激光反射法音频声源定位与语音内容解析_ 电子科技大学_光电无声_ 理论方案

第三届全国光电设计大赛理论方案报告第三届全国光电设计大赛理论方案报告 编 号： 参赛题目：激光反射法音频声源定位与语音内容解 析 参赛队伍名称：光电无声 所在学校：电子科技大学 队长姓名：秦春伟 提交方案时间： 第三届全国光电设计大赛组委会制 1 参赛题目： 激光反射法音频声源定位与语音内容解析 一. 研究内容 1.激光探测器测量震动强度(音频定位)： A：声源偏离两窗中间面的偏离方向判定 B：声源偏离两窗中间面的垂直距离测定 本次实验利用激光探测器（原理同激光窃听器）定位声源偏离 两窗中间面的垂直距离及偏离方向。 2.激光窃听（音频解析）： 激光窃听是指通过激光技术探测到远处人谈话的内容，是近几 年来新出现的窃听技术。 原理：声源空气振动玻璃振动激光束会被玻璃反射光 斑振动通过硅光片或者光电二极管光斑振动电流振动用扬 声器还原成声音。 本次实验利用激光窃听器原理设计出语音解析装置。 二.研究方案 （1）声源偏离两窗中间面的垂直距离及偏离方向的确定 ： A：声源偏离两窗中间面的偏离方向判定 选取离两窗中间面同一水平线的垂直距离相等的两处，多取几 次（如 0.1m，0.2m，0.4m，0.6m 等） ，分别用两个所设计激光探测 器同时测两处玻璃震动强度，哪边的震动强度略强于同等距离的另 一边，可判定声源在中心面的那一侧。 2 B：声源偏离两窗中间面的垂直距离测定（示意图如下） 在偏离方向的基础上，在所判定的声源所处面，以中心面为起 点，在同一水平线上，每隔 0.1m 测一次震动强度，直至强度明显减 小。对比各处强度，选择强度最强的点为基准，向两边各取距离 0.5m 的两处，判断以上三处的强度，如果哪出明显强于另外两处， 则此处为玻璃到声源的最小距离点 P。 . 直接测量中心面到最小距离点的距离即为所求垂直距离 A。 (二）声源播放内容的恢复-激光窃听器： 本实验利用“猫眼效应”进行窃听。 1.“猫眼”效应： “猫眼”效应在窃听中的作用有两个,第一个是对窃听目标进行 快速发现和准确定位,如图1所示,由于系统具有圆对称性,A光线经光 学系统后将聚焦于焦平面上一点,然后被焦平面反射后沿A返回。 同理,B光线最后将沿B返回。这种能使反射光按入射方向返回的光 路被称为“猫眼”反射光路,从发射光处可以探测到强反射光。利用 3 此原理,可以向目标发射激光束,当探测到光学返回率比普通目标高时,就 可以断定此时激光正好对准目标。 第二个作用是利用其较高强度的回光信号实现窃听。目前,制约 激光窃听技术发展的原因在于反射光即信号光波太弱,淹没于背景噪 声之中,不利于信号的提取与检测。而利用“猫眼”效应则可以获得 较强的信号光,理论分析表明“猫眼”目标反射光的强度是普通物体 漫反射的10010000倍。这样,信号的提取、解调、音频输出等工作 就会简单很多。 2.离焦量分析： 通常情况下由于探测过程中激光束不可能完全聚焦于光敏面上, 有一定的离焦量。因此经光敏面反射后形成一定束角的反射光。另 外,还有部分光因孔径的限制而被遮挡.设“猫眼”的光学系统的孔 径为D,焦距为f。利用几何光学可以导出有效孔径D : 式中, d为离焦量。 分析上式可以说明,当D很小,即D d, f dD, 则s 可以进一步简化为: . 所以,“猫眼”光学系统的焦距越长或离焦量越小,回波发射角越小; 光学孔径越大, 回波发射角也就越大。 3.回波功率与离焦量d分析 激光主动探测系统可探测到的光功率与发射的光峰值功率、束 散角、目标尺寸、大气等因素有关。 设激光的发射角为0 ,探测目标的距离为R,则从探测器发射到目 标的光斑面积为: . 假设光在大气中传输是遵循几何光学原理,大气是均匀且各向同 性的, 激光光束的能量分布近似均匀,设单程大气透过率, 激光脉 冲峰值功率P,则在距离R 处激光光斑的单位面积功率为: 设接收系统孔径面积Ar ,目标光学系统的有效接收面积为As ,光学系 统“猫眼”效应的反射系数 ,“猫眼”目标回波功率为: 5 漫反射回波功率为: “猫眼”目标回波功率与离焦量的关系为: 窃听原理 当声波作用于“猫眼”目标时,引起光学系统振动,使其偏离原来 位置,不同的位置对应不同的入射角度,不同的入射角度对应不同的离 焦量(如图2所示) ,不同的离焦量引起反射光的发散角不同,最终引起 探测回波信号功率的不同。 