CN104034408A - 一种基于相关检测技术的激光侦听装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于相关检测技术的激光侦听装置，包括聚焦镜、调制激光信号发射源、调制信号发生器、滤光镜、激光信号接收器、相关检测器、功率放大器以及扬声器，调制信号发生器的一输出端与调制激光信号发射源相连并提供激光调制信号，调制激光信号发射源根据激光调制信号产生和发射调制激光信号；调制信号发生器的另一输出端连接到相关检测器的输入端；激光信号接收器接收反射激光信号，预处理后输入相关检测器的另一输入端，相关检测器的输出端与功率放大器的输入端连接，功率放大器的输出端连接至所述扬声器。利用本发明可显著降低外界环境因素对侦听装置的影响，增加接收机的动态范围，提高侦听信号的信噪比，改善声音侦听效果。

Description

一种基于相关检测技术的激光侦听装置

技术领域

本发明涉及侦听设备技术领域，具体而言涉及一种激光侦听设备。

背景技术

语音交流是信息传递的一种直接、有效、可信的方式，声音侦听是获得被关注对象信息的重要方式，也是可获取各种情报的重要来源，在刑侦、军事、公共安全及国家安全等众多领域有着广泛的应用。声音是通过空气的振动向外传播的，声波会引起周围遮挡物的振动，因此利用激光信号对声波引起的振动进行检测，可实现声音复原。激光其本身还具有方向性好、衰减慢、传播距离远等优点，因此作为一种新兴的非接触的无痕迹声音侦听技术,激光侦听在声音监测领域有着很好的应用前景。

随着激光技术的发展和逐步成熟，激光侦听装置也得到研究人员的日益重视，如文献“激光监听演示实验仪器的制作”(赵官华、唐芳著，物理与工程，2010,20(3))，又如中国实用新型专利CN203037345U“一种激光声音探测装置”，公开了一种激光声音侦听装置，包括激光发射器和激光信号接收器，激光信号接收器包括光电池、信号放大电路、滤波电路、功放电路依次连接而成，功放电路和扬声器连接。该装置验证了激光侦听原理的可行性，但由于未采用微弱信号处理技术，因此只适用于处理大反射信号场景，对监测环境要求高；同时由于该装置对环境光源变化比较敏感，日光灯、太阳光等干扰源光强的轻微变化都会引入较大噪声，造成侦听装置接收信号信噪比恶化进而严重影响侦听效果。另外在实际应用中由于监测场景的复杂性，被侦听声音引起的物体振动特性差异巨大，造成激光侦听装置接收信号的动态范围大，容易造成激光信号接收器电路饱和。上述因素使得该装置对侦听环境有着严格要求，侦听效果差，实用性不高。

又如中国发明专利申请CN102938656A“警用监听装置”提出了一种警用监听设备，包括监听信号发射器、监听信号接收器、振动频率分析仪和还原仪，通过信号的发射、接收、分析等一系列过程将监听信号还原为声音信号。但该装置原理与文献“激光监听演示实验仪器的制作”(赵官华、唐芳著，物理与工程，2010,20(3))、实用新型专利CN203037345U“一种激光声音探测装置”并无存在本质区别，接收器动态范围小、环境变化引入的强噪声等因素严重限制了其适用范围。

发明内容

本发明旨在克服现有激光侦听装置存在的易受环境影响、噪声大、实用性差等缺点，提出一种受环境光学背景影响小、信噪比高、侦听效果好的激光侦听装置。

本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。

为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于相关检测技术的激光侦听装置，包括调制信号发生器、激光调制信号发射源、激光信号接收器、相关检测器、功率放大器及扬声器，其中：

调制信号发生器的一输出端与调制激光信号发射源相连，调制信号发生器的另一输出端连接到相关检测器的输入端；激光信号接收器与相关检测器的另一输入端相连；相关检测器的输出端与功率放大器的输入端连接，功率放大器的输出端连接到扬声器用于播放侦听声音；

调制信号发生器产生一定频率的调制信号控制调制激光信号发射源发射调制激光信号，激光信号通过被侦听物体反射到激光信号接收器后首先进行光电信号转换、放大、滤波预处理；预处理后的接收信号与调制信号在相关检测器中实现信号解调、滤波处理，并通过功率放大器放大后进行输出。

由以上本发明的技术方案可知，本发明所利用的基本原理如下：声音通过声波传输会引起周围遮挡物体的轻微振动，该振动使得反射后的激光信号中包含声音信息，本发明提出的激光侦听装置正是对接收激光信号处理后从而实现的声音复原。在本发明的显著优点还通过如下方式表现：

