趙官華唐 芳

(1北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院,北京 100191)(2北京航空航天大學(xué)物理學(xué)院,北京 100191)

激光監(jiān)聽演示實驗儀器的制作

趙官華1唐 芳2

(1北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院,北京 100191)(2北京航空航天大學(xué)物理學(xué)院,北京 100191)

本文介紹了激光監(jiān)聽演示實驗儀器的制作.設(shè)計出功率放大和帶通濾波相結(jié)合的電路,用此電路接收光電探測器所采集的激光檢測聲波振動的信號,經(jīng)還原后進(jìn)而實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)聽.論文中涉及實驗儀器制作過程中所遇到的問題和相應(yīng)解決方法,可供學(xué)生在演示實驗中使用.

激光監(jiān)聽;聲波;振動

1 引言

隨著科技的發(fā)展,人們根據(jù)聲波的特性,制造了多種多樣的用于監(jiān)聽的儀器.從早期的“大耳朵”竊聽器、定向麥克風(fēng)竊聽器、“鳥槍”竊聽器等,到后來的微型話筒竊聽器、無線電波竊聽器、微波竊聽器、電話竊聽器以及激光竊聽器等等.

激光竊聽技術(shù)是隨著激光技術(shù)的發(fā)展和逐步成熟而得到研制和開發(fā)的,并在近幾年開始走向應(yīng)用.這種竊聽方式作用距離較長,不易受干擾,最重要的特點是無需在竊聽目標(biāo)周圍安裝任何設(shè)備.本文特對激光竊聽技術(shù)的基本原理與實現(xiàn)方法加以討論.

2 原理

激光監(jiān)聽基本原理是將一束激光照射在監(jiān)聽目標(biāo)周圍容易受聲壓作用產(chǎn)生振動的物體上,然后在其光束反射的方向上接收振動信號,并對信號進(jìn)行解調(diào)放大達(dá)到聲音還原.

激光監(jiān)聽技術(shù)的關(guān)鍵在于聲振動信息的獲得,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(xué)推導(dǎo)得關(guān)系式

圖1 聲振動信息獲取原理圖

光電接收器件上接收光的光斑面積變化時輸出的電信號也隨著變化,該電信號經(jīng)放大后驅(qū)動揚聲器即可實現(xiàn)監(jiān)聽的目的.

一個具體的實現(xiàn)裝置如圖2所示,其中木箱的一個側(cè)面安裝玻璃(模擬實際房間的窗戶),激光照射在玻璃上,木箱內(nèi)的聲音引起玻璃共振,使反射回到光電探測器的激光光通量發(fā)生變化,從而引起硅光電二極管輸出光電流的變化,再把變化的光電流轉(zhuǎn)化為電壓,經(jīng)隔直、放大、濾波,轉(zhuǎn)入揚聲器,就能還原聲音.

圖2 監(jiān)聽裝置圖

3 實驗裝置

選用一個形狀規(guī)則、穩(wěn)定、密封隔音性好的箱子模擬房間,其一側(cè)面安裝玻璃(約3mm厚),為得到更好的反射效果,在玻璃上貼有小鏡子,內(nèi)部安放收音機(jī)或小音響等,以充當(dāng)聲源.

3.1 發(fā)射裝置

激光具有良好的方向性,照射和反射的能量強(qiáng)而集中,所以可較容易解調(diào)出聲波信號.為使用方便,我們選用半導(dǎo)體激光器.

3.2 光電探測器

有些物質(zhì)受到光照射時,其內(nèi)部原子釋放電子,且仍留在物體內(nèi)部,使物體的導(dǎo)電性增加,這種現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng).根據(jù)統(tǒng)計光學(xué)理論,光電探測器輸出電流與入射光功率成正比,本實驗的光電二極管即是利用了此原理.選用波長匹配的硅光電探測器,硅光電池和光電二極管皆可實現(xiàn)較好的匹配效果,但前提是大小、性能適合.實驗表明,截面積過大,響應(yīng)頻率將降低,監(jiān)聽不到聲音中的高頻成分.

3.3 信號處理電路

光電探測器輸出的信號非常微弱,只有幾個毫伏.要對這樣微弱的信號進(jìn)行處理,需要進(jìn)行預(yù)處理,以匹配后置處理器與光電探測器之間的阻抗,使之達(dá)到阻抗匹配;濾除部分噪聲提高信噪比;對放大器及功放電路的要求是:低噪聲、高增益、低輸出阻抗、足夠的信號帶寬、負(fù)載能力以及良好的線性和抗干擾能力.

