CN113219482B - 一种可提高能量利用率的激光监听装置及监听方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可提高能量利用率的激光监听装置及监听方法。该监听装置包括：激光器、GS模块、激光接收器、音频功率放大器、扬声器和数据处理计算机。音频功率放大器分别连接于激光接收器和扬声器。GS模块包括：第一分光镜、第二分光镜、离焦像差板、第一CCD相机、第二CCD相机和透射型液晶空间光调制器。第一CCD相机、第二CCD相机和透射型液晶空间光调制器分别连接于数据处理计算机。本发明通过在激光接收器前集成一个GS模块，通过两个光束分光镜，使光束分别到达两个CCD相机，得到焦面像和离焦像。再通过GS相位恢复算法，消除大气湍流对激光传输的影响，从而提高系统能量利用率和数据信噪比，这对于在恶劣环境下远距离的激光监听具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种监听装置，特别是针对可在恶劣环境下实现远距离监听的激光监听装置。
背景技术
随着监听技术的发展，信息获取已经成为一个社会关注的焦点问题。相对于其它监听技术，激光监听具有操作简单、隐蔽性强且不用靠近监听目标的优点，因而得到了广泛的应用(Zheng T X,Wang H M,Deng H.Improving anti-eavesdropping abilitywithouteavesdropper’sCSI:A practical secure transmission design perspective[J],IEEEWireless Commun Lett,2018,7(6):946–9.)。激光监听基本原理：激光发出一束光，入射至监听目标所处环境中容易受声压作用而产生振动的物体上，然后在光束反射方向上，采用光敏晶体管和音频功率放大器对声音信号进行解调以实现声音还原。
随着激光技术的发展，激光监听技术今年来也取得了重大进展。为了提高激光监听器的能量利用率，亮度放大器成为了研究焦点问题。亮度放大器通常采用溴化铜材料。首先，通过研究溴化铜亮度放大器中辐射的径向分布，以优化光束轮廓(Li.L,Shiyanov D V,Gubarev F A.Spatial–temporal radiation distribution in a CuBr vaporbrightness amplifier in a real laser monitor scheme[J],Applied Physics B,2020,126(10):155.)。其次，通过分析单脉冲放大形成的数字图像，以估计激光监听器的灵敏度。此外，为了提高光到达角的放大能力和增强激光监听器的接受视场，提出了一种基于波导光纤锥度的多级放大器模型(Wang M T,Zhu Yand Mu Y N.A two-stage amplifierof laser eavesdropping model based on waveguide fiber taper[J],DefenceTechnology,2019(1):95-97.)。然而，激光在大气传输时，会受到大气湍流的影响，导致光斑弥散和能量利用率降低。因此，为了降低大气湍流对激光监听的影响，大气湍流对激光监听能量利用率的影响成为了一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：激光在大气传播时，尤其是远距离传播时，激光监听器的能量利用率会受到大气湍流的影响而快速衰减，从而限定了激光监听器的应用使用。因此，本发明提出一种相应的解决方法，通过在传统的激光监听器中集成GS模块，实现了系统中大气湍流校正的目的，从而消除大气湍流的影响，提高激光监听器的能量利用率。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：提供一种可提高能量利用率的激光监听装置，该装置包括：激光器、GS模块、激光接收器、音频功率放大器、扬声器和数据处理计算机；音频功率放大器分别连接于所述激光接收器和所述扬声器。
所述GS模块包括：第一分光镜、第二分光镜、离焦像差板、第一CCD相机、第二CCD相机和透射型液晶空间光调制器(LC-SLM)；所述第一CCD相机、第二CCD相机和透射型液晶空间光调制器分别连接于所述数据处理计算机。
