影响激光监听效果的因素研究
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作者:黄磊 李胤玉 林高远 黄涵之 李朝阳
摘 要：通过实验研究了影响激光监听效果的因素，包括激光光斑在硅光电池上的位置、光斑聚焦程度和环境光照强度等。结果发现，监听效果强烈依赖于光斑在硅光电池上的位置，当二分之一光斑面积照射在硅光电池边缘时，效果最好。监听效果与激光的聚焦程度有关，聚焦程度越高，监听效果越好。一定范围内，激光监听效果与外界光照强度基本没有关系。
关键词：激光监听;监听效果;硅光电池
Abstract：Based on the experiments of laser monitor，the effect of several factors on the monitor effect is studied.We considered the position of laser spot on the silicon photocell，the focus degree of laser spot，and the ambient light intensity.The results show that when the laser focus is high and half of the spot area falls on the edge of the silicon photocell the monitoring effect is better.In addition，we found that the monitor effect is independent of the ambient light intensity.
Key words：laser monitoring;monitoring effect;silicon photocell
激光的方向性好，能量集中，在军事上可用于信息监听。激光监听不需要到被监听场所安装窃听装置，也不容易被对方发现，因此受到了各国情报部门的青睐[1]。但效果监听会受到很多因素影响，如何提高监听效果一直是近些年的研究热点。2009年，戴玮等[2]发现监听效果与激光自身的强度、气流和环境光照强度等因素有关。此后，赵官华等[3]制作了激光监听演示实验仪，并在实验中发现，光斑的五分之一落在硅光电池上时，监听效果较好。而最近的研究发现，光斑的二分之一落在硅光电池上时效果最好[4]。这些不一致的结论说明还有其他的因素影响监听的效果，需要对影响激光监听效果的因素作进一步研究。
1 研究方法
（1）实验仪器。实验采用上海实博实业有限公司生产的LCM-1型激光监听演示仪。演示仪由激光光源、模拟房间、硅光电池和接收机组成。另需准备手机一只用于播放歌曲，用于模拟房间内讲话声音。接收机音量用噪音仪测量，环境光照强度用光强仪测量。
（2）监听原理。当前对激光监听原理的解释有很多版本[5-7]，通常认为是声音引起窗户玻璃的轻微振动。监听方把一束激光照射到模拟房间的玻璃上，并用硅光电池接收反射光。如果房间内有人讲话，讲话声会引起玻璃振动，导致反射光来回振动。这个过程中，声音信号先被转换为玻璃的振动信号，再转换为反射光光斑在硅光电池上的振动信号。硅光电池能够把光的能量转化为电流，电流的大小取决于接收到的光能量，即光电流与反射光斑落在硅光电池上的面积有关。随着反射光斑在硅光电池边缘振动，落在硅光电池上的光斑面积不断发生变化，产生的光电流也随之发生变化。在这个过程中，声音信号先转化为硅光电池上光斑面积的变化，再转换为光电流的变化。把光电流送到接收机上，经过放大、降噪等处理，就可以把光电流信号还原成模拟房间的声音信号了。
（3）实验方案。保持实验室安静，将手机通过音频线与激光监听实验仪的模拟房间连接，手机播放的歌曲直接送入模拟房间内。模拟房间与硅光电池间距5米，激光入射角60度。该角度可以使监听达到最好的效果[2]。调整硅光电池的高度和位置，让激光反射光照射在硅光电池边缘。调节激光的聚焦程度，或水平移动硅光电池以改变光斑落在电池上的面积，或改变环境光照强度，并仔细聆听接收机播放的歌曲。如调节过程中接收机产生明显啸叫，则调低接收机音量防止啸叫产生。将噪音仪置于接收机喇叭口，测出接收机音量的大小。在没有啸叫的前提下，监听效果可以用音量表达。音量越大，监听效果越好。为了研究监听效果与激光聚焦程度的关系，保持实验室自然光环境，并始终保持激光光斑的一半落在硅光电池左侧边缘。研究光斑在硅光电池上的位置对监听效果的影响时，保持激光聚焦程度最高和实验室的自然光环境，移动硅光电池让光斑从左侧移至右侧，记录光斑在不同位置时接收机音量的大小。研究监听效果与环境光照强度的关系时，保持激光聚焦程度最高并让光斑的一半落在硅光电池上，并利用窗帘、实验室灯光改变环境光照强度。环境光照强度的大小用光强仪测量。
