基于OPT101的激光監聽(tīng)儀設計

摘要：在目標房間外一定距離，利用一束激光照射目標房間玻璃，反射回來(lái)的激光束被由于聲壓引起的玻璃振動(dòng)信號調制。利用光電傳感器接收反射回來(lái)的激光束并將其轉化為電信號。利用電路對獲取的信號進(jìn)行濾波、放大處理，同時(shí)使用音頻處理軟件Adobe Audition濾波配合硬件濾波再次優(yōu)化還原信號，從而實(shí)現對目標的監聽(tīng)。

監聽(tīng)是獲取情報以及刑事偵緝破案的一種重要手段。傳統的竊聽(tīng)方式都需要進(jìn)行實(shí)地安裝，這樣不僅操作不方便而且一旦被發(fā)現就會(huì )留下竊聽(tīng)證據。和傳統的監聽(tīng)技術(shù)相比，激光監聽(tīng)不需要在監聽(tīng)對象所在房間內安裝監聽(tīng)裝置，就可以實(shí)現監聽(tīng)。同時(shí)，激光監聽(tīng)器發(fā)射的是人眼極難察覺(jué)的紅外激光，它不僅在白天可以使用，在夜間也同樣可以使用。尤其是在刑事偵查中，激光監聽(tīng)儀可以得到廣泛的應用。

在國內，激光監聽(tīng)技術(shù)的理論方案主要有兩種：1)干涉式激光監聽(tīng)。玻璃振動(dòng)產(chǎn)生的光程差導致參考光和監聽(tīng)光干涉的條紋發(fā)生變化，通過(guò)接收干涉條紋變化的信號可獲得玻璃振動(dòng)信號。2)反射式激光監聽(tīng)。將一束激光射到玻璃上，通過(guò)接收反射光束光強變化的信號可獲得玻璃振動(dòng)信號。

干涉式激光監聽(tīng)在實(shí)際操作中，必須找到垂直于目標房間玻璃的位置放置實(shí)驗裝置，其次激光也必須垂直射到玻璃上，實(shí)現起來(lái)有一定的困難?？紤]到理論依據和實(shí)際操作，文中采用反射式激光監聽(tīng)的方法，同時(shí)加入Audition軟件濾波，對激光監聽(tīng)儀的實(shí)現與優(yōu)化加以討論。

1 原理

用一束激光發(fā)射到目標所在的房間的玻璃上，當房間里有人講話(huà)時(shí)，由于聲壓的變化會(huì )引起玻璃的微小振動(dòng)，從而引起反射回來(lái)的激光光斑位置變化，由于激光的光斑的光強不是均勻的分布的，導致接收器接收的光強發(fā)生變化，接收器將光強的變化轉換成電信號的變化，再經(jīng)過(guò)放大器放大并去除噪聲，通過(guò)揚聲器還原成聲音，從而實(shí)現監聽(tīng)。

原理圖如圖1所示，其中，玻璃受空氣中聲波壓力為F(t)，振動(dòng)偏移為Z(t)，光斑振動(dòng)為X(t)，由光學(xué)推導得關(guān)系式Z(t)=KF(t)，X(t)=2Z(t)sinθ。

2 實(shí)驗裝置

激光監聽(tīng)儀主要由發(fā)射裝置和接收裝置組成，同時(shí)Audition軟件濾波配合硬件濾波進(jìn)一步優(yōu)化還原聲音，下面分別對發(fā)射裝置、接收裝置、聲音的優(yōu)化與還原進(jìn)行討論：

2.1 發(fā)射裝置

發(fā)射裝置主要包括激光器和給其供電的穩壓電源。

為使接收裝置中光電探測器的效果最優(yōu)，激光器選擇650 nm，5 mW的半導體連續激光器。

發(fā)射裝置最主要的任務(wù)就是將入射光束打到玻璃上同時(shí)保持入射光束方向不變，獲得穩定的激光束將直接影響監聽(tīng)儀的性能。目前，許多關(guān)于激光監聽(tīng)儀的方案通開(kāi)關(guān)電池給脈沖激光器供電獲取激光束，這樣獲得的激光束并不穩定，導致了監聽(tīng)距離較短，調制出的聲音信號中有較多噪音。為了克服這一缺陷，在該裝置中采用穩壓電源給連續激光器供電，這樣連續激光器經(jīng)過(guò)穩頻可以得到穩定的很窄的線(xiàn)寬，即得到穩定的激光束，提高信噪比。

2.2 接收裝置

接收裝置主要包括光電探測器和濾波放大電路。

光電探測器用于檢測接收到的光強的微弱變化，在該裝置中選擇對光敏感的硅光電探測器opt101。其基本應用電路如圖2所示。如圖3所示，由其輸出特性可知，在650～900 nm處輸出電壓較大。在該發(fā)射裝置中的激光器采用的是650 nm，5 mW的半導體連續激光器。

