干涉式激光視聽(tīng)技術(shù)研究

干涉式激光視聽(tīng)技術(shù)研究

1干涉式激光監(jiān)聽(tīng).主要是利用反射光非現(xiàn)場(chǎng)信息的獲取在當(dāng)今社會(huì)中起著廣泛的作用，尤其是在事件的調(diào)查和軍事信息的獲取方面。獲得遠(yuǎn)程聲音有很多方法。其中，電子竊聽(tīng)器簡(jiǎn)單實(shí)用，但電子竊聽(tīng)器存在許多缺點(diǎn)。例如，需要配置遙控裝置附近的聲音接收器，而不需要配置麥克風(fēng)和其他設(shè)備，以克服電子探測(cè)器的缺點(diǎn)。然而，在使用激光聽(tīng)力裝置時(shí)，當(dāng)反射光接近規(guī)定的路徑時(shí)，激光接收節(jié)點(diǎn)無(wú)法接收聲音信息。在這項(xiàng)工作中，我們使用了干涉式激光監(jiān)聽(tīng)方案，可以很好地克服激光干擾法的缺點(diǎn)，取得良好的監(jiān)聽(tīng)效果。2反射式激光監(jiān)聽(tīng)的信號(hào)原理聲音是一種機(jī)械波,它的傳播伴隨著介質(zhì)振動(dòng),這導(dǎo)致聲源周圍的物體會(huì)隨著聲源一同振動(dòng).將1束激光打到聲源周圍物體的表面上,反射光線的方向和強(qiáng)度會(huì)隨著物體表面的振動(dòng)而發(fā)生改變.接收器測(cè)得的光強(qiáng)信號(hào)反映聲源周圍物質(zhì)表面振動(dòng)的情況.通過(guò)聲音的還原就實(shí)現(xiàn)了對(duì)聲源的竊聽(tīng).圖1是反射式激光竊聽(tīng)的光路圖.將激光入射到有光滑反射面的監(jiān)聽(tīng)物體上,用硅光電池接收鏡面反射光線.接收端將光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)再經(jīng)放大電路放大后輸入計(jì)算機(jī)并輸出音頻信號(hào).輸出信號(hào)的信噪比低,分辨力差.原因是聲源發(fā)出的聲波振幅較小,使得監(jiān)聽(tīng)物體的受迫振動(dòng)振幅很小,導(dǎo)致入射到接收器上的光強(qiáng)變化很小,難以獲得較高的信噪比.3監(jiān)聽(tīng)東西分區(qū)的選擇圖2是干涉式激光竊聽(tīng)的光路圖,激光器:He-Ne激光器,功率大于等于1.6mW,發(fā)散角1.8mrad,波長(zhǎng)632.8nm;接收器:硅光電池,響應(yīng)波長(zhǎng)600～1050nm,上升時(shí)間(光照增強(qiáng)時(shí),電壓上升總上升幅度的10%～90%的時(shí)間)100ns,下降時(shí)間(光照減弱時(shí),電壓下降總下降幅度的10%～90%的時(shí)間)100ns.自激光器發(fā)出的光線經(jīng)透過(guò)率為70%的分束鏡分成2束,其中的一束光經(jīng)物體表面反射作為“監(jiān)聽(tīng)光線”,另一束光線稱為“參考光線”.通過(guò)調(diào)整圖2中2個(gè)偏振片和1/4波片的角度,使參考光與監(jiān)聽(tīng)光的強(qiáng)度近似相同,可以提高信噪比.監(jiān)聽(tīng)物體的振動(dòng)產(chǎn)生的光程差導(dǎo)致2束光干涉的條紋變化.利用硅光電池接收干涉條紋的變化即可得知監(jiān)聽(tīng)物體表面的振動(dòng)情況,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)聲源的監(jiān)聽(tīng).在圖2中,設(shè)從激光器前面的偏振片出射的激光光強(qiáng)為I0的線偏振光,通過(guò)分束鏡(70%透30%反射)分成光強(qiáng)為0.3I0的參考光線和光強(qiáng)為0.7I0的監(jiān)聽(tīng)光線.監(jiān)聽(tīng)光線射到監(jiān)聽(tīng)物體上反射回來(lái),又經(jīng)過(guò)聚焦系統(tǒng)和反射鏡再回到半透半反鏡時(shí)由于物體表面并不是理想鏡面,光強(qiáng)衰減為0.7rI0(其中r為衰減因子),再經(jīng)過(guò)70%透30%反鏡,光強(qiáng)為0.49rI0,光線為橢圓偏振光,最后經(jīng)過(guò)接收器前面的偏振片,光強(qiáng)減為0.245rI0.