為提高共模抑制比,減小噪聲,電壓放大電路采用差分輸入,LM 324由于其帶寬增益的限制,要使音頻信號得到較好的放大,單級放大倍數(shù)不可超過10倍,因此我們用了兩級電壓放大.后來發(fā)現(xiàn)也可采用儀表用放大器AD620,該芯片用于放大微弱信號性能良好,放大倍數(shù)取150倍,電路圖如圖3所示.

為濾除音頻信號以外的噪聲,濾波器電路圖如圖4所示,采用的是有源帶通濾波器,可保證信號不衰減.頻帶范圍是100Hz～10k Hz.

功放電路用以放大信號功率,驅(qū)動揚聲器工作,由于光電接收器輸出的有用交流信號受噪聲影響,功放電路采用差分輸入,如圖5所示,放大倍數(shù)約為6倍.

電路本身也要考慮降噪問題,在焊接時應(yīng)注意元件及導(dǎo)線的分布,導(dǎo)線盡量短且少交叉.現(xiàn)在的環(huán)境電磁干擾很強(qiáng),而光電探測器的輸出信號十分微弱,即電路的輸入信號易受干擾而使電路放大了干擾信號,電路的輸入線應(yīng)使用屏蔽線,或是將兩根線絞起來,且使用金屬盒包裝,盡量屏蔽外界干擾.同時我們在電路輸入端并聯(lián)一個大電阻,防止耦合進(jìn)干擾的電磁波.

4 實驗結(jié)果及分析

1)改變接收距離和光電二極管接收光斑大小(固定入射角45°),實驗結(jié)果見表1.

表1 接收效果與接收距離、接收光斑的關(guān)系

圖5 功放電路

實驗中發(fā)現(xiàn)接收距離較小時,光電二極管接收的光強(qiáng)很強(qiáng),易飽和,因此減少光電二極管接收的光斑,會得到較好的效果.并且反射光斑如果全部照射在探測器表面上時,由于探測器接收的光通量幾乎不變,因此產(chǎn)生的是無用的直流信號,交流成分很少,監(jiān)聽不到聲音.在接收距離6m以內(nèi)(實驗條件限制),我們發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增大距離接收效果會更好,原因是增加距離,光斑的震動會因光斑發(fā)散被放大.但是前提必須配合接收光斑和放大器的調(diào)節(jié),否則信號太弱無法還原出聲音信號.

2)改變?nèi)肷浣?固定接收距離6m,接收1/3光斑),實驗結(jié)果見表2.

表2 接收效果與入射角的關(guān)系

實驗發(fā)現(xiàn)隨著入射角度的增大,接收到的信號強(qiáng)度會增大,從原理圖1和式(1)也可以看出,角度越大,振動效果越明顯.但只要配合光斑照射面積的調(diào)節(jié)都可得到很好的效果.

另外在近距離監(jiān)聽時,若使用揚聲器,由于存在聲反饋,即揚聲器發(fā)出的聲音會再次引起所監(jiān)聽處的玻璃振動,使電路的輸入信號增大,如此反復(fù)會產(chǎn)生嘯叫.而使用耳機(jī)時不存在此問題,效果更好.

5 小結(jié)

利用激光進(jìn)行監(jiān)聽,要實現(xiàn)好的監(jiān)聽效果,還有許多地方需要繼續(xù)研究改進(jìn).首先,為保證監(jiān)聽的隱蔽性,有色光顯然不能實際應(yīng)用,可以改用紅外光,同時更改相應(yīng)的光電探測器.其次,此技術(shù)光路要求嚴(yán)格,不能快而準(zhǔn)地接收到反射光,則不能達(dá)到監(jiān)聽目的.可利用“貓眼”效應(yīng),實現(xiàn)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的組合,從而方便監(jiān)聽的選址,并實現(xiàn)自動判斷是否瞄準(zhǔn)目標(biāo),很大程度上縮減準(zhǔn)備時間.本實驗儀可供學(xué)生在演示實驗中使用.

[1] 羅?？?朱曉.激光竊聽技術(shù)的研究.激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2003,40(12):53～56

[2] 童詩白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京,高等教育出版社,2001

[3] 謝自美.電子線路設(shè)計實驗測試(第三版)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2008

[4] 趙遠(yuǎn),張宇.光電信號檢測原理與技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005

2009-05-25;

2009-09-17)

趙官華(1989年出生),女,江西進(jìn)賢人,北京航空航天大學(xué)電子信息學(xué)院,06級本科在讀.