1. 引言
随着科学技术的发展，人们根据声波振动的特性，制造出多种多样用于窃听的仪器 [1] [2] 。从早期的“大耳朵”窃听器、定向麦克风窃听器、“鸟枪”窃听器等，到后来的微型话筒窃听器、无线电波窃听器、微波窃听器、电话窃听器以及激光窃听器等。
激光窃听技术是随着激光技术 [3] 的发展和逐步成熟而得到研制和开发的。这种窃听方式集光学设计、机械设计与信号处理于一体，作用距离长，不易受干扰，无需在窃听目标周围安装任何设备，已成为一种新型的窃听手段，将会在军事方面发挥非常重要的作用。红外激光器经过光束准直系统产生一束极细的激光照射在窃听目标周围容易受声压作用产生振动的物体上，其反射光束经光学系统被光电探测器接收，再对接收到的振动信号进行滤波、放大解调还原声音。2009年，北京师范大学的马晓龙、杨振 [4] 采用发射和接收分开的方式，搭建了激光窃听实验，因该窃听需要保持光路固定且周围环境振动小，实验装置搭建困难。2014年广州大学邓荣标 [5] 采用发射接收分离，对实验结果的描述笼统，实验效果不佳。现有激光窃听器多采用硅光电池 [6] ，其频率响应特性并不太适合做这样的实验。导致其搭建时间长 [7] ，工作效率低，不适合长时间监听。为缩短调试时间增加监听时长，设计一款发射接收一体的红外激光窃听器是必要的。
本文设计的激光窃听器采用发射接收一体，以780 nm激光作为光源，光电二极管作为接收器并采用LM833作为滤波电路主元件，CA3140作为放大电路主元件，最终用音箱还原声音。具有成本低、操作简便、方便快捷等特点。
2. 设计方案
激光窃听器的总体设计方案图如图1所示。
如图1所示，发射装置由半导体激光器，光束扩展器，电源组成。声源装置由固定在玻璃箱激光照射面上的镜面组成，在声源装置内用录音机播放有规律的“叮”声。接收装置由单色滤波片，会聚镜，光电探测器和信号处理装置组成。录音机播音时，贴在玻璃箱上的平面镜振动 [8] ，使激光反射光的光斑发生振动，照射在光电二极管上的位置发生变化。由于镜面的振动，使反射光带有了声源中声波的信息，引起光斑的振动，使照射在光电二极管 [9] 上的光点面积发生相应改变，从而引起光电二极管输出电流的变化，再把这个电流变化经放大器放大，转入扬声器，就能听见声音，模拟实现对室内人谈话的监听。整个过程可简单地看成：声音信号–光信号–微弱的电信号–放大–还原成声音。
Figure 1. The overall design of infrared laser tapping
图1. 激光窃听器总体设计
激光窃听系统中对接收到的信号进行处理是还原声音的关键，对信号进行了滤波与放大电路设计，电路设计如图2所示。
对照原理图2中，光电二极管将光信号转化为电信号，经过放大高低通滤波电路，最后信号经三级放大以声音形式输出。D1为光电二极管，使输入的光信号转化为电压信号，U2为跨阻放大器，可以实现电流和电压信号的转变。R10为100 K的放大的电阻。将U2 6脚的信号放大100 K倍。C16为去耦电容，去掉低频噪声。C4为去耦电容。U4和C2对电源高通信号进行滤波，C5和R2对电源地同信号进滤波。R8/R9为电源放大倍数，R8、R9、C10组成一级放大。C10为U4放大级的去耦电容。C13、R12、C15对电源进行滤波。C7R6为高通滤波，R4、C8为低通滤波。U3电路为二级放大，R1C1C6为电源正极滤波，C14为负极滤波。R7/R5为放大倍数，C11为去耦电容。U8、U9电路同理。U7为电压跟随器，隔离模数电，同时频蔽前后信号干扰。
声源模拟装置和激光窃听器装置如图3所示。
如图，左边装置是一个立方体玻璃箱模拟声源，右边是激光窃听器装置。
3. 实验及数据的分析
3.1. 实验装置的搭建