2 实验结果
（1）监听效果与激光聚焦程度的关系。不同聚焦程度下的反射光斑如图1所示，图中黑色的圆代表硅光电池接收孔，（a）-（d）图光斑面积分别为6×13mm2、6×26mm2、10×52mm2和26×78mm2，其線度分别是接收孔直径的0.5、1、2和3倍。
不同聚焦程度下，将光斑的二分之一投射在硅光电池的边缘，其监听效果如表1所示。
随着激光聚焦程度减低，光斑越来越大，颜色越来越淡，接收机音量变小，听到接收机“嗡嗡”声的次数变多，监听效果越来越差。所以，激光光源聚焦程度越高，光斑面积越小，监听效果越好。
（2）监听效果与光斑位置的关系。在硅光电池接收孔水平中心线上建立坐标轴，测得硅光电池长度为16毫米，光斑水平宽度约6毫米，定义光斑右侧边缘为光斑位置。当光斑从硅光电池左侧进入至移出硅光电池，坐标变化为0～22毫米。如图2所示，接收机产生的音量先增加后减小，当x=11mm，即光斑位于硅光电池中心时音量达到极小值。此后，音量继续经历一个先增加后减小的过程。二个音量极大值位于x=3mm和x=19mm处，分别对应于光斑的右半部分落在硅光电池左侧边缘和光斑左半部分落在硅光电池右侧边缘。结果说明当光斑面积一半落在硅光电池边缘时，监听效果最好。 （3）监听效果与环境光照强度的关系。不同环境光照强度下的接收机的音量如表2所示，光照强度27和41Lux对应于实验室拉上窗帘和拉开窗帘两种情况;171～895Lux对应于实验室不同灯光照射环境。结果发现，环境光照对监听效果影响不大。只是在通过开关调节灯光，实验室光照强度发生突变的瞬间，接收机会发出一声异响。可见，影响激光监听效果的不是环境光的强度，而是光强度的变化。
监听效果与激光聚焦程度、光斑位置和环境光照强度之间的关系，可以用能量的变化强度进行解释。从图2可知，光斑的能量分布是不均匀的。光斑中心的能量密度大，外周能量密度小。当激光聚焦程度高时，能量集中，当光斑的一半照射在硅光电边缘时，因光斑振动导致硅光电池接收的光能变化量是最大的。因此，接收机还原出的声音最响，效果最好。当整个光斑开始进入硅光电池时，光斑的对光能的改变是非常微弱的。当整束光都落在硅光电池上时，硅光电池接收到的光能基本保持不变，接收机就不能还原出房间内的声音。另外，当光斑能量集中时，外界光的影响基本可以忽略不计，因此，在白天也是可以利用激光进行远距离监听的。
3 结论
影响激光监听效果的因素有很多，本文通过实验的方法，主要研究了激光聚集程度、光斑在硅光电池上的位置和环境光照强度等因素对监听效果的影响。结果发现，当激光聚焦程度高，光斑一半落在硅光电池边缘时，监听效果比较好。另外发现，当激光能量集中时，环境光照对监听效果影响非常小，基本可以忽略。
参考文献：
[1]李抒音，曹宏.谁在窃听——形形色色的国际窃听战[M].金城出版社，2002.
[2]戴瑋，沈建华.激光监听实验的开设与研究[J].大学物理实验，2009，22（4）：41-44.
[3]赵官华，唐芳.激光监听演示实验仪器的制作[J].物理与工程，2010，20（3）：62-64.
[4]陈思如.MatLab仿真分析在激光监听技术研究中的应用[J].科技风，2018（16）：12-13.
[5]孙嘉良，张亚星.激光监听器探测室内声场的基本原理[J].烟台大学学报，2017，30（4）：352-354.
[6]母一宁，刘艳阳，李平，姜会林.大气环境下的四象限激光监听方法与试验[J].半导体光电，2014，35（03）：523-526.
[7]夏长超，曹文，张利巍.基于光电三极管的激光监听实验的研究[J].黑龙江科技信息，2012（21）：47.
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