基于OPT101的激光監(jiān)聽儀設計

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，反射回來的激光束被由于聲壓引起的玻璃振動信號調制。利用光電傳感器接收反射回來的激光束并將其轉化為電信號。利用電路對獲取的信號進行濾波、放大處理，同時使用音頻處理軟件Adobe Audition濾波配合硬件濾波再次優(yōu)化還原信號，從而實現(xiàn)對目標的監(jiān)聽。

監(jiān)聽是獲取情報以及刑事偵緝破案的一種重要手段。傳統(tǒng)的竊聽方式都需要進行實地安裝，這樣不僅操作不方便而且一旦被發(fā)現(xiàn)就會留下竊聽證據(jù)。和傳統(tǒng)的監(jiān)聽技術相比，激光監(jiān)聽不需要在監(jiān)聽對象所在房間內(nèi)安裝監(jiān)聽裝置，就可以實現(xiàn)監(jiān)聽。同時，激光監(jiān)聽器發(fā)射的是人眼極難察覺的紅外激光，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(jiān)聽儀可以得到廣泛的應用。

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

干涉式激光監(jiān)聽在實際操作中，必須找到垂直于目標房間玻璃的位置放置實驗裝置，其次激光也必須垂直射到玻璃上，實現(xiàn)起來有一定的困難。考慮到理論依據(jù)和實際操作，文中采用反射式激光監(jiān)聽的方法，同時加入Audition軟件濾波，對激光監(jiān)聽儀的實現(xiàn)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，當房間里有人講話時，由于聲壓的變化會引起玻璃的微小振動，從而引起反射回來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)過放大器放大并去除噪聲，通過揚聲器還原成聲音，從而實現(xiàn)監(jiān)聽。

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

2 實驗裝置

激光監(jiān)聽儀主要由發(fā)射裝置和接收裝置組成，同時Audition軟件濾波配合硬件濾波進一步優(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(wěn)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(xù)激光器。

發(fā)射裝置最主要的任務就是將入射光束打到玻璃上同時保持入射光束方向不變，獲得穩(wěn)定的激光束將直接影響監(jiān)聽儀的性能。目前，許多關于激光監(jiān)聽儀的方案通開關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(wěn)定，導致了監(jiān)聽距離較短，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(wěn)壓電源給連續(xù)激光器供電，這樣連續(xù)激光器經(jīng)過穩(wěn)頻可以得到穩(wěn)定的很窄的線寬，即得到穩(wěn)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(xù)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opa177制作一個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(nèi)，其線性非常好。

由于opt101輸出的信號較小，需要對其進行功率放大，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，通過帶通濾波濾除背景光與高頻噪音，通過運放與功放單元實現(xiàn)信號放大，然后傳送至電腦由電腦聲卡進行采集。

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，既可以讓整個電路更加穩(wěn)定，又可以節(jié)約成本。

3 實驗結果及分析

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

3.1 外界白光對實驗的影響

外界白光對接收到的信號幾乎沒有影響。因為環(huán)境的亮度在一段時間內(nèi)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(shù)，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(shù)，實驗結果見表1。

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

3.3 角度對實驗的影響

當反射光不垂直opt101的硅片時，入射角對測試效果幾乎沒影響。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，實驗結果見表2。

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

3.4 環(huán)境中的其他振動對實驗的影響

環(huán)境中的其他振動，如開門、腳步聲，會對接收到信號產(chǎn)生一個瞬時影響，這些瞬時影響產(chǎn)生的噪聲可以用Audition去除。風聲或者雨滴引起的玻璃持續(xù)而輕微的振動，會引入較大的噪聲，這種噪聲通過在Audition中進行波形對比，找出其頻率，讓其增益變小，不能完全去除，但不會影響監(jiān)聽的效果。

4 結束語

激光監(jiān)聽儀具有良好的應用前景，相比于傳統(tǒng)的監(jiān)聽設備有很多優(yōu)點：第一，不需要實地安裝，安全性更高。第二，軟件濾波使得監(jiān)聽效果更好。但是要想實現(xiàn)好的監(jiān)聽效果，激光監(jiān)聽儀還有許多地方需要繼續(xù)研究改進。目前，激光監(jiān)聽存在的主要問題是監(jiān)聽距離有限，監(jiān)聽的位置受限。這些都是激光監(jiān)聽技術進一步發(fā)展的方向。雖然激光監(jiān)聽存在這些問題，但是其可以作為一種輔助監(jiān)聽手段，可以彌補傳統(tǒng)監(jiān)聽器需要實地安裝這一缺點，在打擊犯罪方面有較大的潛力。