MatLab仿真分析在激光監聽技術研究中的應用

陳思如

摘 要：基于激光監聽技術的原理，利用MatLab仿真軟件進行激光監聽技術研究，分析了光束入射角與光斑移動距離關系以及激光光斑在探測器上的位置對于探測靈敏度的影響，得到在探測器距光斑中心為光束半徑一半時，光強變化量最大，監聽聲音最清晰。通過實驗也驗證了相關分析。

關鍵詞：激光監聽；MatLab；仿真

The Application of MatLab Simulation Analysis

in the Research of Laser Monitoring Technology

Chen Siru

Beijing Dongzhimen middle school Beijing 100007

Abstract： In accordance with the theory of laser monitoring technology， the relationship between incidence angle of laser beam and light spot moving distance as well as the effect of laser spots location on the detector on detection sensitivity were analyzed using MatLab simulation software to research LMT. It was found that variation of light intensity was maximum and monitoring voice was clearest when the distance between detector and light spot was equal to half of beam radius. The relevant analysis results were also verified by experiment.

Key words： Laser monitor； MatLab； simulation

1 緒論

監聽的形式有很多種，從最初把線圈接在某通訊線路上的監聽，到現在全球的無線手機監聽系統，技術的發展經歷了漫長的過程。如今，監聽技術的使用已經相當普遍，監聽的手段種類繁多，電子竊聽的使用較為普遍。但從技術角度看，無線發射和接收技術極容易受到干擾，也易被敵方偵測到；從實施的角度來看，該監聽方法存在著很大的難度和風險。一種非接觸的、不留任何痕跡的監聽技術——激光監聽技術一度受到各方的重視。采用激光技術進行監聽，不僅可以聽到戒備森嚴的房間內的聲音信息，而且，激光監聽的設備可以放置在很遠之外，不易被發現。

通過學習激光監聽的基本原理，以及對實驗裝置的動手制作和調試，能更好地掌握激光作為信息傳輸載體的實現過程。因此適合作為學生綜合實踐實驗的內容。激光監聽實驗不僅可以作為大學實驗室建設和實驗教學的重要組成部分，也可以作為中學生的演示實驗，激發學生的對于科學的興趣。北京航空航天大學、中國科學技術大學等院校均開展了相關教學實驗的研究。本文在研究激光監聽實驗的過程中，應用MatLab軟件仿真了激光光斑打在探測器上的情形，為試驗研究提供了有效的理論指導。

2 激光監聽基本原理

激光監聽過程中，使用一束肉眼不可見的紅外激光發射到被監聽房間的玻璃窗上，由于聲波引起玻璃窗的微小振動，從而引起反射回來的激光光點位置發生變化；用光電探測器接收反射后的激光信號，并轉換成電信號，再經過放大器放大并去除噪聲，通過揚聲器還原成聲音。整個過程可簡單地看成： 聲音信號轉化成光信號，再轉化成微弱的電信號，然后放大降噪，最后還原成聲音。

實驗光路通常采用反射式光路。如圖1所示。聲波作用在玻璃表面產生聲壓，導致玻璃表面做受迫振動， 振動幅度與聲壓成正比。此處可近似認為激光入射點處周圍較小區域內玻璃表面沿著與其垂直方向有微小位移.激光射到玻璃表面，發生反射。調整接收端，使激光束的邊沿對準光電探測器的窗口，使窗口部分被光照射， 反射光會因玻璃振動而偏離原來的位置， 射入光電探測器的光斑面積也同時發生變化，這樣就實現了聲音信號對激光的調制。 光電探測器輸出的電信號也會發生相應變化，通過電路處理，得到還原的聲音信號。

