激光监听演示实验仪器的制作

赵官华唐 芳

(1北京航空航天大学电子信息工程学院,北京 100191)(2北京航空航天大学物理学院,北京 100191)

激光监听演示实验仪器的制作

赵官华1唐 芳2

(1北京航空航天大学电子信息工程学院,北京 100191)(2北京航空航天大学物理学院,北京 100191)

本文介绍了激光监听演示实验仪器的制作.设计出功率放大和带通滤波相结合的电路,用此电路接收光电探测器所采集的激光检测声波振动的信号,经还原后进而实现远程监听.论文中涉及实验仪器制作过程中所遇到的问题和相应解决方法,可供学生在演示实验中使用.

激光监听;声波;振动

1 引言

随着科技的发展,人们根据声波的特性,制造了多种多样的用于监听的仪器.从早期的“大耳朵”窃听器、定向麦克风窃听器、“鸟枪”窃听器等,到后来的微型话筒窃听器、无线电波窃听器、微波窃听器、电话窃听器以及激光窃听器等等.

激光窃听技术是随着激光技术的发展和逐步成熟而得到研制和开发的,并在近几年开始走向应用.这种窃听方式作用距离较长,不易受干扰,最重要的特点是无需在窃听目标周围安装任何设备.本文特对激光窃听技术的基本原理与实现方法加以讨论.

2 原理

激光监听基本原理是将一束激光照射在监听目标周围容易受声压作用产生振动的物体上,然后在其光束反射的方向上接收振动信号,并对信号进行解调放大达到声音还原.

激光监听技术的关键在于声振动信息的获得,原理图如图1所示,其中,玻璃受空气中声波压力为 F(t);振动偏移为 Z(t);光斑振动为 X(t),由光学推导得关系式

图1 声振动信息获取原理图

光电接收器件上接收光的光斑面积变化时输出的电信号也随着变化,该电信号经放大后驱动扬声器即可实现监听的目的.

一个具体的实现装置如图2所示,其中木箱的一个侧面安装玻璃(模拟实际房间的窗户),激光照射在玻璃上,木箱内的声音引起玻璃共振,使反射回到光电探测器的激光光通量发生变化,从而引起硅光电二极管输出光电流的变化,再把变化的光电流转化为电压,经隔直、放大、滤波,转入扬声器,就能还原声音.

图2 监听装置图

3 实验装置

选用一个形状规则、稳定、密封隔音性好的箱子模拟房间,其一侧面安装玻璃(约3mm厚),为得到更好的反射效果,在玻璃上贴有小镜子,内部安放收音机或小音响等,以充当声源.

3.1 发射装置

激光具有良好的方向性,照射和反射的能量强而集中,所以可较容易解调出声波信号.为使用方便,我们选用半导体激光器.

3.2 光电探测器

有些物质受到光照射时,其内部原子释放电子,且仍留在物体内部,使物体的导电性增加,这种现象称为内光电效应.根据统计光学理论,光电探测器输出电流与入射光功率成正比,本实验的光电二极管即是利用了此原理.选用波长匹配的硅光电探测器,硅光电池和光电二极管皆可实现较好的匹配效果,但前提是大小、性能适合.实验表明,截面积过大,响应频率将降低,监听不到声音中的高频成分.

3.3 信号处理电路

光电探测器输出的信号非常微弱,只有几个毫伏.要对这样微弱的信号进行处理,需要进行预处理,以匹配后置处理器与光电探测器之间的阻抗,使之达到阻抗匹配;滤除部分噪声提高信噪比;对放大器及功放电路的要求是:低噪声、高增益、低输出阻抗、足够的信号带宽、负载能力以及良好的线性和抗干扰能力.

为提高共模抑制比,减小噪声,电压放大电路采用差分输入,LM 324由于其带宽增益的限制,要使音频信号得到较好的放大,单级放大倍数不可超过10倍,因此我们用了两级电压放大.后来发现也可采用仪表用放大器AD620,该芯片用于放大微弱信号性能良好,放大倍数取150倍,电路图如图3所示.

为滤除音频信号以外的噪声,滤波器电路图如图4所示,采用的是有源带通滤波器,可保证信号不衰减.频带范围是100Hz～10k Hz.

功放电路用以放大信号功率,驱动扬声器工作,由于光电接收器输出的有用交流信号受噪声影响,功放电路采用差分输入,如图5所示,放大倍数约为6倍.

电路本身也要考虑降噪问题,在焊接时应注意元件及导线的分布,导线尽量短且少交叉.现在的环境电磁干扰很强,而光电探测器的输出信号十分微弱,即电路的输入信号易受干扰而使电路放大了干扰信号,电路的输入线应使用屏蔽线,或是将两根线绞起来,且使用金属盒包装,尽量屏蔽外界干扰.同时我们在电路输入端并联一个大电阻,防止耦合进干扰的电磁波.

4 实验结果及分析

1)改变接收距离和光电二极管接收光斑大小(固定入射角45°),实验结果见表1.

表1 接收效果与接收距离、接收光斑的关系

图5 功放电路

实验中发现接收距离较小时,光电二极管接收的光强很强,易饱和,因此减少光电二极管接收的光斑,会得到较好的效果.并且反射光斑如果全部照射在探测器表面上时,由于探测器接收的光通量几乎不变,因此产生的是无用的直流信号,交流成分很少,监听不到声音.在接收距离6m以内(实验条件限制),我们发现适当增大距离接收效果会更好,原因是增加距离,光斑的震动会因光斑发散被放大.但是前提必须配合接收光斑和放大器的调节,否则信号太弱无法还原出声音信号.

2)改变入射角(固定接收距离6m,接收1/3光斑),实验结果见表2.

表2 接收效果与入射角的关系

实验发现随着入射角度的增大,接收到的信号强度会增大,从原理图1和式(1)也可以看出,角度越大,振动效果越明显.但只要配合光斑照射面积的调节都可得到很好的效果.

另外在近距离监听时,若使用扬声器,由于存在声反馈,即扬声器发出的声音会再次引起所监听处的玻璃振动,使电路的输入信号增大,如此反复会产生啸叫.而使用耳机时不存在此问题,效果更好.

5 小结

利用激光进行监听,要实现好的监听效果,还有许多地方需要继续研究改进.首先,为保证监听的隐蔽性,有色光显然不能实际应用,可以改用红外光,同时更改相应的光电探测器.其次,此技术光路要求严格,不能快而准地接收到反射光,则不能达到监听目的.可利用“猫眼”效应,实现发射机与接收机的组合,从而方便监听的选址,并实现自动判断是否瞄准目标,很大程度上缩减准备时间.本实验仪可供学生在演示实验中使用.

[1] 罗海俊,朱晓.激光窃听技术的研究.激光与光电子学进展,2003,40(12):53～56

[2] 童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].北京,高等教育出版社,2001

[3] 谢自美.电子线路设计实验测试(第三版)[M].武汉:华中科技大学出版社,2008

[4] 赵远,张宇.光电信号检测原理与技术[M].北京:机械工业出版社,2005

2009-05-25;

2009-09-17)

赵官华(1989年出生),女,江西进贤人,北京航空航天大学电子信息学院,06级本科在读.