基于CCD辅助定位-双光楔光束调节的激光监听装置及采用该装置实现监听的方法

摘要

基于CCD辅助定位-双光楔光束调节的激光监听装置及采用该装置实现监听的方法，涉及一种激光监听技术。它为了解决现有激光监听方法定位复杂、无法有效监听最佳振动点、受共模量干扰量影响和光功率包含监听信息有限的问题。本发明的基于CCD辅助定位-双光楔光束调节的激光监听装置包括多维复合调节台、激光器、偏振分光棱镜、λ/4玻片、双光楔系统、望远放大系统、CCD成像系统、计算机、放大电路和四象限光电探测器。通过CCD成像系统寻找被监听目标反射面，将目标反射面分割成M×N个阵列子区域并控制双光楔系统进行阵列式扫描，使激光点落在电压信号最大的阵列子区域，将电压信号转换为声音信号得到监听信息。本发明适用于激光监听领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光监听技术。

背景技术

监听和反监听技术一直是各国国防的重要议题之一，被广泛应用于军事监听、间谍窃 听和警方监视等。基于不同的监听技术，包含多种监听设备。例如，有线窃听利用客观存 在的线如电话线、网络线及预先埋藏的窃听线等来截取目标信息，但是有线窃听必须依赖 于“线”，所以易被侦查排除，反侦察能力很弱；软件无线电侦听是一种被动接受装置，由 射频前端接收、信号处理和计算机处理三部分组成，软件无线电侦听接收机优点是体积小、 信号频带宽、处理功能强大、升级容易、间兼容性高，具有高度灵活性等，但是信号直接 在广阔空间传播，泄密威胁性大；微波监听技术是以微波作为传感器，通过提取被振动物 质的振动信息获知声音信号特征量的工程技术，但是微波监听技术在远距离侦听时效果明 显变差，以及反侦听能力较弱。激光监听的监听原理和微波原理相似，其具体工作原理如 下：

首先在发射端，点光源发出的红外激光照射在调制端，即被监听目标振动玻璃上；由 于被监听目标声音信号在玻璃表面会产生声压，驱动玻璃做受迫振动，使其在激光入射点 附近做近似垂直振动，玻璃的微小位移使得反射激光的光轴也发生相应线性的位移；在接 收端，通过探测射到光电检测器窗口的光斑位置或面积的变化，可将光信号转变为变化的 电信号，再经过对变化电信号的过滤、放大等处理，实现声音的还原放大效果；最终实现 激光监听的目的。

2003年12月，激光与光电子学进展第40卷第12期发表文章《激光窃听技术的研究》， 这篇文章介绍了传统的激光监听方法。该方法的实现主要是由发射装置和接收装置组成， 其中发射装置主要包括半导体激光器以及光学系统，半导体激光器发出5mw近红外光， 波长范围大约在790-820nm，在远距离窃听中需使用光束扩展器，来增大对玻璃的照射面 积，如果光束发散角过大，有时还需要用望远系统进行瞄准，总之，发射系统主要任务就 是降入射光线打到玻璃中央，同时要保持方向不变；接收装置主要包括光电探测器，光学 接收系统以及电信号处理系统，其中单色滤光片首先对反射光的红外光部分通过，会聚透 镜将光线聚焦之焦点，探测器安装在会聚透镜的焦点处，探测器将不同的红外光能量转化 为不同的电信号，进行调节，前置放大器将由探测器输入的电信号进行增益放大并输入到 音频放大器LM380，音频放大器LM380可以直接驱动扬声器，并输入到电压跟随器，电 压跟随器的输出值直接显示在检流计上，表示探测器接收到的光能量的大小。该方法克服 了有线监听易被侦查排除的缺点，同时也在一定程度上克服了微波侦听监听距离短的不 足。但是传统的监听方法的缺点是：发送装置和接收装置是分离的，监听系统的搭建、定 位、调节等较复杂；远距离监听中光信号太微弱；共模噪声信号对监听质量影响较大。

2008年2月，激光与红外这篇文章介绍了第38卷第2期发表文章《激光窃听技术的 改进与实现》，这篇文章介绍了一种运用“猫眼”原理对激光监听技术进行改进的方法。该 方法在被监听振动端加装“猫眼”，即有焦距为f的凸透镜，使被监听振动平面与“猫眼”焦 平面重合，从而使反射光线与入射光线互相平行，这样，即可将发射端和接收端组合在一 个系统中；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，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。该方法定义回波功率与发射功率的比 值为功率对比度M，推导出功率对比度与离焦量的关系为：