激光器发出一束激光到达监听目标所处环境中的振动灵敏度高的物体上并反射，在激光光束反射方向上，光束入射进入GS模块中的第一分光镜并分为两部分，一部分透过所述第一分光镜到达透射型液晶空间光调制器，另一部分反射向所述第二分光镜；反射向所述第二分光镜的光束再次分成两部分，一部分反射回第一分光镜并透过第一分光镜和离焦像差板，最后抵达第二CCD相机，另一部分透过第二分光镜并抵达第一CCD相机；第一CCD相机和第二CCD相机接收激光光束数据并将数据传送至数据处理计算机进行处理，数据处理计算机计算得到波前相差；数据处理计算机根据GS相位恢复算法将透过所述第一分光镜到达透射型液晶空间光调制器的激光光束和所述波前相差进行计算得到共轭相位，并控制透射型液晶空间光调制器输出经过共轭调制后的光信号；激光接收器接收所述光信号并将其转换成电信号，再把电信号传输至所述音频功率放大器，音频功率放大器对电信号进行放大；扬声器将放大的电信号转化为声信号。
作为本发明的可提高能量利用率的激光监听装置的进一步改进，所述激光器为He-Ne激光器、溴化铜激光器、红宝石激光器或者半导体激光器。
作为本发明的可提高能量利用率的激光监听装置的进一步改进，所述离焦像差板的离焦像差为0.2λ。
作为本发明的可提高能量利用率的激光监听装置的进一步改进，所述第一CCD相机和所述第二CCD相机的工作波段和激光器的工作波段相同。
作为本发明的可提高能量利用率的激光监听装置的进一步改进，所述第一CCD相机和所述第二CCD相机的分辨率均为512像素×512像素。
本发明其次还提出一种应用于如上所述的可提高能量利用率的激光监听装置的监听方法，该方法包括：激光器发出一束激光到达监听目标所处环境中的振动灵敏度高的物体上并反射，在激光光束反射方向上，光束入射进入GS模块中的第一分光镜并分为两部分，一部分透过所述第一分光镜到达透射型液晶空间光调制器，另一部分反射向所述第二分光镜；反射向所述第二分光镜的光束再次分成两部分，一部分反射回第一分光镜并透过第一分光镜和离焦像差板，最后抵达第二CCD相机，得到离焦像，另一部分透过第二分光镜并抵达第一CCD相机，得到焦面像；第一CCD相机和第二CCD相机将离焦像和焦面像数据传送至数据处理计算机进行处理，数据处理计算机计算得到波前相差；数据处理计算机根据GS相位恢复算法将透过所述第一分光镜到达透射型液晶空间光调制器的激光光束和所述波前相差进行计算得到共轭相位，从而消除大气湍流的影响，这对于实现远距离和恶劣环境的激光监听具有重要意义。数据处理计算机控制透射型液晶空间光调制器输出经过共轭调制后的光信号。激光接收器接收所述光信号并将其转换成电信号，再把电信号传输至所述音频功率放大器，音频功率放大器对电信号进行放大；扬声器将放大的电信号转化为声信号，实现声音还原。
本发明提出的技术具有如下优点：
(1)本发明提出的一种可提高能量利用率的激光监听装置及监听方法，在没有明显系统复杂性和成本的前提下，能够实现在远距离的监听的目的，更难被发现，隐蔽性强。
(2)本发明提出的一种可提高能量利用率的激光监听装置及监听方法，能够实现在恶劣环境下进行监听的目的，从而激光监听的范围更广泛。
(3)本发明提出的一种可提高能量利用率的激光监听装置及监听方法，由于消除了大气湍流的影响，能量利用率更大，监听时间更长和数据信噪比更好，这对于进行高质量的监听具有重要意义。
总之，本发明提出的一种可提高能量利用率的激光监听装置，通过在传统激光监听装置集成GS模块，即能克服恶劣环境的影响，实现长距离激光监听的目的，又能实现高信噪比、高质量和长时间监听的目的。这对于激光监听具有重要意义，创新性和实用性明显。
附图说明
图1为一种可提高能量利用率的激光监听装置图。
图2为第一CCD相机获得的焦面图。
图3为第二CCD相机获得的离焦图。
图4为经GS处理后的复原图。
附图标记：激光器1、振动灵敏度高的物体2、监听目标3、第一分光镜4、第二分光镜5、离焦像差板6、第一CCD相机7、第二CCD相机8、透射型液晶空间光调制器9、激光接收器10、音频功率放大器11、扬声器12、数据处理计算机13。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。