參考光線經(jīng)過(guò)接收端前面的偏振片最終光強(qiáng)為0.3I0cosθ(其中θ為兩偏振片偏振方向的夾角).從上面的計(jì)算可以看出到達(dá)接收端時(shí),監(jiān)聽(tīng)光線的光強(qiáng)處于參考光線的變化范圍之內(nèi).這樣可以通過(guò)調(diào)節(jié)偏振片的角度來(lái)使得參考光線和監(jiān)聽(tīng)光線的光強(qiáng)很好地匹配.設(shè)聲源產(chǎn)生的聲波傳到監(jiān)聽(tīng)物體上引起監(jiān)聽(tīng)物體表面局部振動(dòng)位移與時(shí)間的函數(shù)為Δl=f(t),則到達(dá)接收端的監(jiān)聽(tīng)光線和參考光線的光程差Δx=2aΔl+x0,其中x0和a都為常量,x0為監(jiān)聽(tīng)物體沒(méi)有振動(dòng)時(shí)監(jiān)聽(tīng)光線和參考光線之間的光程差,a是由光線與監(jiān)聽(tīng)物體夾角決定的系數(shù).假設(shè)2束光線到達(dá)接收器上的光強(qiáng)分別為A2112和A2222,則兩光線相干涉,產(chǎn)生的光強(qiáng)為I=[A1e-iωt+A2e-i(ωt-kΔx)][A1eiωt+A2ei(ωt-kΔx)],(1)得到:I=A2112+A2222+2A1A2coskΔx.(2)當(dāng)A1=A2時(shí)有I=2A12(1+coskΔx)=2A12[1+cosk(2aΔl+x0)],(3)將(3)式泰勒展開(kāi)有:I=2A2112[1+cos2kx0-2a(sin2kx0)Δl+4a2(cos2kx0)Δl2+…].(4)由于監(jiān)聽(tīng)物體振動(dòng)的振幅十分小,所以(4)式可以近似成:I=2A2112(b+cΔl),(5)其中的b和c為常量,則I=2A2112b+2A2112cf(t).(6)可以看出接收器接收到的光強(qiáng)和監(jiān)聽(tīng)物體表面的局部振動(dòng)近似線性相關(guān).當(dāng)然,由于(5)式只是近似成立,如果監(jiān)聽(tīng)物體表面的振幅過(guò)大,會(huì)造成失真.經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,這種失真基本可以忽略.4聲源振動(dòng)時(shí)細(xì)胞的振動(dòng)按照?qǐng)D2搭建光路,聚焦系統(tǒng)由2個(gè)凸透鏡構(gòu)成,使得經(jīng)過(guò)聚焦系統(tǒng)之后,光線變成比較細(xì)的近似平行光.通過(guò)調(diào)整聚焦系統(tǒng)和反射鏡來(lái)調(diào)整監(jiān)聽(tīng)光線的方向,使得監(jiān)聽(tīng)光線在經(jīng)過(guò)分束鏡時(shí)與參考光線基本重合.調(diào)整2個(gè)偏振片使得監(jiān)聽(tīng)光線和參考光線的強(qiáng)度基本相同.這時(shí)若在接收端處放置一屏,便可以觀察到如圖3所示的明暗相間的同心圓環(huán).當(dāng)聲源振動(dòng)時(shí),可以觀察到條紋變模糊.這是因?yàn)樵诼曉窗l(fā)聲時(shí)條紋會(huì)以與聲源相同的頻率振動(dòng),振動(dòng)速度相當(dāng)快,導(dǎo)致條紋看起來(lái)會(huì)變模糊.可以調(diào)整聚焦系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)圓環(huán)之間的間距,使得正中心的圓斑大于接收端探頭的尺寸.實(shí)驗(yàn)中使用硅光電池做監(jiān)聽(tīng)器的探頭,硅光電池的作用是將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化成電流信號(hào).將電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路,輸入計(jì)算機(jī)的采集卡,再根據(jù)硅光電池的光強(qiáng)-電流特性曲線來(lái)編寫程序,還原聲音.