，而且系统非常复杂，实现困难。中科院长春光机所的吕韬等人搭建了用于获取远距离语音信号的部分光纤激光相干检测系统，并采用算法克服雷达平台与目标相对运动引入的散斑噪声，能够提高接收语音信号的信噪比和可懂度，但是很难应用于实时的高精度语音获取(在先技术之二，参见Tao Lv,Xiyu Han et al.,“The effect of speckles noise on the Laser DopplerVibrometry for remote speech detection,”Optics Communications,Vol.440,pp.117-125, 2019.)。美国海军研究实验室的Victor C.Chen将由雷达目标或其构件的微振荡运动产生的回波频谱展宽和频率边带生成归纳为微多普勒效应，并采用联合时频域分析提取目标的微多普勒特征，获取目标的电磁特性、几何结构和运动特征，但整体结构复杂，系统施行难度大(在先技术之三，参见Victor C.Chen,“The Micro-Doppler Effect in Radar,”Artech House,2011)。
综上所述，现有语音侦听激光雷达不能有效和准确地获取雷达平台与目标相对运动所产生的多普勒频移，因此不能从根源上解决由于多普勒频移引发的噪声，从而造成语音探测精度低、噪音大、语音不清晰的问题，并且在先语音侦听激光雷达的整体系统复杂、运行难度大，使得应用前景受限。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种运动多普勒频移补偿的语音相干激光雷达侦听方法及装置。本发明可以对远距离语音进行侦听，能够有效和准确的获取多普勒频移，并依据获取得到的多普勒频移对移频量进行精准调节，实时消除雷达平台与目标相对引入的运动多普勒频移噪声，从而具有优越的语音精度和清晰度，而且整体系统小型化，运行容易，具有良好的发展前景。
本发明的技术方案：运动多普勒频移补偿的语音相干激光雷达侦听方法，雷达平台中激光光源输出光束后经偏振分束器分为本振光束和发射光束；将发射光束发射至目标，并接收目标的回波光束，将回波光束和本振光束进行相干接收后得到信号数据，再将信号数据传输至数据处理单元，数据处理单元利用傅里叶变换获取信号数据的多普勒频谱，然后互谱处理后取其虚部，再利用重心法提取多普勒频谱中峰值的位置和正负，得到雷达平台和目标相对运动引入的多普勒频移；数据处理单元根据多普勒频移信息将控制指令反馈至移频器，在移频器中对本振光束的移频量进行调节，实现运动状态下多普勒频移实时补偿；经过补偿后系统采集的新数据再通过语音信息的解调，实时获得语音信息。
上述的运动多普勒频移补偿的语音相干激光雷达侦听方法，将发射光束发射至目标，并接收目标的回波光束，具体地是，发射光束先传输至激光放大器放大，然后耦合进入光学环形器，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。
前述的运动多普勒频移补偿的语音相干激光雷达侦听方法，将回波光束和本振光束进行相干接收后得到信号数据，具体过程是，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：
其中R(t)是声压引起的物体表面微弱振动幅值，f0是激光载频， fDoppler是雷达平台与目标相对运动引起的多普勒频移，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是回波光束振幅；ELO是本振光束振幅；
经过光学桥接器混频后的四路输出分别为：
其中φN是混频噪声位相；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：
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，
和
分别是同相信号和正交信号的噪声位相。
前述的运动多普勒频移补偿的语音相干激光雷达侦听方法，光电平衡探测器输出的同相信号和正交信号经模数转换后进入数据采集器采集，采集的同相信号和正交信号数据输入数据处理单元，进行多普勒频移获取；
首先，同相信号和正交信号分别进行快速傅里叶变换，同相信号傅里叶变换表示为：
正交信号傅里叶变换表示为：
经过傅里叶变换后，频谱信息里面仅包含目标多普勒信息，由于目标表面的振动，在信号频域产生了以目标整体运动多普勒频率为中心的频率展宽；
