唐麗紅，賴永寬，盧杰發(fā)，周慶紅，陳俊學(xué)，毛祥慶

（西南科技大學(xué)a.理學(xué)院；b.信息工程學(xué)院，四川 綿陽621010）

1 引 言

激光監(jiān)聽技術(shù)是一種非接觸的、不留任何痕跡的技術(shù)，但距離真正應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)中還有很長(zhǎng)的路要走，阻礙技術(shù)最大的難題就是激光反射光斑的對(duì)準(zhǔn)和噪聲的處理.針對(duì)這些特點(diǎn)，很多學(xué)者利用貓眼效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，貓眼效應(yīng)的物理模型一般可以等效簡(jiǎn)化為1個(gè)單透鏡和1個(gè)反射面組合的光學(xué)系統(tǒng)［1-2］，此系統(tǒng)的光學(xué)窗口對(duì)入射光有很強(qiáng)的按原光路后向反射特性［3］，能對(duì)竊聽目標(biāo)進(jìn)行快速發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確定位及利用它較高強(qiáng)度的回光信號(hào)實(shí)現(xiàn)竊聽［4］.但在實(shí)際監(jiān)聽中很難找到貓眼效應(yīng)的對(duì)象，故在本設(shè)計(jì)中采用遙控器控制電機(jī)微調(diào)的方式調(diào)節(jié)激光器，這樣可避免手動(dòng)調(diào)節(jié)帶來的觸碰干擾.

在噪聲處理方面，一般研究經(jīng)常采用硬件濾波和自適應(yīng)濾波［5-6］2種方法，然而硬件濾波成本高，而且自適應(yīng)濾波需探測(cè)周圍環(huán)境中的噪聲才能進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的濾波，但在激光竊聽的場(chǎng)合，要探測(cè)玻璃周圍環(huán)境的噪聲顯得無能為力，故在本設(shè)計(jì)中，采用Matlab中的audio weighting filter進(jìn)行濾波，此濾波器是模仿人耳的特性設(shè)計(jì)的一款語音加權(quán)濾波器，可有效地降低語音噪聲并提高語音的識(shí)別度.

2 探測(cè)原理

聲波在空氣中傳播時(shí)會(huì)在玻璃表面產(chǎn)生聲壓，而玻璃的振動(dòng)和直接作用在玻璃上的局部聲壓成正比［3，7］，故當(dāng)聲源有聲音發(fā)出時(shí)玻璃表面將發(fā)生偏轉(zhuǎn).因玻璃面的偏轉(zhuǎn)使激光在入射方向不變的情況下，入射角得到變化.如圖1所示，圖中i和θ分別表示玻璃振動(dòng)前的入射角及玻璃振動(dòng)后的傾斜角，L表示探測(cè)器距玻璃表面的垂直距離，D和B分別表示光束在玻璃振動(dòng)前后反射到探測(cè)器上的光斑位置，DF和DE分別表示玻璃面振動(dòng)前后距探測(cè)器的垂直距離.

圖1 探測(cè)原理圖

當(dāng)揚(yáng)聲器有聲音發(fā)出時(shí)，玻璃反射到探測(cè)器上的光斑會(huì)隨玻璃表面的微小形變而發(fā)生變化，用A表示玻璃振幅，ω表示在時(shí)間t時(shí)振動(dòng)的角頻率，則玻璃振動(dòng)的表達(dá)式為y＝Asinωt，由三角關(guān)系知

從而可得光斑到探測(cè)器之間的距離為

因θ值很小，故i?2θ，從而光斑振動(dòng)幅度BD隨θ的增大而增大，故可用探測(cè)器接收到的光強(qiáng)變化來探測(cè)玻璃由于聲波產(chǎn)生的振動(dòng).

在信號(hào)采集中，利用硅光電池頻率響應(yīng)快和電流響應(yīng)線性度好［8］的優(yōu)點(diǎn)對(duì)激光器反射回來的光斑進(jìn)行探測(cè)，經(jīng)過IV轉(zhuǎn)換電路，將光電池的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后經(jīng)放大器放大，再經(jīng)過巴特沃斯帶通濾波器選擇出200～3 500Hz的語音信號(hào)，最后通過阻抗匹配輸出，經(jīng)聲卡傳入計(jì)算機(jī).其電路設(shè)計(jì)如圖2所示.

