基於OPT101的雷射監聽儀設計

摘要：在目標房間外一定距離，利用一束雷射照射目標房間玻璃，反射回來的雷射束被由於聲壓引起的玻璃振動信號調製。利用光電傳感器接收反射回來的雷射束並將其轉化為電信號。利用電路對獲取的信號進行濾波、放大處理，同時使用音頻處理軟體Adobe Audition濾波配合硬體濾波再次優化還原信號，從而實現對目標的監聽。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201610/307175.htm

監聽是獲取情報以及刑事偵緝破案的一種重要手段。傳統的竊聽方式都需要進行實地安裝，這樣不僅操作不方便而且一旦被發現就會留下竊聽證據。和傳統的監聽技術相比，雷射監聽不需要在監聽對象所在房間內安裝監聽裝置，就可以實現監聽。同時，雷射監聽器發射的是人眼極難察覺的紅外雷射，它不僅在白天可以使用，在夜間也同樣可以使用。尤其是在刑事偵查中，雷射監聽儀可以得到廣泛的應用。

在國內，雷射監聽技術的理論方案主要有兩種：1)幹涉式雷射監聽。玻璃振動產生的光程差導致參考光和監聽光幹涉的條紋發生變化，通過接收幹涉條紋變化的信號可獲得玻璃振動信號。2)反射式雷射監聽。將一束雷射射到玻璃上，通過接收反射光束光強變化的信號可獲得玻璃振動信號。

幹涉式雷射監聽在實際操作中，必須找到垂直於目標房間玻璃的位置放置實驗裝置，其次雷射也必須垂直射到玻璃上，實現起來有一定的困難。考慮到理論依據和實際操作，文中採用反射式雷射監聽的方法，同時加入Audition軟體濾波，對雷射監聽儀的實現與優化加以討論。

1 原理

用一束雷射發射到目標所在的房間的玻璃上，當房間裡有人講話時，由於聲壓的變化會引起玻璃的微小振動，從而引起反射回來的雷射光斑位置變化，由於雷射的光斑的光強不是均勻的分布的，導致接收器接收的光強發生變化，接收器將光強的變化轉換成電信號的變化，再經過放大器放大並去除噪聲，通過揚聲器還原成聲音，從而實現監聽。

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)，由光學推導得關係式Z(t)=KF(t)，X(t)=2Z(t)sinθ。

2 實驗裝置

雷射監聽儀主要由發射裝置和接收裝置組成，同時Audition軟體濾波配合硬體濾波進一步優化還原聲音，下面分別對發射裝置、接收裝置、聲音的優化與還原進行討論：

2.1 發射裝置

發射裝置主要包括雷射器和給其供電的穩壓電源。

為使接收裝置中光電探測器的效果最優，雷射器選擇650 nm，5 mW的半導體連續雷射器。

發射裝置最主要的任務就是將入射光束打到玻璃上同時保持入射光束方向不變，獲得穩定的雷射束將直接影響監聽儀的性能。目前，許多關於雷射監聽儀的方案通開關電池給脈衝雷射器供電獲取雷射束，這樣獲得的雷射束並不穩定，導致了監聽距離較短，調製出的聲音信號中有較多噪音。為了克服這一缺陷，在該裝置中採用穩壓電源給連續雷射器供電，這樣連續雷射器經過穩頻可以得到穩定的很窄的線寬，即得到穩定的雷射束，提高信噪比。

2.2 接收裝置

接收裝置主要包括光電探測器和濾波放大電路。

光電探測器用於檢測接收到的光強的微弱變化，在該裝置中選擇對光敏感的矽光電探測器opt101。其基本應用電路如圖2所示。如圖3所示，由其輸出特性可知，在650～900 nm處輸出電壓較大。在該發射裝置中的雷射器採用的是650 nm，5 mW的半導體連續雷射器。

人的聲音頻率範圍為300～3400 Hz，需要使用帶通濾波電路將其餘頻率範圍的聲音濾掉。opa177是一種精密放大器，利用兩個opa177製作一個二階巴特沃思濾波器如圖4所示，該電路通常在1.5倍增益下工作，在人的聲音頻率範圍內，其線性非常好。

由於opt101輸出的信號較小，需要對其進行功率放大，在該裝置中選擇完整的單片儀表放大器AD620使用一隻外部電阻器可以設置從1到1 000任何要求的增益。

雷射反射光束呈一個光斑覆蓋在opt101表面，opt101將接收的光強變化轉換為電信號，電信號經濾波放大電路處理後，通過帶通濾波濾除背景光與高頻噪音，通過運放與功放單元實現信號放大，然後傳送至電腦由電腦音效卡進行採集。

2.3 聲音的優化與還原

Adobe Audition CS6是一款功能強大的信號處理軟體，有多種濾波器可以對音頻信號進行濾波，提供多種降噪和修複音頻的方法，能給比較清晰的還原出聲音信號，這樣可以減少硬體電路，既可以讓整個電路更加穩定，又可以節約成本。

3 實驗結果及分析

用這套裝置系統在一個18 mxl0 m的房間內進行了測試，採用半導體連續雷射器輸出的650 nm的紅光(紅光是可見光，在調整光路時非常方便，但在實際應用中並不可取)，在房間外放置一個播放器。實驗中採用控制變量法，就單一的影響因素進行測量，控制其他變量在最佳效果。

3.1 外界白光對實驗的影響

外界白光對接收到的信號幾乎沒有影響。因為環境的亮度在一段時間內可以看作是不變的，opt101採集的是光強的變化量。

3.2 光斑面積對實驗的影響

雷射器發射的雷射束是高斯光速，其反射光束的傳輸矩陣依然是高斯函數，其光斑上能量密度分布如圖5所示。

改變光斑面積的大小(即改變光斑的能量密度分布)，使其分別為opt101矽片面積的不同倍數，實驗結果見表1。

可以發現，光斑的面積比opt101矽片面積略大時，效果最好。反射光的能量並不是越集中越好，能量太過集中會導致光強過大，產生很大的噪聲;但也不能太弱，否則opt101會檢測不到光強信號。

3.3 角度對實驗的影響

當反射光不垂直opt101的矽片時，入射角對測試效果幾乎沒影響。因為在不同的入射角下，若反射光對矽片的夾角不變，則opt101接收到的光強信號的變化是幾乎不變的。

改變反射光對矽片的入射角，實驗結果見表2。

可以發現，當反射光對矽片的入射角不變時，雷射束對玻璃的入射角對測試效果幾乎沒影響;反射光對矽片的入射角越大，接收到的效果越好。

3.4 環境中的其他振動對實驗的影響

環境中的其他振動，如開門、腳步聲，會對接收到信號產生一個瞬時影響，這些瞬時影響產生的噪聲可以用Audition去除。風聲或者雨滴引起的玻璃持續而輕微的振動，會引入較大的噪聲，這種噪聲通過在Audition中進行波形對比，找出其頻率，讓其增益變小，不能完全去除，但不會影響監聽的效果。

4 結束語

雷射監聽儀具有良好的應用前景，相比於傳統的監聽設備有很多優點：第一，不需要實地安裝，安全性更高。第二，軟體濾波使得監聽效果更好。但是要想實現好的監聽效果，雷射監聽儀還有許多地方需要繼續研究改進。目前，雷射監聽存在的主要問題是監聽距離有限，監聽的位置受限。這些都是雷射監聽技術進一步發展的方向。雖然雷射監聽存在這些問題，但是其可以作為一種輔助監聽手段，可以彌補傳統監聽器需要實地安裝這一缺點，在打擊犯罪方面有較大的潛力。