信號(hào)還原后能聽(tīng)到十分清晰的聲音.無(wú)論音色、響度還是頻率都能很好地再現(xiàn).5干涉法激光監(jiān)聽(tīng)的可行性圖4和圖5分別為聲源音頻和干涉法接收端的音頻波形圖.從圖4和圖5可以看出,干涉方法得到的波形與聲源的波形有一定的差距.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,由于人的行走、空調(diào)的運(yùn)轉(zhuǎn)等,監(jiān)聽(tīng)物體與激光器和接收端之間的距離一直有不可避免的微小變化,所以導(dǎo)致干涉法測(cè)得的波形有一定的起伏,可以認(rèn)為是背景噪聲.但是背景噪聲的起伏頻率很低,通過(guò)濾波器或者軟件處理可以將這些信號(hào)過(guò)濾.這些周期大、頻率低的背景噪聲處在人類的聽(tīng)覺(jué)范圍外,因此不會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的竊聽(tīng)效果.為了更好地反映實(shí)驗(yàn)結(jié)果,突出干涉法的精確性,將圖4和圖5以及反射法的音頻波形變換為頻域圖,如圖6所示,這樣可以有效地去除背景噪聲的影響.圖7截取了干涉法和聲源聲音在1000～1200Hz范圍內(nèi)的歸一化頻域圖.頻域圖很好地反映出用干涉的方法獲得的聲音相比于用反射法要明顯接近原音頻.干涉法制成的竊聽(tīng)器可以探測(cè)到監(jiān)聽(tīng)物體表面振幅比光波長(zhǎng)小幾個(gè)量級(jí)的振動(dòng),可以監(jiān)聽(tīng)到十分微弱的聲音.干涉法只是利用光程的變化來(lái)進(jìn)行監(jiān)聽(tīng),對(duì)光強(qiáng)并沒(méi)有要求,所以完全可使用監(jiān)聽(tīng)物體表面的漫反射光來(lái)進(jìn)行監(jiān)聽(tīng).這使得竊聽(tīng)過(guò)程對(duì)接收器的位置、激光的方向以及監(jiān)聽(tīng)物質(zhì)的表面不再有苛刻的要求,克服了反射法激光竊聽(tīng)的種種弊端,使竊聽(tīng)器的易用性有了質(zhì)的飛躍.通過(guò)以上分析,可以得到干涉法激光竊聽(tīng)實(shí)現(xiàn)的一些必要條件:監(jiān)聽(tīng)目標(biāo)與監(jiān)聽(tīng)者之間距離小于激光的相干長(zhǎng)度的1/2,監(jiān)聽(tīng)物體與監(jiān)聽(tīng)者之間距離不會(huì)發(fā)生較大變化;激光強(qiáng)度足夠大,使得干涉產(chǎn)生的同心圓環(huán)能被探測(cè)器探測(cè)到.6飄反射干涉法上面的實(shí)驗(yàn)只實(shí)現(xiàn)了鏡面反射干涉法激光竊聽(tīng).雖然這些已經(jīng)顯示了干涉法激光竊聽(tīng)的種種優(yōu)勢(shì),但利用鏡面反射依然會(huì)使光路難以調(diào)整,導(dǎo)致激光竊聽(tīng)實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室之外的環(huán)境難以實(shí)現(xiàn).但由于干涉法的特殊性,完全可以利用漫反射光線來(lái)實(shí)現(xiàn)激光竊聽(tīng),這樣就可以從原理上解決光路難以調(diào)節(jié)的難題.漫反射干涉法激光竊聽(tīng)的解決方案如下:原理與上述實(shí)驗(yàn)相同,只是通過(guò)聚焦系統(tǒng)將監(jiān)聽(tīng)光線和參考光線分別打入2條單模光纖中.光纖干涉儀的2條光纖的末端靠得很近,形成干涉圖樣.用接收器探測(cè)干涉圖樣上一點(diǎn)的光強(qiáng)變化,從而還原聲音,如圖8所示.實(shí)現(xiàn)上述裝置最大的困難在于難以得到足夠大的光強(qiáng).聚焦系統(tǒng)的口徑需要足夠大,使之可以接收到足夠大的光強(qiáng).聚焦系統(tǒng)與光纖的耦合也相當(dāng)重要.7表面微機(jī)械實(shí)驗(yàn)和物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了激