$M=\frac{16A_{\gamma }{A}_s{\rho }_s{\tau }_{\gamma }\tau {\tau }_s^2}{{\pi }^2{\left({\theta }_0\right)}^2{(2\mathrm{dD}/f^2)}^2{R}^4}$

该方法克服了经典方法发射装置与接收装置分离和激光器不稳定造成监听信号不稳 定的缺点。但是该方法属于半侵入式窃听，猫眼一旦被侦查发现，监听即失败。

上述两种方法都有如下缺点：

(1)缺少专门用于对被监听目标振动平面定位的系统和装置，使激光器使用过程中 调节较复杂，目标振动平面一旦变化，需要再次调节，过程更加复杂，而且入射光照射位 置并不一定是监听效果最好的位置。

(2)对环境光等共模量缺少有效地抑制方法；

(3)光电探测器仅仅是对回波功率大小进行探测，回波功率包含的监听信息有限。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有激光监听方法定位复杂、无法有效监听最佳振动点、受共模 量干扰量影响和光功率包含监听信息有限的问题，提供一种基于CCD辅助定位-双光楔光 束调节的激光监听装置及采用该装置实现监听的方法。

本发明所述的基于CCD辅助定位-双光楔光束调节的激光监听装置包括多维复合调 节台1、激光器2、偏振分光棱镜3、λ/4玻片4、双光楔系统5、望远放大系统6、CCD 成像系统7、计算机8、放大电路9和四象限光电探测器10，激光器2、偏振分光棱镜3、 λ/4玻片4、双光楔系统5和望远放大系统6沿激光器2发射的激光的方向依次排列，且 激光器2的输出光轴、λ/4玻片4、双光楔系统5和望远放大系统6的中心轴重合，计算 机8的双光楔控制信号输出端与双光楔系统5的控制信号输入端连接，CCD成像系统7 的信号输出端与计算机8的CCD信号输入端连接，四象限光电探测器10的a象限信号输 出端、b象限信号输出端、c象限信号输出端和d象限信号输出端分别与放大电路9的a 象限信号输入端、b象限信号输入端、c象限信号输入端和d象限信号输入端连接，放大 电路9的电压信号输出端、x方向电压信号输出端和y方向电压信号输出端分别与计算机 8的光电探测器电压信号输入端、x方向电压信号输入端和y方向电压信号输入端连接， 激光器2固定于多维复合调节台1上。

本发明所述的基于CCD辅助定位-双光楔光束调节的激光监听装置的放大电路9包括 前置放大电路A、求和放大电路、前置放大电路B、微分电路、减法电路A和减法电路B， 微分电路将输入的信号分别对时间求导，并将求导后的结果分别输出，前置放大电路A 的a象限信号输入端、b象限信号输入端、c象限信号输入端和d象限信号输入端分别为 放大电路9的a象限信号输入端、b象限信号输入端、c象限信号输入端和d象限信号输 入端，前置放大电路A的a象限信号输入端、b象限信号输入端、c象限信号输入端和d 象限信号输入端分别与前置放大电路B的a象限信号输入端、b象限信号输入端、c象限 信号输入端和d象限信号输入端连接，前置放大电路A的a象限信号输出端、b象限信号 输出端、c象限信号输出端和d象限信号输出端分别与求和放大电路的a象限信号输入端、 b象限信号输入端、c象限信号输入端和d象限信号输入端连接，前置放大电路B的a象 限信号输出端、b象限信号输出端、c象限信号输出端和d象限信号输出端分别与微分电 路的a象限信号输入端、b象限信号输入端、c象限信号输入端和d象限信号输入端连接， 微分电路的a象限信号输出端、b象限信号输出端、c象限信号输出端和d象限信号输出 端分别与减法电路A的a象限信号输入端、b象限信号输入端、c象限信号输入端和d象 限信号输入端连接，减法电路A的a象限信号输入端、b象限信号输入端、c象限信号输 入端和d象限信号输入端分别与减法电路B的a象限信号输入端、d象限信号输入端、c 象限信号输入端和b象限信号输入端连接，求和放大电路的电压信号输出端为放大电路9 的电压信号输出端，减法电路A的电压信号输出端为放大电路9的x方向电压信号输出 端，减法电路B的电压信号输出端为放大电路9的y方向电压信号输出端。

微分电路输出信号与输入信号的关系为：a象限信号输出端输出信号为a象限信号输 入端输入信号对时间的微分，b象限信号输出端输出信号为b象限信号输入端输入信号对 时间的微分，c象限信号输出端输出信号为c象限信号输入端输入信号对时间的微分，d 象限信号输出端输出信号为d象限信号输入端输入信号对时间的微分。

