利用激光反射法探测微小振动

唐丽红，赖永宽，卢杰发，周庆红，陈俊学，毛祥庆

（西南科技大学a.理学院；b.信息工程学院，四川 绵阳621010）

1 引 言

激光监听技术是一种非接触的、不留任何痕迹的技术，但距离真正应用到现实中还有很长的路要走，阻碍技术最大的难题就是激光反射光斑的对准和噪声的处理.针对这些特点，很多学者利用猫眼效应来实现，猫眼效应的物理模型一般可以等效简化为1个单透镜和1个反射面组合的光学系统［1-2］，此系统的光学窗口对入射光有很强的按原光路后向反射特性［3］，能对窃听目标进行快速发现和准确定位及利用它较高强度的回光信号实现窃听［4］.但在实际监听中很难找到猫眼效应的对象，故在本设计中采用遥控器控制电机微调的方式调节激光器，这样可避免手动调节带来的触碰干扰.

在噪声处理方面，一般研究经常采用硬件滤波和自适应滤波［5-6］2种方法，然而硬件滤波成本高，而且自适应滤波需探测周围环境中的噪声才能进行准确可靠的滤波，但在激光窃听的场合，要探测玻璃周围环境的噪声显得无能为力，故在本设计中，采用Matlab中的audio weighting filter进行滤波，此滤波器是模仿人耳的特性设计的一款语音加权滤波器，可有效地降低语音噪声并提高语音的识别度.

2 探测原理

声波在空气中传播时会在玻璃表面产生声压，而玻璃的振动和直接作用在玻璃上的局部声压成正比［3，7］，故当声源有声音发出时玻璃表面将发生偏转.因玻璃面的偏转使激光在入射方向不变的情况下，入射角得到变化.如图1所示，图中i和θ分别表示玻璃振动前的入射角及玻璃振动后的倾斜角，L表示探测器距玻璃表面的垂直距离，D和B分别表示光束在玻璃振动前后反射到探测器上的光斑位置，DF和DE分别表示玻璃面振动前后距探测器的垂直距离.

图1 探测原理图

当扬声器有声音发出时，玻璃反射到探测器上的光斑会随玻璃表面的微小形变而发生变化，用A表示玻璃振幅，ω表示在时间t时振动的角频率，则玻璃振动的表达式为y＝Asinωt，由三角关系知

从而可得光斑到探测器之间的距离为

因θ值很小，故i≫2θ，从而光斑振动幅度BD随θ的增大而增大，故可用探测器接收到的光强变化来探测玻璃由于声波产生的振动.

在信号采集中，利用硅光电池频率响应快和电流响应线性度好［8］的优点对激光器反射回来的光斑进行探测，经过IV转换电路，将光电池的电流信号转换为电压信号，然后经放大器放大，再经过巴特沃斯带通滤波器选择出200～3 500Hz的语音信号，最后通过阻抗匹配输出，经声卡传入计算机.其电路设计如图2所示.

图2 信息采集电路设计图

3 设计过程

3.1 光斑对准调节

光斑对准调节原理如图3所示.设计选用电压为5V、转速为0.2r／min的电机配合遥控（8路智能）微调直流电机调节激光器的转动方向，利用电机转速慢的特点使光斑移动保持在缓慢变化的范围内，这样便能精确地调节光斑的走向，实现连续调节.同时遥控器的调节可以避免人为手动调节的干扰，明显提高了调节精度及光路的搭建速度.

图3 光斑对准调节原理图

3.2 探测电路及滤波

在探测中，为使激光光斑的发散速度较小，设计选取发散角为0.3mrad、功率为5mW和波长为650nm的激光器.同时为使线性变换较好，实验选用硅光电池作为光电传感器，用反馈电阻除以光电池内阻作为放大器参量.在电路中加入二阶巴特沃斯带通滤波器，选择出频率为200～3 500Hz的音频信号；另外因AD8065具有低至1pA的偏置电流，使得在IV转换中能获得较高的信噪比，故选用AD8065作为前置放大.同时为了排除外界对电路的噪声干扰，采用遮光筒来屏蔽电路板.图4和图5分别为探测电路图和幅频响应曲线图，图6为用单一频率的声信号使玻璃产生振动后所测得的信号与扬声器驱动信号的对比.从图6可知探测到的信号和原始信号图形基本一致，成功实现了对玻璃振动的解调.

图4 探测电路图

图5 幅频响应曲线

图6 原始信号和探测到的信号图形

除了巴特沃斯带通滤波去除噪声外，还利用计算机做进一步的数字滤波处理.在数字滤波处理中，由于探测到的信号噪声较大，在设计中采用Matlab的audio weighting filter对信号进行滤波处理.处理模仿人耳的特性对不同频率的信号进行加权滤波，这样可有效地衰减噪声信号，从而提高语音的识别度，达到滤波的目的.图7和图8反映了audio weighting filter的频谱响应及在滤波前后的对比.

图7 audio weighting filter的频谱响应

图8 audio weighting filter的滤波前后对比

4 结 论

采用频率响应快和电流响应线性度好的硅光电池作为探测器检测光斑的振动情况，在对准光斑时利用减速电机转速慢的特点使光斑移动保持缓慢变化，精确地调节光斑的走向，同时遥控器的调节可避免手动调节的干扰；在光电池的前置放大中，利用AD8065降低了噪声；采用带通滤波器将频率为200～3 500Hz的有用语音频段信号过滤，排除了干扰频段信号；利用硬件巴特沃斯带通滤波器和Matlab中的audio weighting filter进行滤波，在很大程度上提高了语音信号的清晰度.

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