经检测,激光器与目标距离为10m,激光发射功率数量级为10mW 时, 回波信号光功率仅为0. 1W。可见,当激光器的发射功率不稳定 6 时,对回波信号影响不能忽略,给回波信号解调增加了除噪的难度。定 义回波功率与发射功率的比值为功率对比度M 为: 通过测量功率对比度与离焦量的关系,可以减小发射功率不稳定 所造成的影响。对必要的参数进行量化,系统各参数取值如下:发射激 光的发散角2mrad, 激光系统发射/接收望远镜直径为50cm,光学系统 透过率为0. 7,探测器最小可探测功率为1nW,目标有效反射面积为 5m2 ,目标表面漫反率为0. 04,“猫眼”效应反射系数为0. 5,目标光学 镜头反射激光发散角为10mrad,目标光学镜头直径为15cm,合作目标 有效面积为20cm2 ,合作目标反射率为0. 8,合作目标反射激光发散角 为0. 05mrad,大气透过率为0. 5。经计算,功率对比度与离焦量的关系 曲线如图3所示。 当入射角发生变化时,离焦量随着入射角变化而变化,由图可以看 7 出,M 值随离焦量增加而减小。声波引起了“猫眼”光学系统的振动, 不同频率、不同强度的声音引起的振动程度也不同, 入射角总是变 化的,因此M 受到调制。反射光线经过聚焦以后由光电探测器接收, 单片机读取探测器与功率计输出的模拟信号,运算并输出随着M 值不 同而随时间变化的电信号,再通过放大除噪以后便可解调得到窃听的 语音信号。 三. 技术路线及可行性分析 实验中设计的是使用功率为10mW的He - Ne激光器,使用这种激 光器的原因是其功率较大,通过温度控制可以使功率很稳定。也可使 用近红外半导体激光器,近红外光是不可见光,不易被监听目标发现。 而且大气传输特性好,对于近红外光的接收传感器,不需要专门的冷却 设备就可以在最佳灵敏度上工作,不易受噪声影响。 镀膜聚焦透镜除了普通的聚焦功能外,还可以进行窄带滤波,只允 许波长为650nm 的光部分通过,可以大大地减小背景光线的干扰。探 测器安装在会聚镜的焦点处,能够将不同的绿光能量转化为不同的电 8 信号进行解调。光功率计用于测量出射激光的功率,由于半透半反镜 的透射作用,收到的光功率为实际的一半。将光功率转化为电信号与 探测器的电信号共同输入给SPCE061A单片机进行除法运算,便可以 得到功率对比度M 的值,并输出功率对比度M 值信号。如图5所示, 经过运算后M 值转化的电信号非常微弱,所以对前置放大器的灵敏度 有一定的要求,在前置放大环节中应该保证对微弱信号的准确放大。 音频放大器采用LM386,它是一种低噪声低功耗音频集成功放,它的功 率可达到2. 5W,电压增益为50dB,经其输出的信号可直接驱动扬声器。 通过以上运算及分析，可判断此实践方法可行性强，可以实施。 四. 拟解决的关键问题 考虑如何在传统激光窃听器的基础之上尽最大可能减少反 射光的损失（即离焦量要小）？ 答：利用“猫眼”法的运用（聚焦）减小反射损失。 如何准确地定位声源的位置？ 答：我们尝试过应用最多的雷达系统，但最后采用了自己设计 的比较简单易行的激光测震动强度初步判断偏离角和数学方法计算 垂直距离。 3：如何减小环境的噪音对玻璃震动的干扰？ 9 答：我们采取在教室玻璃外侧（面积足够大，但不一定要全部 覆盖）贴上多孔海绵吸收噪音，只留下 2 到 5cm 大小的圆作测量点 （测量点最好选在定位测出来的最小距离点 p，此处震动最强） 。 五. 特色与创新点 1. 氦氖激光探测器聚光性很好，所测震动强度精确度高； 2. “猫眼”法的运用（聚焦）减小了反射光损失； 3. 海绵体疏松多孔，很好的吸收了外部环境的多余噪音 影响； 4. 实验说用膜聚焦透镜可以进行窄带滤波,大大地减小背 景光线的干扰； 5. 运用单片机等系统，直接显示结果。 六. 时间进度安排 2012 年 5 月 10 到 5 月 20：方案的修订和制定最终的详细制作方 案 2012 年 5 月 20 到 6 月 1：材料的购买 2012 年 6 月 2 到 6 月 20：激光探测器和窃听器的制作 2012 年 6 月 21 到 7 月 10：仪器性能测试与数据处理方案写定 2012 年 7 月 10 后可参与比赛 七. 经费预算 He - Ne 激光器（两个）及其配件：约 1000*2=2000 元 SPCE061A 单片机：140 元 10 接受和放大电路各种元