運用半導體激光器進行監聽以及音源定位的研究＊

潘麗娜，莊紫云，王 戈，張學典

（1.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2.同濟大學 第一附屬中學，上海 200438）

引 言

竊聽技術由于其重要的應用意義，一直沒有停止過發展。如今監聽技術已經廣泛使用在戰爭情報獲取、偵破案件等重要領域。如戰爭中，為得知敵方相互之間聯絡的內容，常把電線接在敵方通訊線路上進行竊聽，以掌握戰爭之主動權。現在的案件偵破中，安全人員把微型無線話筒放在嫌疑人經常出沒的地方，監聽他們談話內容，掌握確鑿的證據。監聽要求相當隱蔽，不易被發現，所以需要采用各種巧妙的方法與技術。其中激光監聽由于其不易被發現，不用安裝等優點，發展逐步成熟，并走向應用。

采用激光技術進行監聽，可以聽到戒備森嚴，人無法接近的房間內的聲音信息。激光竊聽具有監聽距離長，不易被發現，無需提前安裝設備等優點。

目前普遍的激光監聽實驗是采用一個有玻璃（鏡子）窗的木箱（模擬房屋），在箱內放一部收錄機，當收錄機放音時，聲波使木箱上的玻璃產生振動，經玻璃反射的激光束光斑也隨之發生振動，即反射的激光光束就帶有了收錄機的聲波信息。當振動的光斑照射在硅光電池上時，光點面積也就發生了相應變化，經光電轉換可以得到聲音信號［1］。但這僅僅停留在實驗階段，尚未得到真正的應用。

文中通過分析激光監聽技術的基本原理，提出實地進行長距離監聽的方法和對聲源進行定位的算法，并探索如何獲得更好的監聽效果的方法。

1 基本原理與實驗裝置

1.1 基本原理

系統的原理框圖如圖1所示，由激光器以一定的角度發射兩束激光打在監聽目標所在的房間兩扇窗戶玻璃上，在各自反射角方向接收調制過的激光信號，光信號通過光電轉換，得到微弱的電流信號，再對信號進行電流轉電壓、濾波以及放大處理，還原為清晰的音頻信號。

對接收到的兩個音頻信號進行最大相關性擬合計算，可以獲得音頻所在的位置。

1.1.1 聲音振動信號至光電流信號的轉換

理論上，聲音是由物體振動產生，以聲波的形式傳播［2］。室內傳播的聲波遇到玻璃使其產生微小機械振動，從而使反射光斑做線性振動。如圖2（a）所示，L 為系統到玻璃的距離（10～15m），X 為從接收屏到光源的距離，設原始的聲音信號為S（t），玻璃面振動Z（t），光斑振動L（t），最后電信號為E（t），可以根據相似三角關系得出：

圖2 基本原理示意圖Fig.2 Basic principle diagram

由于玻璃的振動與聲音信號呈線性關系，有：

其中，系數a與傳輸距離、空氣環境、玻璃的材質等相關。

根據光的反射定律，θ為入射角，假設接收器是垂直于反射方向，則光斑在硅光電池邊沿的位移L（t）為：

由于入射角在整個過程中是不變的，因此也屬于線性關系，設比例系數為b，有：

硅光電池接收到的光斑面積因光路偏移而發生變化。假設光斑分布均勻，光斑面積的瞬時變化為ΔA，有：

設輸出電流的交流部分為ΔI，有：

式（5）、式（6）中，c、d 為比例系數，因此最終的電流信號為：

綜上所述：最后得到的電流信號與原始聲音信號呈線性關系，實際情況經過試驗也證明了其線性關系。整個系統完成了聲音信號—玻璃振動—光信號—微弱的電信號—放大—還原成聲音。

1.1.2 聲源定位

基于時延估計的聲源定位方法是近幾年發展起來的一種傳聲器陣列聲源定位方法［3］。聲源定位技術是通過聲學傳感裝置接收聲波將其轉化為電信號再利用該電信號進行分析處理，從而實現對聲源位置進行探測識別并對目標進行定位及跟蹤的一門技術。聲源定位的方法中基于到達時差（time difference of arrivals，TDOA）的源定位方法的計算量一般比較小，有利于實時處理。這類方法可以適用于像語音這樣的非平穩寬帶信源，在只有單個信源時能較好地工作，定位的精度與的估計精度有關［4］。