减法电路A的输出信号与输入信号的关系为：

输出信号＝(a象限信号输入端输入信号+d象限信号输入端输入信号)-(b象限信号输 入端输入信号+c象限信号输入端输入信号)；

减法电路B的输出信号与输入信号的关系为：

输出信号＝(a象限信号输入端输入信号+b象限信号输入端输入信号)-(c象限信号输 入端输入信号+d象限信号输入端输入信号)。

本发明所述的基于CCD辅助定位-双光楔光束调节的激光监听装置的放大电路9中的 减法电路A的放大系数与减法电路B的放大系数相等。

上述基于CCD辅助定位-双光楔光束调节的激光监听装置实现监听的方法通过以下 步骤实现：

步骤一、启动激光器2，调节CCD成像系统7的位置和角度，使CCD成像系统7所 成的像的为被监听目标反射面；

步骤二、计算机8采集CCD成像数据并将目标反射面分割成M×N个阵列子区域， 利用所述阵列子区域的行数和列数(i，j)来定义该区域，初始化阵列区域(i，j)＝(1，1)；

步骤三、计算机8控制双光楔系统5进行阵列式扫描，得到每个阵列子区域的电压信 号值U_i，j；

步骤四、计算机8根据步骤三得到的每个阵列子区域的电压信号值U_i，j，确定电压信号 值最大的位置区域(x，y)；

步骤五、计算机8调节双光楔系统5，使激光器2发出的激光点落在电压信号值U_i，j最大的阵列子区域(x，y)内；

步骤六、计算机8采集四象限光电探测器10发出的电压信号

U_x＝k[(dI_a/dt+dI_a/dt)-(dI_b/dt+dI_c/dt)]

或

U_y＝k[(dI_a/dt+dI_b/dt)-(dI_c/dt+dI_d/dt)]，

将电压信号U_x或U_y转换为声音信号并进行处理和存储，得到监听信息；

其中，k＝a₂·b₂·c，a₂为前置放大电路B的放大系数，b₂为微分电路的放大系数，c 为减法电路A与减法电路B的放大系数，I_a、I_b、I_c和I_d分别为四象限光电探测器10 的四个象限发出的电流信号值。

本发明所述的基于CCD辅助定位-双光楔光束调节的激光监听装置实现监听的方法 的步骤三所述的计算机8控制双光楔系统5进行阵列式扫描，得到每个阵列子区域的电压 信号值U_i，j的过程通过以下步骤实现：

步骤A、计算机8调节双光楔系统5中双光楔的间距和角度，使激光器2发出的激光 依次通过偏振分光棱镜3、λ/4玻片4、双光楔系统5和望远放大系统6后，照射在被监 听目标反射面阵列子区域内(i，j)；执行步骤B；

步骤B、阵列子区域(i，j)反射回的光信号依次通过望远放大系统6、双光楔系统5、 λ/4玻片4和偏振分光棱镜3后进入四象限光电探测器10，所述i和i分别为目标反射面 内激光点所在的阵列子区域所在的行数和列数，四象限光电探测器10将反射回的光信号 转换成电压信号，计算机采集该电压信号，执行步骤C；

步骤C、判断i是否为奇数，如果判断结果为是，则执行步骤F；否则，执行步骤D；

步骤D、判断i的值是否等于1，如果判断结果为是，则执行步骤H；否则执行步骤 E；

步骤E、j＝j-1；返回步骤A；

步骤F、判断i的值是否等于N，如果判断结果为是，则执行步骤H；否则执行步骤 G；

步骤G、j＝j+1；返回步骤A；

步骤H、判断i的值是否等于M，如果判断结果为否，则执行步骤I；否则结束阵列 式扫描过程；

步骤I、i＝i+1；返回步骤A。

本发明所述的基于CCD辅助定位-双光楔光束调节的激光装置实现监听的方法通过 CCD成像系统对被监听目标进行定位，通过对被监听目标反射面进行阵列扫描来寻找最 佳振动点，通过减法电路A或减法电路B消除共模量干扰，利用四象限光电探测器探测 出反射光振动位置信息，进而得到有效监听信息，具有对被监听目标定位简单、能够有效 监听最佳振动点、不受共模量干扰量影响和光信号包含监听信息量大的优点。