3 仿真分析

本文采用MatLab仿真分析軟件，對光束入射角與光斑移動距離關系以及激光光斑在探測器上的位置對于探測靈敏度的影響進行分析。

3.1 入射角與光斑移動距離關系

見圖1，已知Z（t）與聲振動F（t）符合正比例關系：

Zt=aF（t）

由光的反射定律可知，光束入射角等于反射角。設入射角為i。根據幾何關系可推得

xt=2Z（t）sini

因為sin值在0到90度中是單調遞增的。可知，玻璃振動幅度相同時，入射角越大，光斑位置移動的越大。

設Z（t）=1um，用MatLab仿真x（t）與入射角i的關系，結果如圖2所示。

3.2 高斯光束仿真

激光束出射高斯光束，高斯光束的特點為：

（1）高斯光束光強最高處為光束中心點，無窮遠處光強接近于0。

（2）橫截面的振幅分布遵守高斯函數。

高斯光場其分布曲線符合正態分布

使用MatLab仿真的像素為601*601像素高斯光束光場分布，見圖3。仿真中各參數為如下設定，μ設定為 301，σ設定為1。

光斑半徑（也稱束腰半徑），是指在高斯光束的橫截面考察，以最大振幅處為原點，振幅下降到原點處的0.36788倍，即1/e倍的地方。由于高斯光束關于原點對稱，所以1/e的地方形成一個圓，該圓的半徑，就是光斑在此橫截面的半徑；如果取束腰處的橫截面來考察，此時的半徑，即是光斑半徑。根據計算，此高斯光束光斑半徑為202。

3.3 光斑在探測器上的位置與探測靈敏度的關系

光斑中心與探測器的相對位置會影響監聽的靈敏度，因此用MatLab軟件進行仿真分析。圖4為在像素為601×601的模擬高斯光束下，用大小為3×3的探測器測量在各處移動相同距離所得的光強變化量，既反映了探測靈敏度。仿真中用探測器的移動對應光斑的移動，探測器沿水平方向移動，移動量設置為1個像素。圖中變化量最大的區域為（279，395）到（303，403）。由圖可知，并不是在光強越強的情況下， 光強變化量越大。即探測器放在光斑中心反而不易探測到振動引起的光強變化。

通過變換探測器大小，得到光強變化量最大時探測器坐在的橫縱坐標數值，關系如圖5。

另外，計算光強變化量最大時橫縱坐標占比，如表1所示。可見，盡管探測器尺寸不同，光強變化量最大時，也就是最靈敏時，對應的探測器位置是相對固定的。

通過仿真分析及實驗數據顯示，光強變化量最大（即監聽聲音最清晰，實驗效果最好）時，探測器中心距光斑中心的距離大多為101，為光斑半徑的一半。

探測器尺寸超過200*200后，數據出現明顯異常，因此仿真結果對探測器大小的選擇具有一定參考價值。

4 實驗驗證

通過實驗進行驗證，將激光反射的光斑分別打在探測器中心和邊緣位置，用示波器觀察探測器輸出信號隨聲音的變化情況。如圖6所示，可見激光光斑在探測器中心時，探測不敏感，在邊緣處時探測更加敏感。

5 總結

通過仿真分析研究了激光監聽實驗中探測器位置對實驗效果的影響，得到了在探測器距光斑中心為光束半徑一半時，光強變化量最大，監聽聲音最清晰，實驗效果最好。這些結論可以用于激光監聽實驗裝置的設計和搭建過程，大大提高實驗效果及成功率，為激光監聽實驗走進課堂打下基礎。

6 致謝

感謝北京市青少年科學創新學院所舉辦的“翱翔計劃”活動。感謝北京航空航天大學劉惠蘭老師。感謝基地校北京市東直門中學，感謝生源校北京市東直門中學以及生源校指導教師王術老師。

參考文獻：

[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）：4447.

[2]甯青松，馬小龍，楊振.激光竊聽實驗探究[J].物理實驗，2009，29（12）：3841.

[3]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）：6244.

[4] 夏長超，曹文，張利巍. 基于光電三極管的激光監聽實驗的研究[J].科技論壇，47.