TDOA 研究的核心是時延估計分析。時延估計分析的方法有很多，而利用比較廣泛的是廣義互相關法。由于本系統主要應用在室內場所，其噪音空間相對平穩以及混響相對較小，故采用運算量較小的廣義互相關（generalized cross correlation，GCC）方法［3］來對第一步的時延進行估計分析。

模型如圖3所示，在室內的特定地點擺放聲源，聲源距離窗戶的距離L0是固定的。分別用兩個相同的激光發射系統以同樣的方向分別發射兩束激光至玻璃窗戶上，在各自的反射角方向放置相同的監聽接收裝置。聲源距離激光達到玻璃的兩個靶點分別為R1、R2，兩個靶點相距L3。當獲取到兩個靶點返回來的聲音信號，并對其進行濾波放大處理以后，利用聲源定位算法求出聲源距離兩個靶點的水平距離L1，L2。

相關分析是比較兩個信號時間域相似程度的基本方法。假設兩個接收裝置接收信號的離散事件信號模型為：

圖3 系統裝置構成圖Fig.3 System device constitution diagram

其中Sn（n－tn）為聲音信號，Nn（t）為噪聲信號。Sn（n－tn）和Nn（t）是互不相關的，Nn（t）之間也是互不相關的。t1和t2是聲波從聲源處發出到監聽裝置接收到信號的時間，則t12＝t1－t2就是兩個接收端接收到信號的時延。

X1（n）和X2（n）的相關函數R12可以表示為：

將式（8）和式（9）代入式（10），得：

由于Sn（n－tn）和Nn（t）之間互不相關，用RS表示S1（n－t1）、S2（n－t－t2）的相關函數，所以上式可得：

由自相關函數的性質可知，當t－（t1－t2）＝0時，R12達到最大值［5］。

由式（12）可以獲得時間差t1－t2，由時間的延遲，已知系統到玻璃的距離L（10～15m），假設此時室內的聲音傳播速度約為380m／s，則可以算出聲源的位置。

1.2 實驗裝置

基于上述實驗要求，該系統主要包括兩部分：發射裝置和接收裝置。使用到的實驗裝置有：普通家用有源音箱、功率為5mW 波長為650nm 的紅光激光發射器、硅光電池、自制遮光圓筒、三腳架、微弱電信號放大電路、電烙鐵、雙面膠等。

1.2.1 發射裝置系統

發射裝置如圖4（a）所示。發射系統由電源、半導體激光器以及設計的光路組成。電源采用便攜式電池，發射器選取的是650nm 半導體激光器，原因是激光單色性好、相干性好、方向性好、有很好的大氣傳輸特性，并且成本低，可見光便于光路調整。

圖4 系統裝置圖Fig.4 System devices

1.2.2 接收裝置

接收裝置如圖4（b）所示，由光學聚焦鏡、硅光電池、濾光片組成。濾光片可以消除不同環境下日光的干擾，避免傳感器的飽和。凸透鏡將光線聚焦至焦點后，使光斑作用在硅光電池上，提高接收系統的信噪比。

1.2.3 信號處理部分

由于硅光電池輸出的是電流信號，并且交流部分較小，而帶有較大的直流成分，因此必須采用電流轉電壓電路和放大電路，對微弱的交流信號進行放大，同時抑制直流成分。圖5（a）為信號處理步驟的框圖。圖5（b）所示的是電流轉換電壓電路，其中Ii1所示的是由硅光電池輸出的是電流信號，Uo1為轉換后輸出的微弱電壓信號。

放大電路的要求如下：高增益、低噪聲；高精度、高共模抑制比；大輸入阻抗、低輸出阻抗；足夠的帶寬和負載能力；線性度高、漂移小。為達到以上要求，選用AD620來構建放大電路。

AD620為儀用放大器，具有良好的、穩定的性能。從芯片特性可以看出，該芯片具有較寬的供電電壓范圍，較低的噪聲，足夠的帶寬（120kHz），滿足使用需求。AD620的放大倍數G 通過外接反饋電阻RG決定，RG單位為kΩ。可以通過以下公式計算：

圖5 信號處理部分Fig.5 Signal processing part

AD620采用單端輸入，電路圖如圖6（a）所示。在輸入端前加一個電容C1，一方面起隔直流作用，另一方面限制放大器的帶寬，防止高頻的電磁波噪聲經放大器放大。反饋電阻（R2）采用可變電阻，這樣在調試時可以方便調整放大倍數。