同相信号和正交信号快速傅里叶变换后进行互谱处理：
最后仅取虚部得到
Img＝δ2(f-fDoppler)-δ2(f+fDoppler)；
通过重心法提取多普勒频谱中峰值的位置和正负，得到雷达平台与目标相对运动引入的多普勒频移fDoppler。
前述的运动多普勒频移补偿的语音相干激光雷达侦听方法，多普勒频移大小与雷达平台与目标相对运动的径向速度成正比，表示为
多普勒频移正负与相对运动径向速度的方向有关，正频移代表雷达平台与目标相向运动，负频移代表雷达平台与目标相背运动；
在获得了雷达平台与目标相对运动引入的多普勒频移后，数据处理单元根据多普勒频移信息将控制指令反馈至移频器，在移频器中对本振光束的移频量进行控制，由于雷达平台与目标相对运动速度变化是缓变的，只要反馈控制速度远大于相对运动速度变化，就可以有效消除多普勒频移，同相信号的噪声位相
和正交信号的噪声位相
是相同的，令
与
的数值等于
即
经过补偿后采集的新数据表示为：
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：
最后经过解包裹算法重建语音信号。
实现如前述的运动多普勒频移补偿的语音相干激光雷达侦听方法的装置，包括激光光源，所述激光光源经偏振分束器连接有移频器和光学环形器；
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；所述光学环形器和移频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数据处理单元；所述数据处理单元还分别与光束定向器和移频器连接；所述激光光源和偏振分束器之间还设有起偏器；所述偏振分束器和光学环形器之间还设有激光放大器。
运动多普勒频移补偿的语音相干激光雷达侦听方法，雷达平台中激光光源输出光束后经偏振分束器分为本振光束和发射光束；将发射光束发射至目标，并接收目标的回波光束，将回波光束和本振光束进行相干接收后得到信号数据，再将信号数据传输至数据处理单元，数据处理单元利用傅里叶变换获取信号数据的多普勒频谱，利用重心法提取多普勒频谱中峰值的位置，然后与移频量相对比，得到雷达平台与目标相对运动引入的多普勒频移的大小和正负；数据处理单元根据多普勒频移信息将控制指令反馈至移频器，在移频器中对本振光束的移频量进行调节，实现运动状态下多普勒频移实时补偿；经过补偿后系统采集的新数据再通过语音信息的解调，实时获得语音信息。
前述的运动多普勒频移补偿的语音相干激光雷达侦听方法，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：
其中R(t)是声压引起的物体表面微弱振动幅值，f0是激光载频，fshift是移频量，fDoppler是雷达平台与目标相对运动引起的多普勒频移，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是回波光束振幅；ELO是本振光束振幅；
经过光学桥接器混频后的两路输出分别为：
其中φN是混频噪声位相；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；
两路输出由光电平衡探测器进行接收并输出，输出为：
其中k是光电平衡探测器响应率，
是噪声位相。
前述的运动多普勒频移补偿的语音相干激光雷达侦听方法，所述光电平衡探测器的输出数据经过模数转换器转换，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射频驱动信号，采集的数据输入数据处理单元内处理；
首先对采集的数据进行快速傅里叶变换，表示为：
通过重心法提取多普勒频谱中峰值的位置，与移频量fshift相对比，就得到雷达平台与目标相对运动引入的多普勒频移fDoppler的大小和正负：多普勒频移大小与雷达平台与目标相对运动的径向速度成正比，表示为
多普勒频移正负与相对运动径向速度的方向有关，正频移代表雷达平台与目标相向运动，负频移代表雷达平台与目标相背运动；通过反馈至移频器后对移频量进行控制，实现运动多普勒频移实时补偿；
经过补偿后采集的新数据表示为：
经过补偿后采集的新数据先通过正交解调、再进行低通滤波处理后获得正交基带信号，表示为：
通过反正切解相获得物体表面微弱振动位相：
最后经过解包裹算法重建语音信号。