附图说明

图1是本发明所述的基于CCD辅助定位-双光楔光束调节的激光监听装置结构图；

图2是本发明所述的基于CCD辅助定位-双光楔光束调节的激光监听装置的放大电路 的原理示意图；

图3是四象限光电探测器平面结构示意图；

图4是基于CCD辅助定位-双光楔光束调节的激光监听方法流程图；

图5是目标振动反射面的M×N阵列区域图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于CCD辅助定位 -双光楔光束调节的激光监听装置包括多维复合调节台1、激光器2、偏振分光棱镜3、λ/4 玻片4、双光楔系统5、望远放大系统6、CCD成像系统7、计算机8、放大电路9和四 象限光电探测器10，激光器2、偏振分光棱镜3、λ/4玻片4、双光楔系统5和望远放大 系统6沿激光器2发射的激光的方向依次排列，且激光器2的输出光轴、λ/4玻片4、双 光楔系统5和望远放大系统6的中心轴重合，计算机8的双光楔控制信号输出端与双光楔 系统5的控制信号输入端连接，CCD成像系统7的信号输出端与计算机8的CCD信号输 入端连接，四象限光电探测器10的a象限信号输出端、b象限信号输出端、c象限信号输 出端和d象限信号输出端分别与放大电路9的a象限信号输入端、b象限信号输入端、c 象限信号输入端和d象限信号输入端连接，放大电路9的电压信号输出端、x方向电压信 号输出端和y方向电压信号输出端分别与计算机8的光电探测器电压信号输入端、x方向 电压信号输入端和y方向电压信号输入端连接，激光器2固定于多维复合调节台1上。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的 基于CCD辅助定位-双光楔光束调节的激光监听装置的区别在于：所述放大电路9包括前 置放大电路A、求和放大电路、前置放大电路B、微分电路、减法电路A和减法电路B， 微分电路将输入的信号分别对时间求导，并将求导后的结果分别输出，前置放大电路A 的a象限信号输入端、b象限信号输入端、c象限信号输入端和d象限信号输入端分别为 放大电路9的a象限信号输入端、b象限信号输入端、c象限信号输入端和d象限信号输 入端，前置放大电路A的a象限信号输入端、b象限信号输入端、c象限信号输入端和d 象限信号输入端分别与前置放大电路B的a象限信号输入端、b象限信号输入端、c象限 信号输入端和d象限信号输入端连接，前置放大电路A的a象限信号输出端、b象限信号 输出端、c象限信号输出端和d象限信号输出端分别与求和放大电路的a象限信号输入端、 b象限信号输入端、c象限信号输入端和d象限信号输入端连接，前置放大电路B的a象 限信号输出端、b象限信号输出端、c象限信号输出端和d象限信号输出端分别与微分电 路的a象限信号输入端、b象限信号输入端、c象限信号输入端和d象限信号输入端连接， 微分电路的a象限信号输出端、b象限信号输出端、c象限信号输出端和d象限信号输出 端分别与减法电路A的a象限信号输入端、b象限信号输入端、c象限信号输入端和d象 限信号输入端连接，减法电路A的a象限信号输入端、b象限信号输入端、c象限信号输 入端和d象限信号输入端分别与减法电路B的a象限信号输入端、d象限信号输入端、c 象限信号输入端和b象限信号输入端连接，求和放大电路的电压信号输出端为放大电路9 的电压信号输出端，减法电路A的电压信号输出端为放大电路9的x方向电压信号输出 端，减法电路B的电压信号输出端为放大电路9的y方向电压信号输出端，

微分电路输出信号与输入信号的关系为：a象限信号输出端输出信号为a象限信号输 入端输入信号对时间的微分，b象限信号输出端输出信号为b象限信号输入端输入信号对 时间的微分，c象限信号输出端输出信号为c象限信号输入端输入信号对时间的微分，d 象限信号输出端输出信号为d象限信号输入端输入信号对时间的微分；

减法电路A的输出信号与输入信号的关系为：

输出信号＝(a象限信号输入端输入信号+d象限信号输入端输入信号)-(b象限信号输 入端输入信号+c象限信号输入端输入信号)；

减法电路B的输出信号与输入信号的关系为：

输出信号＝(a象限信号输入端输入信号+b象限信号输入端输入信号)-(c象限信号输 入端输入信号+d象限信号输入端输入信号)。

具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的 基于CCD辅助定位-双光楔光束调节的激光监听装置的区别在于：所述微分电路输出信号 与输入信号的关系为：

a象限信号输出端输出信号为a象限信号输入端输入信号对时间的微分，

b象限信号输出端输出信号为b象限信号输入端输入信号对时间的微分，

c象限信号输出端输出信号为c象限信号输入端输入信号对时间的微分，

d象限信号输出端输出信号为d象限信号输入端输入信号对时间的微分。

具体实施方式四：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的 基于CCD辅助定位-双光楔光束调节的激光监听装置的区别在于：所述减法电路A的输 出信号与输入信号的关系为：