人的聲音頻率范圍為300～3400 Hz，需要使用帶通濾波電路將其余頻率范圍的聲音濾掉。opa177是一種精密放大器，利用兩個(gè)opa177制作一個(gè)二階巴特沃思濾波器如圖4所示，該電路通常在1.5倍增益下工作，在人的聲音頻率范圍內，其線(xiàn)性非常好。

由于opt101輸出的信號較小，需要對其進(jìn)行功率放大，在該裝置中選擇完整的單片儀表放大器AD620使用一只外部電阻器可以設置從1到1 000任何要求的增益。

激光反射光束呈一個(gè)光斑覆蓋在opt101表面，opt101將接收的光強變化轉換為電信號，電信號經(jīng)濾波放大電路處理后，通過(guò)帶通濾波濾除背景光與高頻噪音，通過(guò)運放與功放單元實(shí)現信號放大，然后傳送至電腦由電腦聲卡進(jìn)行采集。

2.3 聲音的優(yōu)化與還原

Adobe Audition CS6是一款功能強大的信號處理軟件，有多種濾波器可以對音頻信號進(jìn)行濾波，提供多種降噪和修復音頻的方法，能給比較清晰的還原出聲音信號，這樣可以減少硬件電路，既可以讓整個(gè)電路更加穩定，又可以節約成本。

3 實(shí)驗結果及分析

用這套裝置系統在一個(gè)18 mxl0 m的房間內進(jìn)行了測試，采用半導體連續激光器輸出的650 nm的紅光(紅光是可見(jiàn)光，在調整光路時(shí)非常方便，但在實(shí)際應用中并不可取)，在房間外放置一個(gè)播放器。實(shí)驗中采用控制變量法，就單一的影響因素進(jìn)行測量，控制其他變量在最佳效果。

3.1 外界白光對實(shí)驗的影響

外界白光對接收到的信號幾乎沒(méi)有影響。因為環(huán)境的亮度在一段時(shí)間內可以看作是不變的，opt101采集的是光強的變化量。

3.2 光斑面積對實(shí)驗的影響

激光器發(fā)射的激光束是高斯光速，其反射光束的傳輸矩陣依然是高斯函數，其光斑上能量密度分布如圖5所示。

改變光斑面積的大小(即改變光斑的能量密度分布)，使其分別為opt101硅片面積的不同倍數，實(shí)驗結果見(jiàn)表1。

可以發(fā)現，光斑的面積比opt101硅片面積略大時(shí)，效果最好。反射光的能量并不是越集中越好，能量太過(guò)集中會(huì )導致光強過(guò)大，產(chǎn)生很大的噪聲;但也不能太弱，否則opt101會(huì )檢測不到光強信號。

3.3 角度對實(shí)驗的影響

當反射光不垂直opt101的硅片時(shí)，入射角對測試效果幾乎沒(méi)影響。因為在不同的入射角下，若反射光對硅片的夾角不變，則opt101接收到的光強信號的變化是幾乎不變的。

改變反射光對硅片的入射角，實(shí)驗結果見(jiàn)表2。

可以發(fā)現，當反射光對硅片的入射角不變時(shí)，激光束對玻璃的入射角對測試效果幾乎沒(méi)影響;反射光對硅片的入射角越大，接收到的效果越好。

3.4 環(huán)境中的其他振動(dòng)對實(shí)驗的影響

環(huán)境中的其他振動(dòng)，如開(kāi)門(mén)、腳步聲，會(huì )對接收到信號產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)影響，這些瞬時(shí)影響產(chǎn)生的噪聲可以用Audition去除。風(fēng)聲或者雨滴引起的玻璃持續而輕微的振動(dòng)，會(huì )引入較大的噪聲，這種噪聲通過(guò)在A(yíng)udition中進(jìn)行波形對比，找出其頻率，讓其增益變小，不能完全去除，但不會(huì )影響監聽(tīng)的效果。

4 結束語(yǔ)

激光監聽(tīng)儀具有良好的應用前景，相比于傳統的監聽(tīng)設備有很多優(yōu)點(diǎn)：第一，不需要實(shí)地安裝，安全性更高。第二，軟件濾波使得監聽(tīng)效果更好。但是要想實(shí)現好的監聽(tīng)效果，激光監聽(tīng)儀還有許多地方需要繼續研究改進(jìn)。目前，激光監聽(tīng)存在的主要問(wèn)題是監聽(tīng)距離有限，監聽(tīng)的位置受限。這些都是激光監聽(tīng)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的方向。雖然激光監聽(tīng)存在這些問(wèn)題，但是其可以作為一種輔助監聽(tīng)手段，可以彌補傳統監聽(tīng)器需要實(shí)地安裝這一缺點(diǎn)，在打擊犯罪方面有較大的潛力。