实现如前述的运动多普勒频移补偿的语音相干激光雷达侦听方法的装置，包括激光光源，所述激光光源经偏振分束器连接有移频器和光学环形器；
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数据处理单元；所述数据采集器还与移频器连接；所述数据处理单元分别与光束定向器和移频器连接，所述激光光源和偏振分束器之间还设有起偏器；所述偏振分束器和光学环形器之间还设有激光放大器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过将本振光束和回波光束经相干接收后得到信号数据，将信号数据传输至数据处理单元，数据处理单元利用傅里叶变换获取信号数据的多普勒频谱，然后互谱处理后取其虚部，再利用重心法提取多普勒频谱中峰值的位置和正负，得到雷达平台和目标相对运动引入的的多普勒频移；由此本发明可以实时准确而又有效的获取多普勒频移，再根据多普勒频移控制移频器对本振光束的移频量进行精准调节，可以有效实现多普勒频移的实时补偿，通过负反馈控制移频量，解决了由目标与雷达平台的相对运动多普勒频移所造成噪音问题，从而获得运动多普勒频移实时补偿后的语音信息。因此本发明具有很高的探测灵敏度，可以对远距离的语音进行侦听，语音精度高，稳定性高。此外本发明采用语音增强算法可有效抑制噪声提高语音质量，增强语音的清晰度，而且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。
2、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°光学桥接器的相干零差探测技术不仅能够抑制镜频，同时获得目标径向速度的大小和方向，还能通过互谱处理有效抑制零频附近的噪声，尤其是零频附近的 1/f噪声，提高系统的信噪比，系统A/D采样率可以降低一半，而且在本振光束进入光学桥接器之前省去了移频量对比计算的步骤，在后续通过正交处理获得精确的多普勒频移，再返回控制移频器的移频量，因此本发明在提高系统运行效率的同时，又能实现移频量的精确调节，从而大大的降低了系统的运行成本。此外，本发明基于2×2 180°光学桥接器的相干外差探测技术同样能够同时获得目标径向速度的大小和方向，且能够通过移频有效克服零频附近电子噪声的影响，具有结构简单，算法简单的特点。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明实施例2的结构示意图。
附图中的标记为：101、激光光源；102、起偏器；103、偏振分束器；104、移频器；105、激光放大器；106、光学环形器；107、光学望远镜；108、光束定向器；109、光学桥接器；110、光电平衡探测器；111、模数转换器；112、数据采集器；113、数据处理单元。
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：运动多普勒频移补偿的语音相干激光雷达侦听装置，如图1所示，雷达平台中激光光源101输出光束后经偏振分束器103 分为本振光束和发射光束；所述激光光源101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101和偏振分束器103之间还设有起偏器102，用于提高输出光束的偏振度，确保偏振消光比大于25dB，并且偏振方向可以控制旋转，本振光束和发射光束的光强度之比为10:90。所述激光光源101经偏振分束器103连接有移频器104和光学环形器106；所述偏振分束器103和光学环形器106之间还设有激光放大器105，用于激光放大。
所述光学环形器106的输出端依次连接有光学望远镜107和光束定向器108；所述光学环形器106和移频器104一同连有光学桥接器 109，光学桥接器109经光电平衡探测器110连接有模数转换器111，模数转换器111经数据采集器112连接有数据处理单元113；所述数据处理单元113还分别与光束定向器108和移频器104连接。
将发射光束发射至目标，并接收目标的回波光束；具体过程是，发射光束先传输至激光放大器105放大，然后耦合进入光学环形器 106，再通过光学望远镜107和光束定向器108发射至目标，并由光学望远镜107接收目标的回波光束，最后经光学环形器106传输至光学桥接器109。光学环形器106由偏振分束棱镜、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。将回波光束和本振光束进行相干接收后得到信号数据，具体过程是，目标的回波光束经过偏振分束棱镜和本振光束传输至光学桥接器109进行相干接收，根据相干接收方式的不同，相干零差多普勒激光探测所使用的光学桥接器109是2×4 90°光学桥接器，光场表示为：
