基于OPT101的激光監(jiān)聽(tīng)儀設(shè)計(jì)

朱良琴，姚 平，王格林，何 靜

（長(zhǎng)江大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，湖北 荊州 434000）

監(jiān)聽(tīng)是獲取情報(bào)以及刑事偵緝破案的一種重要手段。傳統(tǒng)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(xiàn)就會(huì)留下竊聽(tīng)證據(jù)。和傳統(tǒng)的監(jiān)聽(tīng)技術(shù)相比，激光監(jiān)聽(tīng)不需要在監(jiān)聽(tīng)對(duì)象所在房間內(nèi)安裝監(jiān)聽(tīng)裝置，就可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)聽(tīng)。同時(shí)，激光監(jiān)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(jiān)聽(tīng)儀可以得到廣泛的應(yīng)用。

在國(guó)內(nèi)，激光監(jiān)聽(tīng)技術(shù)的理論方案主要有兩種：1）干涉式激光監(jiān)聽(tīng)。玻璃振動(dòng)產(chǎn)生的光程差導(dǎo)致參考光和監(jiān)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(hào)可獲得玻璃振動(dòng)信號(hào)。2）反射式激光監(jiān)聽(tīng)。將一束激光射到玻璃上，通過(guò)接收反射光束光強(qiáng)變化的信號(hào)可獲得玻璃振動(dòng)信號(hào)[2]。

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

1 原 理

用一束激光發(fā)射到目標(biāo)所在的房間的玻璃上，當(dāng)房間里有人講話時(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(qiáng)不是均勻的分布的，導(dǎo)致接收器接收的光強(qiáng)發(fā)生變化，接收器將光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化，再經(jīng)過(guò)放大器放大并去除噪聲，通過(guò)揚(yáng)聲器還原成聲音，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)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(dǎo)得關(guān)系式 Z（t）=KF（t），X（t）=2Z（t）sinθ。

圖1 聲音信號(hào)獲取原理Fig.1 The principle of getting audio signal

2 實(shí)驗(yàn)裝置

激光監(jiān)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(duì)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(wěn)壓電源。

為使接收裝置中光電探測(cè)器的效果最優(yōu)，激光器選擇650 nm，5mW的半導(dǎo)體連續(xù)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(wěn)定的激光束將直接影響監(jiān)聽(tīng)儀的性能。目前，許多關(guān)于激光監(jiān)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(wěn)定，導(dǎo)致了監(jiān)聽(tīng)距離較短，調(diào)制出的聲音信號(hào)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(guò)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(cè)器和濾波放大電路。

光電探測(cè)器用于檢測(cè)接收到的光強(qiáng)的微弱變化，在該裝置中選擇對(duì)光敏感的硅光電探測(cè)器opt101。其基本應(yīng)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，5mW的半導(dǎo)體連續(xù)激光器。

圖2 opt101基本應(yīng)用電路Fig.2 basic application circuit of opt101

圖3 opt101基本應(yīng)用電路的輸出電壓與照射光波長(zhǎng)關(guān)系Fig.3 The relationship between the irradiation light wavelength and output voltage by opt101 basic application circuit

人的聲音頻率范圍為300～3 400 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[3]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(hào)較小，需要對(duì)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(shè)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(qiáng)變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)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(yùn)放與功放單元實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(qiáng)大的信號(hào)處理軟件，有多種濾波器可以對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行濾波，提供多種降噪和修復(fù)音頻的方法，能給比較清晰的還原出聲音信號(hào)，這樣可以減少硬件電路，既可以讓整個(gè)電路更加穩(wěn)定，又可以節(jié)約成本。

圖4 opa177組成的二階巴特沃思濾波器Fig.4 Second－order Butterworth filter by opt101

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

用這套裝置系統(tǒng)在一個(gè)18 m×10 m的房間內(nèi)進(jìn)行了測(cè)試，采用半導(dǎo)體連續(xù)激光器輸出的650 nm的紅光（紅光是可見(jiàn)光，在調(diào)整光路時(shí)非常方便，但在實(shí)際應(yīng)用中并不可取），在房間外放置一個(gè)播放器。實(shí)驗(yàn)中采用控制變量法，就單一的影響因素進(jìn)行測(cè)量，控制其他變量在最佳效果。