1、通过增加发射聚焦镜头，提高发射信号的能量密度，使得反射信号增强进而提高信噪比；

2、激光信号接收器中的光电转换传感器具有一定响应带宽，可接收除发射激光信号频率外的环境光强信号，增加了滤光镜头用于滤除发射激光信号外的环境光强以减小背景环境光强影响；

3、周围环境光强变化、激光发射信号的功率变化、激光侦听装置的姿态变化等因素都会造成激光接收信号变化从而引入噪声，影响侦听效果，考虑到这些变化因素引起的信号频率范围较低，本发明通过对发射信号以较高频率进行调制，接收信号处理时只处理以调制频率为中心频率的一定带宽内的有效信号，滤除其余频带的干扰信号，避免了光强、发射信号功率、装置姿态等因素带来的噪声影响；

4、被监听声音声波引起的物体轻微振动会造成反射激光信号中存在相应变化，激光接收信号中包含的声音信号属于微弱信号，因此本发明中采用相关检测技术提高信噪比，通过激光信号接收器接收包含声音信息的发射激光信号与调制信号发生器产生的调制信号，在相关检测器中实现相关检测，由于接收信号中的噪声信号与调制信号不相关，而有用信号与调制信号是相关的，因此相关检测后可实现噪声的抑制，极大改善输出信号信噪比并达到微弱信号检测目的。

本发明与现有技术相比，本发明所提出的基于相关检测技术的激光侦听装置，其显著优点是：提出的发射信号形式和信号处理方法，可显著降低外界环境因素对侦听装置的影响，增加接收机的动态范围，提高侦听信号的信噪比，改善声音侦听效果。这些优点，使得本发明的激光侦听装置能够满足恶劣环境下的各种适用要求，具有重要的应用意义。

附图说明

图1是本发明一实施方式基于相关检测技术的激光侦听装置的原理示意图。

图2是图1实施例中调制激光信号发射源的组成原理图。

图3是图1实施例中调制信号发生器的组成原理图。

图4是图1实施例中激光信号接收器的组成原理图。

图5是图1实施例中相关检测器的组成原理图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

图1所示为本发明一实施方式基于相关检测技术的激光侦听装置的原理示意，其中，一种基于相关检测技术的激光侦听装置包括聚焦镜1，调制激光信号发射源2，调制信号发生器3，滤光镜4，激光信号接收器5，相关检测器6，功率放大器7以及扬声器8。

如图1所示，调制信号发生器3的一输出端与调制激光信号发射源2相连，调制信号发生器3的另一输出端连接到相关检测器6的输入端。

调制激光信号发射源2发射的调制激光信号，经过聚焦镜1进行激光聚焦，然后投射至反射物体上。本实施例中，通过增加发射通路中的聚焦镜，从而提高发射信号的能量密度，使得反射信号增强进而提高信噪比。

如图1所示，被反射物体反射的调制激光信号，进入设计在接收通路中的激光信号接收器5，进行光电转换将光信号转换成电信号。激光信号接收器5中设置有光电转换传感器用于实现上述光电转换。本实施例中，激光信号接收器中的光电转换传感器具有一定响应带宽，可接收除发射激光信号频率外的环境光强信号。

优选地，被反射的调制激光信号在进入激光信号接收器5之前，首先经过一滤光镜4，滤除发射激光信号外的环境光强以减小背景环境光强影响，然后再进入激光信号接收器5。

激光信号接收器5的输出端与前述相关检测器6的另一输入端相连。

相关检测器6的输出端与一功率放大器7的输入端连接，功率放大器7的输出端连接至前述扬声器8。功率放大器7对输入的信号进行功率放大后，其输出信号经扬声器8进行播放，获得侦听声音。

被监听声音声波引起的物体轻微振动往往会造成反射激光信号中存在相应变化，而激光接收信号中包含的声音信号属于微弱信号，因此，在本实施例中，采用相关检测器以提高信噪比，将激光信号接收器接收包含声音信息的发射激光信号与调制信号发生器产生的调制信号在相关检测器中实现相关检测，由于接收信号中的噪声信号与调制信号不相关，而有用信号与调制信号是相关的，因此相关检测后可实现噪声的抑制，极大改善输出信号信噪比并达到微弱信号检测目的。

