MatLab仿真分析在激光监听技术研究中的应用

陈思如

摘 要：基于激光监听技术的原理，利用MatLab仿真软件进行激光监听技术研究，分析了光束入射角与光斑移动距离关系以及激光光斑在探测器上的位置对于探测灵敏度的影响，得到在探测器距光斑中心为光束半径一半时，光强变化量最大，监听声音最清晰。通过实验也验证了相关分析。

关键词：激光监听；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 绪论

监听的形式有很多种，从最初把线圈接在某通讯线路上的监听，到现在全球的无线手机监听系统，技术的发展经历了漫长的过程。如今，监听技术的使用已经相当普遍，监听的手段种类繁多，电子窃听的使用较为普遍。但从技术角度看，无线发射和接收技术极容易受到干扰，也易被敌方侦测到；从实施的角度来看，该监听方法存在着很大的难度和风险。一种非接触的、不留任何痕迹的监听技术——激光监听技术一度受到各方的重视。采用激光技术进行监听，不仅可以听到戒备森严的房间内的声音信息，而且，激光监听的设备可以放置在很远之外，不易被发现。

通过学习激光监听的基本原理，以及对实验装置的动手制作和调试，能更好地掌握激光作为信息传输载体的实现过程。因此适合作为学生综合實践实验的内容。激光监听实验不仅可以作为大学实验室建设和实验教学的重要组成部分，也可以作为中学生的演示实验，激发学生的对于科学的兴趣。北京航空航天大学、中国科学技术大学等院校均开展了相关教学实验的研究。本文在研究激光监听实验的过程中，应用MatLab软件仿真了激光光斑打在探测器上的情形，为试验研究提供了有效的理论指导。

2 激光监听基本原理

激光监听过程中，使用一束肉眼不可见的红外激光发射到被监听房间的玻璃窗上，由于声波引起玻璃窗的微小振动，从而引起反射回来的激光光点位置发生变化；用光电探测器接收反射后的激光信号，并转换成电信号，再经过放大器放大并去除噪声，通过扬声器还原成声音。整个过程可简单地看成： 声音信号转化成光信号，再转化成微弱的电信号，然后放大降噪，最后还原成声音。

实验光路通常采用反射式光路。如图1所示。声波作用在玻璃表面产生声压，导致玻璃表面做受迫振动， 振动幅度与声压成正比。此处可近似认为激光入射点处周围较小区域内玻璃表面沿着与其垂直方向有微小位移.激光射到玻璃表面，发生反射。调整接收端，使激光束的边沿对准光电探测器的窗口，使窗口部分被光照射， 反射光会因玻璃振动而偏离原来的位置， 射入光电探测器的光斑面积也同时发生变化，这样就实现了声音信号对激光的调制。 光电探测器输出的电信号也会发生相应变化，通过电路处理，得到还原的声音信号。

3 仿真分析

本文采用MatLab仿真分析软件，对光束入射角与光斑移动距离关系以及激光光斑在探测器上的位置对于探测灵敏度的影响进行分析。

3.1 入射角与光斑移动距离关系

见图1，已知Z（t）与声振动F（t）符合正比例关系：

Zt=aF（t）

由光的反射定律可知，光束入射角等于反射角。设入射角为i。根据几何关系可推得

xt=2Z（t）sini

因为sin值在0到90度中是单调递增的。可知，玻璃振动幅度相同时，入射角越大，光斑位置移动的越大。

设Z（t）=1um，用MatLab仿真x（t）与入射角i的关系，结果如图2所示。

3.2 高斯光束仿真

激光束出射高斯光束，高斯光束的特点为：

（1）高斯光束光强最高处为光束中心点，无穷远处光强接近于0。

（2）横截面的振幅分布遵守高斯函数。

高斯光场其分布曲线符合正态分布

使用MatLab仿真的像素为601*601像素高斯光束光场分布，见图3。仿真中各参数为如下设定，μ设定为 301，σ设定为1。

光斑半径（也称束腰半径），是指在高斯光束的横截面考察，以最大振幅处为原点，振幅下降到原点处的0.36788倍，即1/e倍的地方。由于高斯光束关于原点对称，所以1/e的地方形成一个圆，该圆的半径，就是光斑在此横截面的半径；如果取束腰处的横截面来考察，此时的半径，即是光斑半径。根据计算，此高斯光束光斑半径为202。

3.3 光斑在探测器上的位置与探测灵敏度的关系

光斑中心与探测器的相对位置会影响监听的灵敏度，因此用MatLab软件进行仿真分析。图4为在像素为601×601的模拟高斯光束下，用大小为3×3的探测器测量在各处移动相同距离所得的光强变化量，既反映了探测灵敏度。仿真中用探测器的移动对应光斑的移动，探测器沿水平方向移动，移动量设置为1个像素。图中变化量最大的区域为（279，395）到（303，403）。由图可知，并不是在光强越强的情况下， 光强变化量越大。即探测器放在光斑中心反而不易探测到振动引起的光强变化。

通过变换探测器大小，得到光强变化量最大时探测器坐在的横纵坐标数值，关系如图5。

另外，计算光强变化量最大时横纵坐标占比，如表1所示。可见，尽管探测器尺寸不同，光强变化量最大时，也就是最灵敏时，对应的探测器位置是相对固定的。

通过仿真分析及实验数据显示，光强变化量最大（即监听声音最清晰，实验效果最好）时，探测器中心距光斑中心的距离大多为101，为光斑半径的一半。

探测器尺寸超过200*200后，数据出现明显异常，因此仿真结果对探测器大小的选择具有一定参考价值。

4 实验验证

通过实验进行验证，将激光反射的光斑分别打在探测器中心和边缘位置，用示波器观察探测器输出信号随声音的变化情况。如图6所示，可见激光光斑在探测器中心时，探测不敏感，在边缘处时探测更加敏感。

5 总结

通过仿真分析研究了激光监听实验中探测器位置对实验效果的影响，得到了在探测器距光斑中心为光束半径一半时，光强变化量最大，监听声音最清晰，实验效果最好。这些结论可以用于激光监听实验装置的设计和搭建过程，大大提高实验效果及成功率，为激光监听实验走进课堂打下基础。

6 致谢

感谢北京市青少年科学创新学院所举办的“翱翔计划”活动。感谢北京航空航天大学刘惠兰老师。感谢基地校北京市东直门中学，感谢生源校北京市东直门中学以及生源校指导教师王术老师。

参考文献：

[1]戴玮，沈建华.激光监听实验的开设与研究[J].大学物理实验，2009（4）：4447.

[2]甯青松，馬小龙，杨振.激光窃听实验探究[J].物理实验，2009，29（12）：3841.

[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）：6244.

[4] 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].科技论坛，47.