把模拟声源装置放在距离发射装置10.2米处的位置，把半导体激光器夹持在万向支架的套筒中，可实现激光器的固定与调节。红外激光器发射一束激光，转动万向支架，先使半导体激光器对准玻璃箱黑纸板的位置，然后对激光的入射角度进行微调，让激光以16˚入射角射到粘在玻璃箱上的黑纸板。录音机在玻璃箱中播放有规律的“叮”声，为了密封，在玻璃箱的开口边缘粘贴双面胶，然后盖上玻璃盖，玻璃箱中的音箱发声，引起黑纸板振动，带有声音信息的激光以16˚反射。调整接收装置光电二极管的位置，使反射来的激光打在光电二极管上，经过功率放大电路还原出音箱所发出的声音，将示波器连接到电路中，测出窃听到声音的波形，达到窃听目的。激光入射角小于16˚时，发射接收装置距离过近，易产生干扰。激光入射角大于16度时，发射接收装置过大。
根据示波器上的波形图可计算出窃听信号的信噪比，进而衡量激光窃听的实验效果。窃听到的声音的波形图如图4所示。
图4是光电二极管接收到红外激光信号瞬间截取到的波形图，波形稳定的波段是噪声波形，噪声波形的平均值
。峰值高的波段是窃听到的波形图。从示波器的右边部分可以读出：窃听到的声音波形的平均值
。
Figure 2.The principle diagram of the circuit
图2. 电路原理图
Figure 3. The sound source analog device and infrared laser tapping
图3. 声源模拟装置和激光窃听器装置
因此，该激光窃听器的信噪比：
。
3.2. 入射角对声音效果的影响
固定接收距离为10.2 m，改变入射角度得到在不同角度上信噪比–角度关系如图5。
实验发现随着入射角度的增大，接收到的信号强度会减小。光电二极管在光束从不同方向入射时会产生不同的响应结果，这被称为光电二极管对光的角度响应特性或余弦响应特性。产生光电二极管角度响应特性的原因是：当光束入射光电二极管时，光束中的光能量会在光电二极管表面及其内部产生一个比较复杂的随光束入射角变化而变化的反射、透射和吸收的过程(此过程遵守描述光能量在不同介质间传播情况的菲涅耳公式)。实践证明，在光束入射光电二极管表面的入射角较大时，光电流一般会产生一个负误差，且入射角越大，负误差越大。
3.3. 入射光距离对声音效果的影响
固定入射角为16˚，改变激光窃听器与模拟声源装置的距离得到信噪比–距离关系如图6。
Figure 5. The relationship between signal-to-noise ratio and angle of incident light
图5. 信噪比与入射光角度的关系
Figure 6. The relationship between signal-to-noise ratio and incident light distance
图6. 信噪比与入射光距离的关系
入射光距离对声音效果的影响如图6所示。接收距离较近时，光电二极管接收的光强很强，容易饱和，当反射光斑全部都照射在探测器表而上时，光电二极管所收到的光通量几乎不变，因此系统产生的直流信号是无用的，窃听不到声音。当适当增大距离，会发现接收效果更好，原因是当增加距离，光斑的振动会因光斑发散被放大。但随着距离的增加，光斑面积会增大到无法全部接收，故当距离在10.2米的基础上再增加时信噪比降低快。
4. 结论
采用780 nm红外光电二极管准直后作为发射管，光电二极管作为接收器，并采用LM833作为滤波电路主元件，CA3140作为放大电路主元件，最终用音箱还原声音，完成了发射接收一体的红外激光窃听器的设计。搭建实验平台，研究了接收效果与入射角的关系、接收距离的关系实验，实验得到窃听角度16˚和窃听距离10.2米时，窃听的效果最好，声音清晰，且噪音小，信噪比约为47.2 dB。相比其他监听装置本设计有发射接收一体，装置易搭建；光电二极光频谱响应特性好；高低通滤波三级放大，声音还原度高的特点。
致谢
感谢大学生创新创业训练计划项目(201510702036)的资金支持。