3.1 外界白光對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響

外界白光對(duì)接收到的信號(hào)幾乎沒(méi)有影響。因?yàn)榄h(huán)境的亮度在一段時(shí)間內(nèi)可以看作是不變的，opt101采集的是光強(qiáng)的變化量。

3.2 光斑面積對(duì)實(shí)驗(yàn)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。

圖5 高斯光束能量密度分布圖Fig.5 The distribution of Gaussian beam energy density

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(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 接收效果與光斑面積的關(guān)系Tab.1 The relationship between reception and spot size

可以發(fā)現(xiàn)，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(dǎo)致光強(qiáng)過(guò)大，產(chǎn)生很大的噪聲；但也不能太弱，否則opt101會(huì)檢測(cè)不到光強(qiáng)信號(hào)。

3.3 角度對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響

當(dāng)反射光不垂直opt101的硅片時(shí)，入射角對(duì)測(cè)試效果幾乎沒(méi)影響。因?yàn)樵诓煌娜肷浣窍拢舴瓷涔鈱?duì)硅片的夾角不變，則opt101接收到的光強(qiáng)信號(hào)的變化是幾乎不變的。

改變反射光對(duì)硅片的入射角，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 接收效果與反射光線相對(duì)硅片的入射角的關(guān)系Tab.2 The relationship of reception and the angle between reflected light and silicon

可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)反射光對(duì)硅片的入射角不變時(shí)，激光束對(duì)玻璃的入射角對(duì)測(cè)試效果幾乎沒(méi)影響；反射光對(duì)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(duì)實(shí)驗(yàn)的影響

環(huán)境中的其他振動(dòng)，如開(kāi)門、腳步聲，會(huì)對(duì)接收到信號(hào)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(xù)而輕微的振動(dòng)，會(huì)引入較大的噪聲，這種噪聲通過(guò)在Audition中進(jìn)行波形對(duì)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(jiān)聽(tīng)的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

激光監(jiān)聽(tīng)儀具有良好的應(yīng)用前景，相比于傳統(tǒng)的監(jiān)聽(tīng)設(shè)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(jiān)聽(tīng)效果更好。但是要想實(shí)現(xiàn)好的監(jiān)聽(tīng)效果，激光監(jiān)聽(tīng)儀還有許多地方需要繼續(xù)研究改進(jìn)。目前，激光監(jiān)聽(tīng)存在的主要問(wèn)題是監(jiān)聽(tīng)距離有限，監(jiān)聽(tīng)的位置受限。這些都是激光監(jiān)聽(tīng)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的方向。雖然激光監(jiān)聽(tīng)存在這些問(wèn)題，但是其可以作為一種輔助監(jiān)聽(tīng)手段，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)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。

[1]喬俊卿，趙琰，宛傳旭，等.激光干涉法獲取遠(yuǎn)程聲音信息的實(shí)現(xiàn)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2013，33（5）:5-8.QIAO Jun-qing，ZHAO Yan，WAN Chuan-xun，et al.Get remote audio information by laser interferometry[J].Physics Experiment，2013，33（5）:5-8.

[2]羅?？?，朱曉.激光竊聽(tīng)技術(shù)的研究[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2003，40（12）:53-56.LUO Hai-jun，ZHU Xiao.The study on Laser technology in eavesdropping[J].The Progress on Laser and Optoelectronics，2003，40（12）:53-56.

[3]謝自美.電子電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試[M].3版.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2008.

[4]張超凡．激光竊聽(tīng)技術(shù)的改進(jìn)與實(shí)現(xiàn)[J]．激光與紅外，2008，38（2）:145-148．ZHANG Chao-fang.Improvements and implementation of laser technology in eavesdropping[J].Laser and Infrared，2008，38（2）:14-148．

[5]林科業(yè)，孫番典，劉詩(shī)偉，等．一種基于超聲波的竊聽(tīng)方法[J]．現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（3）:196-198．LIN Ke-ye，SUN Fan-dian，LIU Shi-wei，et al.Atapping method base on Ultrasonic wave[J].Modern Electronic Technology，2012，35（3）:196-198．

[6]趙官華，唐芳.激光監(jiān)聽(tīng)演示實(shí)驗(yàn)儀器的制作[J].物理與工程，2010，20（3）:62-64.ZHAO Guan-hua，TANG Fang.Making lasermonitor demonstration experiment instruments[J].Physics and Engineering，2010，20（3）:62-64.