其中R(t)是声压引起的物体表面微弱振动幅值，f0是激光载频， fDoppler是雷达平台与目标相对运动引起的多普勒频移，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是回波光束振幅；ELO是本振光束振幅；
经过光学桥接器109混频后的四路输出分别为：
其中φN是混频噪声位相；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109输出的具有正交特性的同相信号和正交信号被光电平衡探测器110接收，每个通道采样率500MHz，同相信号和正交信号输出分别为：
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，
和
分别是同相信号和正交信号的噪声位相。
所述光电平衡探测器输出的同相信号和正交信号模拟数据经模数转换器111转换后由数据采集器112采集，采集的同相信号和正交信号数据输入数据处理单元113，进行多普勒频移获取、多普勒频移补偿和语音信息解调；
首先，同相信号和正交信号分别进行快速傅里叶变换，同相信号傅里叶变换表示为：
正交信号傅里叶变换表示为：
经过傅里叶变换后，频谱信息里面仅包含目标多普勒信息，由于目标表面的微小振动，在信号频域产生了以目标整体运动多普勒频率为中心的频率展宽；
同相信号和正交信号快速傅里叶变换后进行互谱处理：
上式中Q*(f)的*代表共轭运算符，最后仅取虚部得到
Img＝δ2(f-fDoppler)-δ2(f+fDoppler)；
在经过平滑滤波和最小二乘法非线性校正后，通过重心法提取多普勒频谱中峰值的位置和正负，得到雷达平台与目标相对运动引入的多普勒频移fDoppler：多普勒频移大小与雷达平台与目标相对运动的径向速度成正比，表示为
多普勒频移正负与相对运动径向速度的方向有关，正频移代表雷达平台与目标相向运动，负频移代表雷达平台与目标相背运动。
在获得了雷达平台与目标相对运动引入的多普勒频移后，数据处理单元113根据多普勒频移信息将控制指令反馈至移频器104，在移频器104中对本振光束的移频量进行控制，本振光束中垂直偏振连续激光经过基于差分声光移频的移频器，移频器104是常规部件，一般由正移频声光移频器、负移频声光移频器以及双通道射频控制器组成，正移频声光移频器移频频移+100MHz，负移频声光移频器频移 -100MHz，双通道射频控制器由数据处理单元111控制，每个移频器的调谐范围±10％，因此差分调谐补偿范围是-20MHz～+20MHz，对应相对速度范围约-15.5米/秒～+15.5米/秒。通过测得的多普勒频移，高速负反馈控制移频量，反馈速度达到1kHz，实时补偿雷达平台与目标相对运动径向速度引入的多普勒频移。
由于雷达平台与目标相对运动速度变化是缓变的，只要反馈控制速度远大于相对运动速度变化，就可以有效消除多普勒频移的影响，同相信号的噪声位相
和正交信号的噪声位相
是相同的，令
与
的数值等于
即
经过补偿后采集的新数据表示为：
如果同相信号和正交信号的光电平衡探测器110响应率保持一致，则通过反正切解相获得物体表面振动位相：
最后经过解包裹算法(由于三角函数的周期性,用反正切函数得到的相位是一个把待测相位包裹在[-π,π]内,呈现锯齿状分布的“包裹”相位。“包裹”相位不能反映待测相位的变化规律,为了获得正确的相位分布,必须对“包裹”相位进行解包裹处理)重建语音信号。
实施例2：运动多普勒频移补偿的语音相干激光雷达侦听装置，如图2所示，雷达平台中激光光源101输出光束后经偏振分束器103 分为本振光束和发射光束；所述激光光源101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101和偏振分束器103之间还设有起偏器102，用于提高输出光束的偏振度，确保偏振消光比大于 25dB，并且偏振方向可以控制旋转，本振光束和发射光束的光强度之比为10:90。所述激光光源101经偏振分束器103连接有移频器104 和光学环形器106；所述偏振分束器103和光学环形器106之间还设有激光放大器105，用于激光放大。
