陳思如

摘 要：基于激光監(jiān)聽技術(shù)的原理，利用MatLab仿真軟件進(jìn)行激光監(jiān)聽技術(shù)研究，分析了光束入射角與光斑移動距離關(guān)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(qiáng)變化量最大，監(jiān)聽聲音最清晰。通過實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了相關(guān)分析。

關(guān)鍵詞：激光監(jiān)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(jiān)聽的形式有很多種，從最初把線圈接在某通訊線路上的監(jiān)聽，到現(xiàn)在全球的無線手機(jī)監(jiān)聽系統(tǒng)，技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了漫長的過程。如今，監(jiān)聽技術(shù)的使用已經(jīng)相當(dāng)普遍，監(jiān)聽的手段種類繁多，電子竊聽的使用較為普遍。但從技術(shù)角度看，無線發(fā)射和接收技術(shù)極容易受到干擾，也易被敵方偵測到；從實(shí)施的角度來看，該監(jiān)聽方法存在著很大的難度和風(fēng)險。一種非接觸的、不留任何痕跡的監(jiān)聽技術(shù)——激光監(jiān)聽技術(shù)一度受到各方的重視。采用激光技術(shù)進(jìn)行監(jiān)聽，不僅可以聽到戒備森嚴(yán)的房間內(nèi)的聲音信息，而且，激光監(jiān)聽的設(shè)備可以放置在很遠(yuǎn)之外，不易被發(fā)現(xiàn)。

通過學(xué)習(xí)激光監(jiān)聽的基本原理，以及對實(shí)驗(yàn)裝置的動手制作和調(diào)試，能更好地掌握激光作為信息傳輸載體的實(shí)現(xiàn)過程。因此適合作為學(xué)生綜合實(shí)踐實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。激光監(jiān)聽實(shí)驗(yàn)不僅可以作為大學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要組成部分，也可以作為中學(xué)生的演示實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的對于科學(xué)的興趣。北京航空航天大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等院校均開展了相關(guān)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究。本文在研究激光監(jiān)聽實(shí)驗(yàn)的過程中，應(yīng)用MatLab軟件仿真了激光光斑打在探測器上的情形，為試驗(yàn)研究提供了有效的理論指導(dǎo)。

2 激光監(jiān)聽基本原理

激光監(jiān)聽過程中，使用一束肉眼不可見的紅外激光發(fā)射到被監(jiān)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(diǎn)位置發(fā)生變化；用光電探測器接收反射后的激光信號，并轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過放大器放大并去除噪聲，通過揚(yáng)聲器還原成聲音。整個過程可簡單地看成： 聲音信號轉(zhuǎn)化成光信號，再轉(zhuǎn)化成微弱的電信號，然后放大降噪，最后還原成聲音。

實(shí)驗(yàn)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(chǎn)生聲壓，導(dǎo)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(rèn)為激光入射點(diǎn)處周圍較小區(qū)域內(nèi)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(fā)生反射。調(diào)整接收端，使激光束的邊沿對準(zhǔn)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(fā)生變化，這樣就實(shí)現(xiàn)了聲音信號對激光的調(diào)制。 光電探測器輸出的電信號也會發(fā)生相應(yīng)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(guān)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(jìn)行分析。

3.1 入射角與光斑移動距離關(guān)系

見圖1，已知Z（t）與聲振動F（t）符合正比例關(guān)系：

Zt=aF（t）

由光的反射定律可知，光束入射角等于反射角。設(shè)入射角為i。根據(jù)幾何關(guān)系可推得

xt=2Z（t）sini

因?yàn)閟in值在0到90度中是單調(diào)遞增的?？芍Ａд駝臃认嗤瑫r，入射角越大，光斑位置移動的越大。

設(shè)Z（t）=1um，用MatLab仿真x（t）與入射角i的關(guān)系，結(jié)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(diǎn)為：

（1）高斯光束光強(qiáng)最高處為光束中心點(diǎn)，無窮遠(yuǎn)處光強(qiáng)接近于0。

（2）橫截面的振幅分布遵守高斯函數(shù)。

高斯光場其分布曲線符合正態(tài)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(shù)為如下設(shè)定，μ設(shè)定為 301，σ設(shè)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(diǎn)，振幅下降到原點(diǎn)處的0.36788倍，即1/e倍的地方。由于高斯光束關(guān)于原點(diǎn)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(jù)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(guān)系

光斑中心與探測器的相對位置會影響監(jiān)聽的靈敏度，因此用MatLab軟件進(jìn)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(qiáng)變化量，既反映了探測靈敏度。仿真中用探測器的移動對應(yīng)光斑的移動，探測器沿水平方向移動，移動量設(shè)置為1個像素。圖中變化量最大的區(qū)域?yàn)椋?79，395）到（303，403）。由圖可知，并不是在光強(qiáng)越強(qiáng)的情況下， 光強(qiáng)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(qiáng)變化。

通過變換探測器大小，得到光強(qiáng)變化量最大時探測器坐在的橫縱坐標(biāo)數(shù)值，關(guān)系如圖5。

另外，計算光強(qiáng)變化量最大時橫縱坐標(biāo)占比，如表1所示?？梢姡M管探測器尺寸不同，光強(qiáng)變化量最大時，也就是最靈敏時，對應(yīng)的探測器位置是相對固定的。

通過仿真分析及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，光強(qiáng)變化量最大（即監(jiān)聽聲音最清晰，實(shí)驗(yàn)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(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯異常，因此仿真結(jié)果對探測器大小的選擇具有一定參考價值。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)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(jié)

通過仿真分析研究了激光監(jiān)聽實(shí)驗(yàn)中探測器位置對實(shí)驗(yàn)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(qiáng)變化量最大，監(jiān)聽聲音最清晰，實(shí)驗(yàn)效果最好。這些結(jié)論可以用于激光監(jiān)聽實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計和搭建過程，大大提高實(shí)驗(yàn)效果及成功率，為激光監(jiān)聽實(shí)驗(yàn)走進(jìn)課堂打下基礎(chǔ)。

6 致謝

感謝北京市青少年科學(xué)創(chuàng)新學(xué)院所舉辦的“翱翔計劃”活動。感謝北京航空航天大學(xué)劉惠蘭老師。感謝基地校北京市東直門中學(xué)，感謝生源校北京市東直門中學(xué)以及生源校指導(dǎo)教師王術(shù)老師。

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