選擇741運放芯片來構建有源濾波電路。由于濾波器的帶寬較窄，且對濾波平坦性要求不高，因此可以采用單片741來構建帶通濾波電路。該電路參考了文獻［6］中的電路。中心頻率為1kHz，3dB頻帶約為0.2～4kHz，覆蓋了人聲的音頻范圍。電路原理圖如圖6（b）所示。

2 實驗結果與分析

2.1 實驗結果

圖7 所示的是音頻采集與聲源定位軟件。該軟件具有除噪、濾波、錄制、播放、音頻定位等功能。音頻采集與聲源定位軟件在接收完信號以后，通過調用MATLAB軟件對信號進行數字濾波并放大。現場實驗也得到了應有的效果。

經過長時間的重復實驗和改進，得到了較多比較理想的實驗樣本。軟件濾波效果如圖8所示，其中圖8（a）所示的是未經過處理的音頻樣本，帶有較大的環境背景噪聲，內容為一位中年女性依次朗讀阿拉伯數字1～10，其中時間間隔為1.5s。圖8（b）是對圖8（a）中的音頻波進行濾波除噪，獲得的音頻波形，可見濾波除噪效果顯著。

圖7 軟件界面Fig.7 Software interface

圖8 軟件濾波效果Fig.8 Software filtering effect

音頻采集與聲源定位軟件所錄制的音頻是兩個聲道的音頻，得到兩組相似并且存在時延的音頻信號后，利用GCC做相關性分析。圖9（a）是采集到的兩個聲道的音頻樣本，上圖是左聲道，下圖是右聲道，兩個波形有細微的時間延時。通過GCC相關性分析可以得到如圖9（b）所示相關性分析圖，結合圖3所示的模型，可以計算出這個微小的時間延時［7］。

圖9 利用GCC對音頻定位Fig.9 Audio positioning using GCC

2.2 干擾因素分析

實驗結果表明，有一些不可避免的干擾因素會影響監聽和定位結果，造成監聽音質有損和定位精確度下降，歸類為以下幾點：

（1）玻璃表面的潔凈程度，潔凈程度越高，反射光光強度越大，監聽效果就越好；

（2）空氣中的粉塵等顆粒物，會對光波進行阻擋導致失真，引起多雜音；

（3）外界環境光的干擾，可以通過單色濾光片和遮光罩來減小其對音頻的質量影響；

（4）距離不可過大，因為距離增大，光路變長，使接收器接收的光斑變大，從而導致接收器靈敏度降低。雖然激光的方向性較好，但普通激光器的光束在較長距離上仍然會形成較寬的激光光束，在玻璃上形成彌散斑；

（5）風力的干擾作用會使玻璃產生輕微的振動，這會給監聽的聲音引入比較大的噪音，從而影響監聽效果。

3 結 論

通過理論分析和實驗仿真，實現了激光監聽并且定位的功能。在室內聲源音量為40～90dB的范圍內，可以得到清晰的監聽音質和定位效果。利用激光進行監聽，要實現好的監聽效果，仍然有許多地方需要繼續研究和改進。為了保證監聽的隱蔽性，可以改用紅外光，同時更改相應的光電探測器。因為紅外光是不可見光，在調光路的時候，可以帶上耳機尋求最好效果點輔助調光路。另外，對其光路要求嚴格，如不能快而準地接收到反射光，就不能達到監聽目的。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，這樣很大程度上縮減準備時間，達到更快更好監聽的目的。

［1］ 戴 瑋，沈建華.激光監聽實驗的開設與研究［J］.大學物理實驗，2009（4）：44－47.

［2］ MORSE P M.振動與聲［M］.南京大學翻譯組，譯.北京：科學出版社，1974.

［3］ 龔文汀.時延估計技術［J］.艦船科學技術，1990（4）：21－33.

［4］ 林福嚴，王 力，偉雷冀.聲源定位中聲音到達各陣元時延估計的虛擬儀器實現［J］.信息化縱橫，2009，28（13）：34－36.

［5］ 嚴素清，黃 冰.基于廣義互相關的時延估計算法研究［J］.信息技術，2005（12）：26－28.

［6］ 趙官華，唐 芳.激光監聽演示實驗儀器的制作［J］.物理與工程，2010，20（3）：62－64.

［7］ 潘 岳，王 健.雙馬赫—曾德爾型干涉儀定位技術研究［J］.光學儀器，2012，34（3）：54－59.