本实施例提供一种可提高能量利用率的激光监听装置，该装置的整体结构如图1所示，其包括：激光器1、GS模块、激光接收器10、音频功率放大器11、扬声器12和数据处理计算机13。其中，音频功率放大器11分别连接于所述激光接收器10和所述扬声器12。
所述GS模块包括：第一分光镜4、第二分光镜5、离焦像差板6、第一CCD相机7、第二CCD相机8和透射型液晶空间光调制器9。所述第一CCD相机7、第二CCD相机8和透射型液晶空间光调制器9分别连接于所述数据处理计算机13。
正在发声的监听目标3，其所处环境中存在容易受声压作用而产生振动的振动灵敏度高的物体2，该振动灵敏度高的物体2容易受监听目标3的声压作用而产生振动。激光器1发出一束激光到达振动灵敏度高的物体2上并反射，然后在光束反射方向上，光束入射进入所述GS模块。
具体的，激光器1发出一束激光到达监听目标3所处环境中的振动灵敏度高的物体2上并反射，在激光光束反射方向上，光束入射进入GS模块中的第一分光镜4并分成两部分，一部分透过第一分光镜4向右到达透射型液晶空间光调制器9，另一部分向下反射向所述第二分光镜5。反射向所述第二分光镜5的光束再次被分成两部分，一部分反射回第一分光镜4并依次透过第一分光镜4和离焦像差板6，最后抵达第二CCD相机8，得到离焦像，另一部分透过第二分光镜5并抵达第一CCD相机7，得到焦面像。第一CCD相机7和第二CCD相机8将离焦像和焦面像的不同光斑数据传送至数据处理计算机13进行处理，数据处理计算机13重构波前相差，相当于将空气抖动计算出来。数据处理计算机13根据GS相位恢复算法将透过所述第一分光镜4到达透射型液晶空间光调制器9的激光光束和所述波前相差进行计算得到共轭相位，从而消除大气湍流的影响，这时得到的光波信息只剩下监听目标3对振动灵敏度高的物体2的声压作用信息。数据处理计算机13控制透射型液晶空间光调制器9输出经过共轭调制后的光信号。激光接收器10接收所述光信号，激光接收器10的光敏晶体管将光信号转换成电信号，再把电信号传输至所述音频功率放大器11，音频功率放大器11对电信号进行放大；扬声器12将放大的电信号转化为声信号，实现监听目标3的声音还原。这对于实现远距离和恶劣环境的激光监听具有重要意义。
其中，所述的激光器1不局限于的工作波段和光谱带宽，只要能满足实际探测需要即可。在本实例中，激光器1为He-Ne激光器，激光波长为632.8nm。
所述的振动灵敏度高的物体2不局限于房间玻璃，只要对声音灵敏度高的物体即可，如玻璃，茶杯或花瓶等。在本实例中，振动灵敏度高的物体2为玻璃。
所述的监听目标3发出的声音不局限于人体声音，也可以是电话声音等，只要能导致振动灵敏度高的物体2产生振动即可，在本实例中，监听目标3为一个音乐播放器。
所述的离焦像差板6不局限于它空间尺度大小和离焦量大小，只要能产生一个特定的离焦量即可。在本实例中离焦像差板6的离焦像差为0.2λ，其中λ为激光波长。其中，在第二CCD相机8前放置一个大小为0.2λ的离焦像差板6。因此第一CCD相机7获得焦面像，焦面像如图2所示，而第二CCD相机8获得离焦像，离焦像如图3所示。然后把第一CCD相机7和第二CCD相机8的数据传送至数据处理计算机13进行处理，重构波前相差，相当于把大气湍流导致的光波抖动计算出来。根据GS相位恢复算法，将透过所述第一分光镜4到达透射型液晶空间光调制器9的激光光束和所述波前相差进行计算，并通过数据处理计算机13控制透射型液晶空间光调制器9得到一个共轭的相位，即光束通过透射型液晶空间光调制器9时可以消除大气湍流的影响，得到复原图如图4所示。
所述的第一CCD相机7和第二CCD相机8的工作波段跟激光器1的工作波段相同，而不局限于相机大小和分辨率，只要能实现对光束成像即可。在本实例中，第一CCD相机7和第二CCD相机8的分辨率为512像素×512像素。
所述的透射式液晶空间光调制器9(英文简称为LC-SLM)，不局限于它工作原理和类型，只要能对数据处理计算机输入的信号进行大气湍流的校正即可。
所述的数据处理计算机13是指能满足对表面局部区域进行成像后的数据进行处理的系统，包括相应的数据采集器件。
本实施例的可提高能量利用率的激光监听装置，通过在传统激光监听装置集成GS模块，即能克服恶劣环境的影响，实现长距离激光监听的目的，又能实现高信噪比、高质量和长时间监听的目的。