由于周围环境光强变化、激光发射信号的功率变化、激光侦听装置的姿态变化等因素都会造成激光接收信号变化从而引入噪声，影响侦听效果，考虑到这些变化因素引起的信号频率范围较低，本实施例中通过对发射信号以较高频率进行调制，接收信号处理时只处理以调制频率为中心频率的一定带宽内的有效信号，滤除其余频带的干扰信号，避免了光强、发射信号功率、装置姿态等因素带来的噪声影响。

如图2所示，作为可选的实施方式，调制激光信号发射源2包括调制激光驱动电路9，激光源10，其中，调制激光驱动电路9用于接收调制信号发生器3生成的激光调制信号并进行调制驱动，产生相应的控制电流，用于实现对激光源10的驱动控制并产生调制激光信号。激光源10的波长选择对人眼具有不可见性的红外波段，使得侦听装置具有隐蔽性，另外其方向性强且具有较强的抗干扰性。

参考图2所示，调制激光驱动电路9的输出端连接至前述激光源10，激光源10根据调制激光驱动电路9提供的驱动控制电流产生和发射调制激光信号。

如图3所示，作为可选的实施方式，调制信号发生器3包括微处理器11和直接数字式频率合成器12。微处理器11通过数据总线与直接数字式频率合成器12相连，通过所述微处理器11实现调制信号波形和调制信号频率的变换，所述直接数字式频率合成器12输出提供至所述调制激光信号发射源2的激光调制信号。具体地，即提供至调制激光驱动电路9的激光调制信号。前述激光调制信号波形可采用正弦或方波中的一种，信号频率远大于声音信号频率最大值20KHz。

本实施例采用的激光调制信号发生器优选地采用具有以下优点的器件：功耗低，精度高，信号波形、信号频率、相位等参数可通过对微处理器编程，从而满足不同功能要求。

如图4所示，激光信号接收器5包括光电转换电路13，第一信号放大电路14，带通滤波电路15以及第一自动增益控制电路16。

结合图1和图4所示，调制激光信号发射源2发射的调制激光信号被物体反射形成的反射信号，经滤光镜4接收并通过光电转换电路13将光信号转变为电信号；光电转换电路13、第一信号放大电路14、带通滤波电路15、第一自动增益控制电路16依次连接，第一信号放大电路14、带通滤波电路15分别实现光电转换信号的放大、滤波处理，放大滤波后的信号输入到第一自动增益控制电路16，对信号放大增益进行自动调整。

如前所述，光电转换电路13包括一光电转换传感器用于进行光电转换。

为防止其他波段光源的干扰，滤光镜4只接收激光发射源波段的信号并滤除其他波段信号。

第一信号放大电路14作为前置放大电路用于对小信号的放大，优选低噪声系数、与光电转换电路13输出阻抗匹配，采用低噪声、增益带宽满足指标要求的放大器芯片。

带通滤波器15用于滤除有用信号带宽外的干扰信号，如太阳光、日光灯及其他光源的干扰，滤波器的中心频率为激光调制信号的频率，带宽根据监听声音信号要求选取，带内衰减小，带外截止特性好。

由于侦听装置工作距离具有一定范围，且侦听环境物体的反射系数差异较大，导致接收激光信号强度变化较大并使得光电转换信号幅度具有较大的动态范围，为增加激光信号接收器电路的动态范围，避免信号出现饱和，第一自动增益控制电路16对放大滤波后信号进行增益控制，并使输出信号幅度保持在相关检测器6要求的最佳工作范围内。

如图5所示，相关检测器6包括乘法器17，低通滤波器18，第二信号放大电路19以及第二自动增益控制电路20。乘法器17的输出与低通滤波器18的输入端连接，低通滤波器18的输出端与第二信号放大电路19的输入端连接，第二信号放大电路19的输出端与第二自动增益控制电路20的输出端连接，第二自动增益控制电路20的输出端经所述信号放大电路7与所述扬声器8连接。

如图5结合图1所示，调制信号发生器3产生的一路激光调制信号和(激光信号接收器5输出的)激光接收信号经过乘法器17相乘后，输入低通滤波器18，低通滤波器18的输出与第二信号放大电路19的输入连接，第二信号放大电路19的输出信号连接到第二自动增益控制电路20的输入端。

乘法器17实现信号相关检测功能，其输入信号分别为激光调制信号与放大滤波处理后的激光接收信号，由于调制激光发射信号由调制信号控制产生，激光接收信号由侦听物体反射调制激光发射信号得到，因此调制信号与放大滤波后的激光接收信号具有很好的相关性。但调制信号与干扰信号及噪声之间不具备相关性，通过相关检测可有效抑制干扰信号及噪声，显著提高信噪比。