输出信号＝(a象限信号输入端输入信号+d象限信号输入端输入信号)-(b象限信号输 入端输入信号+c象限信号输入端输入信号)；

所述减法电路B的输出信号与输入信号的关系为：

输出信号＝(a象限信号输入端输入信号+b象限信号输入端输入信号)-(c象限信号输 入端输入信号+d象限信号输入端输入信号)。

具体实施方式五：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的 基于CCD辅助定位-双光楔光束调节的激光监听装置的区别在于：所述减法电路A的放 大系数与减法电路B的放大系数相等。

具体实施方式六：结合图4说明本实施方式，本实施方式所述的是实施方式一所述 的基于CCD辅助定位-双光楔光束调节的激光监听装置实现监听的方法，所述方法通过以 下步骤实现：

步骤一、启动激光器2，调节CCD成像系统7的位置和角度，使CCD成像系统7所 成的像的为被监听目标反射面；

步骤二、计算机8采集CCD成像数据并将目标反射面分割成M×N个阵列子区域， 利用所述阵列子区域的行数和列数(i，j)来定义该区域，初始化阵列区域(i，j)＝(1，1)；

步骤三、计算机8控制双光楔系统5进行阵列式扫描，得到每个阵列子区域的电压信 号值U_i，j；

步骤四、计算机8根据步骤三得到的每个阵列子区域的电压信号值U_i，j，确定电压信号 值最大的位置区域(x，y)；

步骤五、计算机8调节双光楔系统5，使激光器2发出的激光点落在电压信号值U_i，j最大的阵列子区域(x，y)内；

步骤六、计算机8采集四象限光电探测器10发出的电压信号

U_x＝k[(dI_a/dt+dI_d/dt)-(Di_b/dt+dI_c/dt)]

或

U_y＝k[(dI_a/dt+dI_b/dt)-(dI_c/dt+dI_d/dt)]，

将电压信号U_x或U_y转换为声音信号并进行处理和存储，得到监听信息；

其中，k＝a₂·b₂·c，a₂为前置放大电路B的放大系数，b₂为微分电路的放大系数，c 为减法电路A与减法电路B的放大系数，I_a、I_b、I_c和I_d分别为四象限光电探测器10 的四个象限发出的电流信号值。

本实施方式所述的基于CCD辅助定位-双光楔光束调节的激光监听方法利用CCD成 像系统7对被监听目标进行定位，定位方法简单；通过对被监听目标反射面进行阵列扫描 来寻找电压信号最大值所在的位置区域，能够有效监听最佳振动点；通过减法电路A或 减法电路B消除共模量干扰；利用四象限光电探测器10对反射光进行探测，四象限光电 探测器10对光的位置变化敏感，获得的光信号包含的监听信息量大。

具体实施方式七，结合图4和图5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四 所述的基于CCD辅助定位-双光楔光束调节的激光监听装置实现监听的方法的区别在于： 所述方法的步骤三所述的计算机8控制双光楔系统5进行阵列式扫描，得到每个阵列子区 域的电压信号值U_i，j的过程通过以下步骤实现：

步骤A、计算机8调节双光楔系统5中双光楔的间距和角度，使激光器2发出的激光 依次通过偏振分光棱镜3、λ/4玻片4、双光楔系统5和望远放大系统6后，照射在被监 听目标反射面阵列子区域内(i，j)；执行步骤B；

步骤B、阵列子区域(i，j)反射回的光信号依次通过望远放大系统6、双光楔系统5、 λ/4玻片4和偏振分光棱镜3后进入四象限光电探测器10，所述i和i分别为目标反射面 内激光点所在的阵列子区域所在的行数和列数，四象限光电探测器10将反射回的光信号 转换成电压信号，计算机采集该电压信号，执行步骤C；

步骤C、判断i是否为奇数，如果判断结果为是，则执行步骤F；否则，执行步骤D；

步骤D、判断i的值是否等于1，如果判断结果为是，则执行步骤H；否则执行步骤 E；

步骤E、j＝j-1；返回步骤A；

步骤F、判断i的值是否等于N，如果判断结果为是，则执行步骤H；否则执行步骤 G；

步骤G、j＝j+1；返回步骤A；

步骤H、判断i的值是否等于M，如果判断结果为否，则执行步骤I；否则结束阵列 式扫描过程；

步骤I、i＝i+1；返回步骤A。

四象限光电探测器10将反射回的光信号转换成电压信号U_i，j＝k₁(I_a+I_b+I_c+I_d)，其 中k₁＝a₁·b₁，a₁为前置放大电路A的放大系数，b₁为求和放大电路的放大系数。