激光監聽演示實驗儀器的制作

趙官華唐 芳

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

激光監聽演示實驗儀器的制作

趙官華1唐 芳2

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

本文介紹了激光監聽演示實驗儀器的制作.設計出功率放大和帶通濾波相結合的電路,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,經還原后進而實現遠程監聽.論文中涉及實驗儀器制作過程中所遇到的問題和相應解決方法,可供學生在演示實驗中使用.

激光監聽;聲波;振動

1 引言

隨著科技的發展,人們根據聲波的特性,制造了多種多樣的用于監聽的儀器.從早期的“大耳朵”竊聽器、定向麥克風竊聽器、“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.

激光竊聽技術是隨著激光技術的發展和逐步成熟而得到研制和開發的,并在近幾年開始走向應用.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周圍安裝任何設備.本文特對激光竊聽技術的基本原理與實現方法加以討論.

2 原理

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

激光監聽技術的關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),由光學推導得關系式

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,該電信號經放大后驅動揚聲器即可實現監聽的目的.

一個具體的實現裝置如圖2所示,其中木箱的一個側面安裝玻璃(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化為電壓,經隔直、放大、濾波,轉入揚聲器,就能還原聲音.

圖2 監聽裝置圖

3 實驗裝置

選用一個形狀規則、穩定、密封隔音性好的箱子模擬房間,其一側面安裝玻璃(約3mm厚),為得到更好的反射效果,在玻璃上貼有小鏡子,內部安放收音機或小音響等,以充當聲源.

3.1 發射裝置

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

3.2 光電探測器

有些物質受到光照射時,其內部原子釋放電子,且仍留在物體內部,使物體的導電性增加,這種現象稱為內光電效應.根據統計光學理論,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,響應頻率將降低,監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行處理,需要進行預處理,以匹配后置處理器與光電探測器之間的阻抗,使之達到阻抗匹配;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,單級放大倍數不可超過10倍,因此我們用了兩級電壓放大.后來發現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,放大倍數約為6倍.

電路本身也要考慮降噪問題,在焊接時應注意元件及導線的分布,導線盡量短且少交叉.現在的環境電磁干擾很強,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一個大電阻,防止耦合進干擾的電磁波.

4 實驗結果及分析

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°),實驗結果見表1.

表1 接收效果與接收距離、接收光斑的關系

圖5 功放電路

實驗中發現接收距離較小時,光電二極管接收的光強很強,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,因此產生的是無用的直流信號,交流成分很少,監聽不到聲音.在接收距離6m以內(實驗條件限制),我們發現適當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散被放大.但是前提必須配合接收光斑和放大器的調節,否則信號太弱無法還原出聲音信號.

2)改變入射角(固定接收距離6m,接收1/3光斑),實驗結果見表2.

表2 接收效果與入射角的關系

實驗發現隨著入射角度的增大,接收到的信號強度會增大,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節都可得到很好的效果.

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

5 小結

利用激光進行監聽,要實現好的監聽效果,還有許多地方需要繼續研究改進.首先,為保證監聽的隱蔽性,有色光顯然不能實際應用,可以改用紅外光,同時更改相應的光電探測器.其次,此技術光路要求嚴格,不能快而準地接收到反射光,則不能達到監聽目的.可利用“貓眼”效應,實現發射機與接收機的組合,從而方便監聽的選址,并實現自動判斷是否瞄準目標,很大程度上縮減準備時間.本實驗儀可供學生在演示實驗中使用.

[1] 羅海俊,朱曉.激光竊聽技術的研究.激光與光電子學進展,2003,40(12):53～56

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

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

[4] 趙遠,張宇.光電信號檢測原理與技術[M].北京:機械工業出版社,2005

2009-05-25;

2009-09-17)

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