低通滤波器18用于过滤相关检测后的高频噪声，保留有用侦听声音信号，所以低通滤波器应具有陡峭的截止特性。

由于侦听工作中反射物体的振动幅度具有较大的动态范围，为了输出适当范围的声音信号，第二自动增益控制电路20对滤波放大后的信号进行增益控制，并使输出信号幅度保持在最佳工作点。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (9)

1.一种基于相关检测技术的激光侦听装置，其特征在于，包括聚焦镜、调制激光信号发射源、调制信号发生器、滤光镜、激光信号接收器、相关检测器、功率放大器以及扬声器，其中：

所述聚焦镜、调制激光信号发射源位于发射通路中，所述调制信号发生器的一输出端与调制激光信号发射源相连并提供所述调制激光信号发射源的激光调制信号，所述调制激光信号发射源根据所述激光调制信号产生和发射调制激光信号；

所述调制信号发生器的另一输出端连接到相关检测器的输入端；

所述滤光镜、激光信号接收器、相关检测器、功率放大器以及扬声器位于接收通路中，激光信号接收器用于接收经反射的调制激光信号并预处理后输出接收激光信号，其输出端与所述相关检测器的另一输入端连接，该相关检测器的输出端与所述功率放大器的输入端连接，功率放大器的输出端连接至所述扬声器；

所述相关检测器通过乘法器实现信号相关检测，其输入信号分别为所述调制信号发生器产生的一路激光调制信号以及所述接收激光信号，前述信号相乘输出后，分别经低通滤波、信号放大和信号增益后，输入所述扬声器播放。

2.根据权利要求1所述的基于相关检测技术的激光侦听装置，其特征在于，所述调制信号发生器包括微处理器和直接数字式频率合成器，其中：

微处理器通过数据总线与直接数字式频率合成器相连，通过所述微处理器实现调制信号波形和调制信号频率的变换，所述直接数字式频率合成器输出激光调制信号至所述调制激光信号发射源。

3.根据权利要求2所述的基于相关检测技术的激光侦听装置，其特征在于，所述激光调制信号波形为采用正弦或方波中的一种。

4.根据权利要求1所述的基于相关检测技术的激光侦听装置，其特征在于，所述调制激光信号发射源包括调制激光驱动电路和激光源，调制激光驱动电路的输出端连接至前述激光源，其中：

调制激光驱动电路用于接收调制信号发生器生成的激光调制信号并进行调制驱动，产生相应的控制电流，用于实现对激光源的驱动控制；激光源根据调制激光驱动电路提供的驱动控制电流产生和发射调制激光信号。

5.根据权利要求4所述的基于相关检测技术的激光侦听装置，其特征在于，所述激光源的发射波长选择红外波段。

6.根据权利要求1所述的基于相关检测技术的激光侦听装置，其特征在于，所述激光信号接收器包括光电转换电路、第一信号放大电路、带通滤波电路以及第一自动增益控制电路，其中：

调制激光信号发射源发射的调制激光信号被物体反射形成的反射信号，经滤光镜接收并通过光电转换电路将光信号转变为电信号；光电转换电路、第一信号放大电路、带通滤波电路、第一自动增益控制电路依次连接，第一信号放大电路、带通滤波电路分别实现光电转换信号的放大、滤波处理，放大滤波后的信号输入到第一自动增益控制电路，对信号放大增益进行自动调整。

7.根据权利要求6所述的基于相关检测技术的激光侦听装置，其特征在于，所述第一信号放大电路与光电转换电路的输出阻抗匹配。

8.根据权利要求6所述的基于相关检测技术的激光侦听装置，其特征在于，所述带通滤波器的中心频率与激光调制信号的频率相同。

9.根据权利要求1所述的基于相关检测技术的激光侦听装置，其特征在于，相关检测器包括乘法器、低通滤波器、第二信号放大电路以及第二自动增益控制电路，乘法器的输出端与低通滤波器的输入端连接，低通滤波器的输出端与第二信号放大电路的输入端连接，第二信号放大电路的输出端与第二自动增益控制电路的输出端连接，第二自动增益控制电路的输出端与所述扬声器连接，其中：

所述调制信号发生器产生的一路激光调制信号与所述激光接收信号经过所述乘法器相乘后，输入低通滤波器进行滤波处理，滤除相关检测后的高频噪声，然后经第二信号放大电路和第二自动增益控制电路进行信号放大和增益后，输出至所述扬声器。