基于OPT101的激光监听仪设计

朱良琴，姚 平，王格林，何 静

（长江大学 物理与光电工程学院，湖北 荆州 434000）

监听是获取情报以及刑事侦缉破案的一种重要手段。传统的窃听方式都需要进行实地安装，这样不仅操作不方便而且一旦被发现就会留下窃听证据。和传统的监听技术相比，激光监听不需要在监听对象所在房间内安装监听装置，就可以实现监听。同时，激光监听器发射的是人眼极难察觉的红外激光，它不仅在白天可以使用，在夜间也同样可以使用。尤其是在刑事侦查中，激光监听仪可以得到广泛的应用。

在国内，激光监听技术的理论方案主要有两种：1）干涉式激光监听。玻璃振动产生的光程差导致参考光和监听光干涉的条纹发生变化，通过接收干涉条纹变化的信号可获得玻璃振动信号。2）反射式激光监听。将一束激光射到玻璃上，通过接收反射光束光强变化的信号可获得玻璃振动信号[2]。

干涉式激光监听在实际操作中，必须找到垂直于目标房间玻璃的位置放置实验装置，其次激光也必须垂直射到玻璃上，实现起来有一定的困难。考虑到理论依据和实际操作，文中采用反射式激光监听的方法，同时加入Audition软件滤波，对激光监听仪的实现与优化加以讨论。

1 原 理

用一束激光发射到目标所在的房间的玻璃上，当房间里有人讲话时，由于声压的变化会引起玻璃的微小振动，从而引起反射回来的激光光斑位置变化，由于激光的光斑的光强不是均匀的分布的，导致接收器接收的光强发生变化，接收器将光强的变化转换成电信号的变化，再经过放大器放大并去除噪声，通过扬声器还原成声音，从而实现监听。

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 Z（t）=KF（t），X（t）=2Z（t）sinθ。

图1 声音信号获取原理Fig.1 The principle of getting audio signal

2 实验装置

激光监听仪主要由发射装置和接收装置组成，同时Audition软件滤波配合硬件滤波进一步优化还原声音，下面分别对发射装置、接收装置、声音的优化与还原进行讨论：

2.1 发射装置

发射装置主要包括激光器和给其供电的稳压电源。

为使接收装置中光电探测器的效果最优，激光器选择650 nm，5mW的半导体连续激光器。

发射装置最主要的任务就是将入射光束打到玻璃上同时保持入射光束方向不变，获得稳定的激光束将直接影响监听仪的性能。目前，许多关于激光监听仪的方案通开关电池给脉冲激光器供电获取激光束，这样获得的激光束并不稳定，导致了监听距离较短，调制出的声音信号中有较多噪音。为了克服这一缺陷，在该装置中采用稳压电源给连续激光器供电，这样连续激光器经过稳频可以得到稳定的很窄的线宽，即得到稳定的激光束，提高信噪比。

2.2 接收装置

接收装置主要包括光电探测器和滤波放大电路。

光电探测器用于检测接收到的光强的微弱变化，在该装置中选择对光敏感的硅光电探测器opt101。其基本应用电路如图2所示。如图3所示，由其输出特性可知，在650～900 nm处输出电压较大。在该发射装置中的激光器采用的是650 nm，5mW的半导体连续激光器。

图2 opt101基本应用电路Fig.2 basic application circuit of opt101

图3 opt101基本应用电路的输出电压与照射光波长关系Fig.3 The relationship between the irradiation light wavelength and output voltage by opt101 basic application circuit

人的声音频率范围为300～3 400 Hz，需要使用带通滤波电路将其余频率范围的声音滤掉。opa177是一种精密放大器，利用两个opa177制作一个二阶巴特沃思滤波器[3]如图4所示，该电路通常在1.5倍增益下工作，在人的声音频率范围内，其线性非常好。

由于opt101输出的信号较小，需要对其进行功率放大，在该装置中选择完整的单片仪表放大器AD620使用一只外部电阻器可以设置从 1到1 000任何要求的增益.

激光反射光束呈一个光斑覆盖在opt101表面，opt101将接收的光强变化转换为电信号，电信号经滤波放大电路处理后，通过带通滤波滤除背景光与高频噪音，通过运放与功放单元实现信号放大，然后传送至电脑由电脑声卡进行采集。

2.3 声音的优化与还原

Adobe Audition CS6是一款功能强大的信号处理软件，有多种滤波器可以对音频信号进行滤波，提供多种降噪和修复音频的方法，能给比较清晰的还原出声音信号，这样可以减少硬件电路，既可以让整个电路更加稳定，又可以节约成本。

图4 opa177组成的二阶巴特沃思滤波器Fig.4 Second－order Butterworth filter by opt101

3 实验结果及分析

用这套装置系统在一个18 m×10 m的房间内进行了测试，采用半导体连续激光器输出的650 nm的红光（红光是可见光，在调整光路时非常方便，但在实际应用中并不可取），在房间外放置一个播放器。实验中采用控制变量法，就单一的影响因素进行测量，控制其他变量在最佳效果。

3.1 外界白光对实验的影响

外界白光对接收到的信号几乎没有影响。因为环境的亮度在一段时间内可以看作是不变的，opt101采集的是光强的变化量。

3.2 光斑面积对实验的影响

激光器发射的激光束是高斯光速，其反射光束的传输矩阵依然是高斯函数，其光斑上能量密度分布如图5所示。

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

改变光斑面积的大小（即改变光斑的能量密度分布），使其分别为opt101硅片面积的不同倍数，实验结果见表1。

表1 接收效果与光斑面积的关系Tab.1 The relationship between reception and spot size

可以发现，光斑的面积比opt101硅片面积略大时，效果最好。反射光的能量并不是越集中越好，能量太过集中会导致光强过大，产生很大的噪声；但也不能太弱，否则opt101会检测不到光强信号。

3.3 角度对实验的影响

当反射光不垂直opt101的硅片时，入射角对测试效果几乎没影响。因为在不同的入射角下，若反射光对硅片的夹角不变，则opt101接收到的光强信号的变化是几乎不变的。

改变反射光对硅片的入射角，实验结果见表2。

表2 接收效果与反射光线相对硅片的入射角的关系Tab.2 The relationship of reception and the angle between reflected light and silicon

可以发现，当反射光对硅片的入射角不变时，激光束对玻璃的入射角对测试效果几乎没影响；反射光对硅片的入射角越大，接收到的效果越好。

3.4 环境中的其他振动对实验的影响

环境中的其他振动，如开门、脚步声，会对接收到信号产生一个瞬时影响，这些瞬时影响产生的噪声可以用Audition去除。风声或者雨滴引起的玻璃持续而轻微的振动，会引入较大的噪声，这种噪声通过在Audition中进行波形对比，找出其频率，让其增益变小，不能完全去除，但不会影响监听的效果。

4 结束语

激光监听仪具有良好的应用前景，相比于传统的监听设备有很多优点：第一，不需要实地安装，安全性更高。第二，软件滤波使得监听效果更好。但是要想实现好的监听效果，激光监听仪还有许多地方需要继续研究改进。目前，激光监听存在的主要问题是监听距离有限，监听的位置受限。这些都是激光监听技术进一步发展的方向。虽然激光监听存在这些问题，但是其可以作为一种辅助监听手段，可以弥补传统监听器需要实地安装这一缺点，在打击犯罪方面有较大的潜力。

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