以上所述，仅为本发明的几种具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本领域技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可理解到的替换或增减，都应涵盖在本发明的包含范围之内。
Claims (6)
1.一种可提高能量利用率的激光监听装置，其特征在于，包括：激光器(1)、GS模块、激光接收器(10)、音频功率放大器(11)、扬声器(12)和数据处理计算机(13)；音频功率放大器(11)分别连接于所述激光接收器(10)和所述扬声器(12)；
所述GS模块包括：第一分光镜(4)、第二分光镜(5)、离焦像差板(6)、第一CCD相机(7)、第二CCD相机(8)和透射型液晶空间光调制器(9)；所述第一CCD相机(7)、第二CCD相机(8)和透射型液晶空间光调制器(9)分别连接于所述数据处理计算机(13)；
激光器(1)发出一束激光到达监听目标(3)所处环境中的振动灵敏度高的物体(2)上并反射，在激光光束反射方向上，光束入射进入GS模块中的第一分光镜(4)并分为两部分，一部分透过所述第一分光镜(4)到达透射型液晶空间光调制器(9)，另一部分反射向所述第二分光镜(5)；反射向所述第二分光镜(5)的光束再次分成两部分，一部分反射回第一分光镜(4)并透过第一分光镜(4)和离焦像差板(6)，最后抵达第二CCD相机(8)，另一部分透过第二分光镜(5)并抵达第一CCD相机(7)；第一CCD相机(7)和第二CCD相机(8)接收激光光束数据并将数据传送至数据处理计算机(13)进行处理，数据处理计算机(13)计算得到波前相差；数据处理计算机(13)根据GS相位恢复算法将透过所述第一分光镜(4)到达透射型液晶空间光调制器(9)的激光光束和所述波前相差进行计算得到共轭相位，并控制透射型液晶空间光调制器(9)输出经过共轭调制后的光信号；激光接收器(10)接收所述光信号并将其转换成电信号，再把电信号传输至所述音频功率放大器(11)，音频功率放大器(11)对电信号进行放大；扬声器(12)将放大的电信号转化为声信号。
2.根据权利要求1所述的可提高能量利用率的激光监听装置，其特征在于：所述激光器(1)为He-Ne激光器、溴化铜激光器、红宝石激光器或者半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的可提高能量利用率的激光监听装置，其特征在于：所述离焦像差板(6)的离焦像差为0.2λ。
4.根据权利要求1所述的可提高能量利用率的激光监听装置，其特征在于：所述第一CCD相机(7)和所述第二CCD相机(8)的工作波段和激光器(1)的工作波段相同。
5.根据权利要求1所述的可提高能量利用率的激光监听装置，其特征在于：所述第一CCD相机(7)和所述第二CCD相机(8)的分辨率均为512像素×512像素。
6.一种应用于权利要求1～5任意一项所述的可提高能量利用率的激光监听装置的监听方法，其特征在于：激光器(1)发出一束激光到达监听目标(3)所处环境中的振动灵敏度高的物体(2)上并反射，在激光光束反射方向上，光束入射进入GS模块中的第一分光镜(4)并分为两部分，一部分透过所述第一分光镜(4)到达透射型液晶空间光调制器(9)，另一部分反射向所述第二分光镜(5)；反射向所述第二分光镜(5)的光束再次分成两部分，一部分反射回第一分光镜(4)并透过第一分光镜(4)和离焦像差板(6)，最后抵达第二CCD相机(8)，得到离焦像，另一部分透过第二分光镜(5)并抵达第一CCD相机(7)，得到焦面像；第一CCD相机(7)和第二CCD相机(8)将离焦像和焦面像数据传送至数据处理计算机(13)进行处理，数据处理计算机(13)计算得到波前相差；数据处理计算机(13)根据GS相位恢复算法将透过所述第一分光镜(4)到达透射型液晶空间光调制器(9)的激光光束和所述波前相差进行计算得到共轭相位，并控制透射型液晶空间光调制器(9)输出经过共轭调制后的光信号；激光接收器(10)接收所述光信号并将其转换成电信号，再把电信号传输至所述音频功率放大器(11)，音频功率放大器(11)对电信号进行放大；扬声器(12)将放大的电信号转化为声信号，实现声音还原。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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