圖2 信息采集電路設(shè)計(jì)圖

3 設(shè)計(jì)過程

3.1 光斑對(duì)準(zhǔn)調(diào)節(jié)

光斑對(duì)準(zhǔn)調(diào)節(jié)原理如圖3所示.設(shè)計(jì)選用電壓為5V、轉(zhuǎn)速為0.2r／min的電機(jī)配合遙控（8路智能）微調(diào)直流電機(jī)調(diào)節(jié)激光器的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，利用電機(jī)轉(zhuǎn)速慢的特點(diǎn)使光斑移動(dòng)保持在緩慢變化的范圍內(nèi)，這樣便能精確地調(diào)節(jié)光斑的走向，實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié).同時(shí)遙控器的調(diào)節(jié)可以避免人為手動(dòng)調(diào)節(jié)的干擾，明顯提高了調(diào)節(jié)精度及光路的搭建速度.

圖3 光斑對(duì)準(zhǔn)調(diào)節(jié)原理圖

3.2 探測(cè)電路及濾波

在探測(cè)中，為使激光光斑的發(fā)散速度較小，設(shè)計(jì)選取發(fā)散角為0.3mrad、功率為5mW和波長(zhǎng)為650nm的激光器.同時(shí)為使線性變換較好，實(shí)驗(yàn)選用硅光電池作為光電傳感器，用反饋電阻除以光電池內(nèi)阻作為放大器參量.在電路中加入二階巴特沃斯帶通濾波器，選擇出頻率為200～3 500Hz的音頻信號(hào)；另外因AD8065具有低至1pA的偏置電流，使得在IV轉(zhuǎn)換中能獲得較高的信噪比，故選用AD8065作為前置放大.同時(shí)為了排除外界對(duì)電路的噪聲干擾，采用遮光筒來屏蔽電路板.圖4和圖5分別為探測(cè)電路圖和幅頻響應(yīng)曲線圖，圖6為用單一頻率的聲信號(hào)使玻璃產(chǎn)生振動(dòng)后所測(cè)得的信號(hào)與揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的對(duì)比.從圖6可知探測(cè)到的信號(hào)和原始信號(hào)圖形基本一致，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)玻璃振動(dòng)的解調(diào).

圖4 探測(cè)電路圖

圖5 幅頻響應(yīng)曲線

圖6 原始信號(hào)和探測(cè)到的信號(hào)圖形

除了巴特沃斯帶通濾波去除噪聲外，還利用計(jì)算機(jī)做進(jìn)一步的數(shù)字濾波處理.在數(shù)字濾波處理中，由于探測(cè)到的信號(hào)噪聲較大，在設(shè)計(jì)中采用Matlab的audio weighting filter對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理.處理模仿人耳的特性對(duì)不同頻率的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)濾波，這樣可有效地衰減噪聲信號(hào)，從而提高語音的識(shí)別度，達(dá)到濾波的目的.圖7和圖8反映了audio weighting filter的頻譜響應(yīng)及在濾波前后的對(duì)比.

圖7 audio weighting filter的頻譜響應(yīng)

圖8 audio weighting filter的濾波前后對(duì)比

4 結(jié) 論

采用頻率響應(yīng)快和電流響應(yīng)線性度好的硅光電池作為探測(cè)器檢測(cè)光斑的振動(dòng)情況，在對(duì)準(zhǔn)光斑時(shí)利用減速電機(jī)轉(zhuǎn)速慢的特點(diǎn)使光斑移動(dòng)保持緩慢變化，精確地調(diào)節(jié)光斑的走向，同時(shí)遙控器的調(diào)節(jié)可避免手動(dòng)調(diào)節(jié)的干擾；在光電池的前置放大中，利用AD8065降低了噪聲；采用帶通濾波器將頻率為200～3 500Hz的有用語音頻段信號(hào)過濾，排除了干擾頻段信號(hào)；利用硬件巴特沃斯帶通濾波器和Matlab中的audio weighting filter進(jìn)行濾波，在很大程度上提高了語音信號(hào)的清晰度.

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