利用激光反射法探測微小振動

唐麗紅，賴永寬，盧杰發，周慶紅，陳俊學，毛祥慶

（西南科技大學a.理學院；b.信息工程學院，四川 綿陽621010）

1 引 言

激光監聽技術是一種非接觸的、不留任何痕跡的技術，但距離真正應用到現實中還有很長的路要走，阻礙技術最大的難題就是激光反射光斑的對準和噪聲的處理.針對這些特點，很多學者利用貓眼效應來實現，貓眼效應的物理模型一般可以等效簡化為1個單透鏡和1個反射面組合的光學系統［1-2］，此系統的光學窗口對入射光有很強的按原光路后向反射特性［3］，能對竊聽目標進行快速發現和準確定位及利用它較高強度的回光信號實現竊聽［4］.但在實際監聽中很難找到貓眼效應的對象，故在本設計中采用遙控器控制電機微調的方式調節激光器，這樣可避免手動調節帶來的觸碰干擾.

在噪聲處理方面，一般研究經常采用硬件濾波和自適應濾波［5-6］2種方法，然而硬件濾波成本高，而且自適應濾波需探測周圍環境中的噪聲才能進行準確可靠的濾波，但在激光竊聽的場合，要探測玻璃周圍環境的噪聲顯得無能為力，故在本設計中，采用Matlab中的audio weighting filter進行濾波，此濾波器是模仿人耳的特性設計的一款語音加權濾波器，可有效地降低語音噪聲并提高語音的識別度.

2 探測原理

聲波在空氣中傳播時會在玻璃表面產生聲壓，而玻璃的振動和直接作用在玻璃上的局部聲壓成正比［3，7］，故當聲源有聲音發出時玻璃表面將發生偏轉.因玻璃面的偏轉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分別表示玻璃振動前的入射角及玻璃振動后的傾斜角，L表示探測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前后反射到探測器上的光斑位置，DF和DE分別表示玻璃面振動前后距探測器的垂直距離.

圖1 探測原理圖

當揚聲器有聲音發出時，玻璃反射到探測器上的光斑會隨玻璃表面的微小形變而發生變化，用A表示玻璃振幅，ω表示在時間t時振動的角頻率，則玻璃振動的表達式為y＝Asinωt，由三角關系知

從而可得光斑到探測器之間的距離為

因θ值很小，故i?2θ，從而光斑振動幅度BD隨θ的增大而增大，故可用探測器接收到的光強變化來探測玻璃由于聲波產生的振動.

在信號采集中，利用硅光電池頻率響應快和電流響應線性度好［8］的優點對激光器反射回來的光斑進行探測，經過IV轉換電路，將光電池的電流信號轉換為電壓信號，然后經放大器放大，再經過巴特沃斯帶通濾波器選擇出200～3 500Hz的語音信號，最后通過阻抗匹配輸出，經聲卡傳入計算機.其電路設計如圖2所示.

圖2 信息采集電路設計圖

3 設計過程

3.1 光斑對準調節

光斑對準調節原理如圖3所示.設計選用電壓為5V、轉速為0.2r／min的電機配合遙控（8路智能）微調直流電機調節激光器的轉動方向，利用電機轉速慢的特點使光斑移動保持在緩慢變化的范圍內，這樣便能精確地調節光斑的走向，實現連續調節.同時遙控器的調節可以避免人為手動調節的干擾，明顯提高了調節精度及光路的搭建速度.

圖3 光斑對準調節原理圖

3.2 探測電路及濾波

在探測中，為使激光光斑的發散速度較小，設計選取發散角為0.3mrad、功率為5mW和波長為650nm的激光器.同時為使線性變換較好，實驗選用硅光電池作為光電傳感器，用反饋電阻除以光電池內阻作為放大器參量.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；另外因AD8065具有低至1pA的偏置電流，使得在IV轉換中能獲得較高的信噪比，故選用AD8065作為前置放大.同時為了排除外界對電路的噪聲干擾，采用遮光筒來屏蔽電路板.圖4和圖5分別為探測電路圖和幅頻響應曲線圖，圖6為用單一頻率的聲信號使玻璃產生振動后所測得的信號與揚聲器驅動信號的對比.從圖6可知探測到的信號和原始信號圖形基本一致，成功實現了對玻璃振動的解調.

圖4 探測電路圖

圖5 幅頻響應曲線

圖6 原始信號和探測到的信號圖形

除了巴特沃斯帶通濾波去除噪聲外，還利用計算機做進一步的數字濾波處理.在數字濾波處理中，由于探測到的信號噪聲較大，在設計中采用Matlab的audio weighting filter對信號進行濾波處理.處理模仿人耳的特性對不同頻率的信號進行加權濾波，這樣可有效地衰減噪聲信號，從而提高語音的識別度，達到濾波的目的.圖7和圖8反映了audio weighting filter的頻譜響應及在濾波前后的對比.

圖7 audio weighting filter的頻譜響應

圖8 audio weighting filter的濾波前后對比

4 結 論

采用頻率響應快和電流響應線性度好的硅光電池作為探測器檢測光斑的振動情況，在對準光斑時利用減速電機轉速慢的特點使光斑移動保持緩慢變化，精確地調節光斑的走向，同時遙控器的調節可避免手動調節的干擾；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過濾，排除了干擾頻段信號；利用硬件巴特沃斯帶通濾波器和Matlab中的audio weighting filter進行濾波，在很大程度上提高了語音信號的清晰度.

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