所述光学环形器106的输出端依次连接有光学望远镜107和光束定向器108；所述光学环形器106和移频器104一同连接有光学桥接器109，光学桥接器109经光电平衡探测器110连接有模数转换器111，模数转换器111经数据采集器112连接有数据处理单元113；所述数据处理单元113还分别与光束定向器108和移频器104连接；所述数据采集器112还与移频器104连接。
将发射光束发射至目标，并接收目标的回波光束；具体过程是，先将发射光束传输至激光放大器105放大，然后耦合进入光学环形器 106，再通过光学望远镜107和光束定向器108发射至目标，并由光学望远镜107接收目标的回波光束，最后经光学环形器106传输至光学桥接器109。光学环形器106由偏振分束棱镜、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。将回波光束和本振光束进行相干接收后得到信号数据，具体过程是，目标的回波光束经过偏振分束棱镜和本振光束传输至光学桥接器109进行相干接收，根据相干接收方式的不同，相干外差多普勒激光探测所使用的光学桥接器109采用的是2×2180°光学桥接器，光场表示为：
其中R(t)是声压引起的物体表面微弱振动幅值，f0是激光载频，fshift是移频量，fDoppler是雷达平台与目标相对运动引起的多普勒频移，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是回波光束振幅；ELO是本振光束振幅；
经过光学桥接器109混频后的两路输出分别为：
其中φN是混频噪声位相；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；
两路输出由单个光电平衡探测器110的双通道进行接收并输出，输出为：
其中k是光电平衡探测器响应率，
是噪声位相。
所述光电平衡器110的输出数据经过模数转换器111转换，最后由双通道的数据采集器112的一个通道采集，同时数据采集器112 的另一个通道采集移频器104的射频驱动信号，采集的数据输入数据处理单元113内处理；
首先对采集的数据进行快速傅里叶变换，表示为：
通过重心法提取多普勒频谱中峰值的位置，与移频量fshift相对比，就得到雷达平台与目标相对运动引入的多普勒频移fDoppler的大小和正负：多普勒频移大小与雷达平台与目标相对运动的径向速度成正比，表示为
多普勒频移正负与相对运动径向速度的方向有关，正频移代表雷达平台与目标相向运动，负频移代表雷达平台与目标相背运动。数据处理单元113根据多普勒频移信息将控制指令反馈至移频器104，在移频器104中对本振光束的移频量进行控制，实现运动多普勒频移实时补偿；
经过补偿后采集的新数据表示为：
经过补偿后采集的新数据再通过正交解调、以及通过低通滤波器进行低通滤波处理后，获得正交基带信号，表示为：
最后再通过反正切解相获得物体表面微弱振动位相：
最后经过解包裹算法重建语音信号。
实施例3：运动多普勒频移补偿的语音相干激光雷达侦听方法，雷达平台中激光光源输出光束后经偏振分束器分为本振光束和发射光束；将发射光束传输至激光放大器放大，然后耦合进入光学环形器，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得到目标的回波光束，将回波光束和本振光束进行相干接收后得到信号数据，再将信号数据传输至数据处理单元，数据处理单元利用傅里叶变换获取信号数据的多普勒频谱，然后互谱处理后取其虚部，再利用重心法提取多普勒频谱中峰值的位置和正负，得到雷达平台和目标相对运动引入的多普勒频移；数据处理单元根据多普勒频移信息将控制指令反馈至移频器，在移频器中对本振光束的移频量进行调节，实现运动状态下多普勒频移实时补偿；经过补偿后系统采集的新数据再通过语音信息的解调，实时获得语音信息。
实施例4：运动多普勒频移补偿的语音相干激光雷达侦听方法，雷达平台中激光光源输出光束后经偏振分束器分为本振光束和发射光束；将发射光束发射至目标，并接收目标的回波光束，将回波光束和本振光束进行相干接收后得到信号数据，再将信号数据传输至数据处理单元，数据处理单元利用傅里叶变换获取信号数据的多普勒频谱，利用重心法提取多普勒频谱中峰值的位置，然后与移频量相对比，就得到雷达平台与目标相对运动引入的多普勒频移的大小和正负；数据处理单元根据多普勒频移信息将控制指令反馈至移频器，在移频器中对本振光束的移频量进行调节，实现运动状态下多普勒频移实时补偿；经过补偿后系统采集的新数据再通过语音信息的解调，实时获得语音信息。
Claims (10)
1.运动多普勒频移补偿的语音相干激光雷达侦听方法，其特征在于：雷达平台中激光光源输出光束后经偏振分束器分为本振光束和发射光束；将发射光束发射至目标，并接收目标的回波光束，将回波光束和本振光束进行相干接收后得到信号数据，再将信号数据传输至数据处理单元，数据处理单元利用傅里叶变换获取信号数据的多普勒频谱，然后对信号数据中经过傅里叶变换的同相信号和正交信号进行互谱处理后取其虚部，再利用重心法提取多普勒频谱中峰值的位置和正负，得到雷达平台和目标相对运动引入的多普勒频移；数据处理单元根据多普勒频移信息将控制指令反馈至移频器，在移频器中对本振光束的移频量进行调节，实现运动状态下多普勒频移实时补偿；经过补偿后系统采集的新数据再通过语音信息的解调，实时获得语音信息。
2.根据权利要求1所述的运动多普勒频移补偿的语音相干激光雷达侦听方法，其特征在于：将发射光束发射至目标，并接收目标的回波光束，具体地是，发射光束先传输至激光放大器放大，然后耦合进入光学环形器，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所述的运动多普勒频移补偿的语音相干激光雷达侦听方法，其特征在于：将回波光束和本振光束进行相干接收后得到信号数据，具体过程是，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：
其中R(t)是声压引起的物体表面微弱振动幅值，f0是激光载频，fDoppler是雷达平台与目标相对运动引起的多普勒频移，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是回波光束振幅；ELO是本振光束振幅；
经过光学桥接器混频后的四路输出分别为：
其中φN是混频噪声位相；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：
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，
和
分别是同相信号和正交信号的噪声位相。
4.根据权利要求3所述的运动多普勒频移补偿的语音相干激光雷达侦听方法，其特征在于：光电平衡探测器输出的同相信号和正交信号经模数转换后进入数据采集器采集，采集的同相信号和正交信号数据输入数据处理单元，进行多普勒频移获取；
首先，同相信号和正交信号分别进行快速傅里叶变换，同相信号傅里叶变换表示为：
正交信号傅里叶变换表示为：
经过傅里叶变换后，频谱信息里面仅包含目标多普勒信息，由于目标表面的振动，在信号频域产生了以目标整体运动多普勒频率为中心的频率展宽；
同相信号和正交信号快速傅里叶变换后进行互谱处理：
最后仅取虚部得到
Img＝δ2(f-fDoppler)-δ2(f+fDoppler)；
通过重心法提取多普勒频谱中峰值的位置和正负，得到雷达平台与目标相对运动引入的多普勒频移fDoppler。
5.根据权利要求4所述的运动多普勒频移补偿的语音相干激光雷达侦听方法，其特征在于：多普勒频移大小与雷达平台与目标相对运动的径向速度成正比，表示为
式中：ν是雷达平台与目标相对运动的径向速度；多普勒频移正负与相对运动径向速度的方向有关，正频移代表雷达平台与目标相向运动，负频移代表雷达平台与目标相背运动；
在获得了雷达平台与目标相对运动引入的多普勒频移后，数据处理单元根据多普勒频移信息将控制指令反馈至移频器，在移频器中对本振光束的移频量进行控制，由于雷达平台与目标相对运动速度变化是缓变的，只要反馈控制速度远大于相对运动速度变化，就可以有效消除多普勒频移，同相信号的噪声位相
和正交信号的噪声位相
是相同的，令
与
的数值等于
即
经过补偿后采集的新数据表示为：
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：
最后经过解包裹算法重建语音信号。
6.运动多普勒频移补偿的语音相干激光雷达侦听方法，其特征在于：雷达平台中激光光源输出光束后经偏振分束器分为本振光束和发射光束；将发射光束发射至目标，并接收目标的回波光束，将回波光束和本振光束进行相干接收后得到信号数据，再将信号数据传输至数据处理单元，数据处理单元利用傅里叶变换获取信号数据的多普勒频谱，利用重心法提取多普勒频谱中峰值的位置，然后与移频量相对比，得到雷达平台与目标相对运动引入的多普勒频移的大小和正负；数据处理单元根据多普勒频移信息将控制指令反馈至移频器，在移频器中对本振光束的移频量进行调节，实现运动状态下多普勒频移实时补偿；经过补偿后系统采集的新数据再通过语音信息的解调，实时获得语音信息。
7.根据权利要求6所述的运动多普勒频移补偿的语音相干激光雷达侦听方法，其特征在于：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：
其中R(t)是声压引起的物体表面微弱振动幅值，f0是激光载频，fshift是移频量，fDoppler是雷达平台与目标相对运动引起的多普勒频移，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是回波光束振幅；ELO是本振光束振幅；
经过光学桥接器混频后的两路输出分别为：
其中φN是混频噪声位相；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；
两路输出由光电平衡探测器进行接收并输出，输出为：
其中k是光电平衡探测器响应率，
是噪声位相。
8.根据权利要求7所述的运动多普勒频移补偿的语音相干激光雷达侦听方法，其特征在于：所述光电平衡探测器的输出数据经过模数转换器转换，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射频驱动信号，采集的数据输入数据处理单元内处理；
首先对采集的数据进行快速傅里叶变换，表示为：
通过重心法提取多普勒频谱中峰值的位置，与移频量fshift相对比，就得到雷达平台与目标相对运动引入的多普勒频移fDoppler的大小和正负：多普勒频移大小与雷达平台与目标相对运动的径向速度成正比，表示为
式中：ν是雷达平台与目标相对运动的径向速度；多普勒频移正负与相对运动径向速度的方向有关，正频移代表雷达平台与目标相向运动，负频移代表雷达平台与目标相背运动；通过反馈至移频器后对移频量进行控制，实现运动多普勒频移实时补偿；
经过补偿后采集的新数据表示为：
经过补偿后采集的新数据先通过正交解调、再进行低通滤波处理后获得正交基带信号，表示为：
通过反正切解相获得物体表面微弱振动位相：
最后经过解包裹算法重建语音信号。
9.实现如权利要求5所述的运动多普勒频移补偿的语音相干激光雷达侦听方法的装置，其特征在于：包括激光光源(101)，所述激光光源(101)经偏振分束器(103)连接有移频器(104)和光学环形器(106)；
所述光学环形器(106)的输出端依次连接有光学望远镜(107)和光束定向器(108)；所述光学环形器(106)和移频器(104)一同连有光学桥接器(109)，所述光学桥接器(109)为2×4 90°光学桥接器；所述光学桥接器(109)经光电平衡探测器(110)连接有模数转换器(111)，模数转换器(111)经数据采集器(112)连接有数据处理单元(113)；所述数据处理单元(113)还分别与光束定向器(108)和移频器(104)连接；所述激光光源(101)和偏振分束器(103)之间还设有起偏器(102)；所述偏振分束器(103)和光学环形器(106)之间还设有激光放大器(105)。
10.实现如权利要求8所述的运动多普勒频移补偿的语音相干激光雷达侦听方法的装置，其特征在于：包括激光光源(101)，所述激光光源(101)经偏振分束器(103)连接有移频器(104)和光学环形器(106)；
所述光学环形器(106)的输出端依次连接有光学望远镜(107)和光束定向器(108)；所述光学环形器(106)和移频器(104)一同连有光学桥接器(109)，所述光学桥接器(109)为2×2 180°光学桥接器；所述光学桥接器(109)经光电平衡探测器(110)连接有模数转换器(111)，模数转换器(111)经数据采集器(112)连接有数据处理单元(113)；所述数据采集器(112)还与移频器(104)连接；所述数据处理单元(113)分别与光束定向器(108)和移频器(104)连接，所述激光光源(101)和偏振分束器(103)之间还设有起偏器(102)；所述偏振分束器(103)和光学环形器(106)之间还设有激光放大器(105)。
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