影響激光監聽效果的因素研究

黃磊 李胤玉 林高遠 黃涵之 李朝陽

摘 要：通過實驗研究了影響激光監聽效果的因素，包括激光光斑在硅光電池上的位置、光斑聚焦程度和環境光照強度等。結果發現，監聽效果強烈依賴于光斑在硅光電池上的位置，當二分之一光斑面積照射在硅光電池邊緣時，效果最好。監聽效果與激光的聚焦程度有關，聚焦程度越高，監聽效果越好。一定范圍內，激光監聽效果與外界光照強度基本沒有關系。

關鍵詞：激光監聽;監聽效果;硅光電池

Abstract：Based on the experiments of laser monitor，the effect of several factors on the monitor effect is studied.We considered the position of laser spot on the silicon photocell，the focus degree of laser spot，and the ambient light intensity.The results show that when the laser focus is high and half of the spot area falls on the edge of the silicon photocell the monitoring effect is better.In addition，we found that the monitor effect is independent of the ambient light intensity.

Key words：laser monitoring;monitoring effect;silicon photocell

激光的方向性好，能量集中，在軍事上可用于信息監聽。激光監聽不需要到被監聽場所安裝竊聽裝置，也不容易被對方發現，因此受到了各國情報部門的青睞[1]。但效果監聽會受到很多因素影響，如何提高監聽效果一直是近些年的研究熱點。2009年，戴瑋等[2]發現監聽效果與激光自身的強度、氣流和環境光照強度等因素有關。此后，趙官華等[3]制作了激光監聽演示實驗儀，并在實驗中發現，光斑的五分之一落在硅光電池上時，監聽效果較好。而最近的研究發現，光斑的二分之一落在硅光電池上時效果最好[4]。這些不一致的結論說明還有其他的因素影響監聽的效果，需要對影響激光監聽效果的因素作進一步研究。

1 研究方法

（1）實驗儀器。實驗采用上海實博實業有限公司生產的LCM-1型激光監聽演示儀。演示儀由激光光源、模擬房間、硅光電池和接收機組成。另需準備手機一只用于播放歌曲，用于模擬房間內講話聲音。接收機音量用噪音儀測量，環境光照強度用光強儀測量。

（2）監聽原理。當前對激光監聽原理的解釋有很多版本[5-7]，通常認為是聲音引起窗戶玻璃的輕微振動。監聽方把一束激光照射到模擬房間的玻璃上，并用硅光電池接收反射光。如果房間內有人講話，講話聲會引起玻璃振動，導致反射光來回振動。這個過程中，聲音信號先被轉換為玻璃的振動信號，再轉換為反射光光斑在硅光電池上的振動信號。硅光電池能夠把光的能量轉化為電流，電流的大小取決于接收到的光能量，即光電流與反射光斑落在硅光電池上的面積有關。隨著反射光斑在硅光電池邊緣振動，落在硅光電池上的光斑面積不斷發生變化，產生的光電流也隨之發生變化。在這個過程中，聲音信號先轉化為硅光電池上光斑面積的變化，再轉換為光電流的變化。把光電流送到接收機上，經過放大、降噪等處理，就可以把光電流信號還原成模擬房間的聲音信號了。

（3）實驗方案。保持實驗室安靜，將手機通過音頻線與激光監聽實驗儀的模擬房間連接，手機播放的歌曲直接送入模擬房間內。模擬房間與硅光電池間距5米，激光入射角60度。該角度可以使監聽達到最好的效果[2]。調整硅光電池的高度和位置，讓激光反射光照射在硅光電池邊緣。調節激光的聚焦程度，或水平移動硅光電池以改變光斑落在電池上的面積，或改變環境光照強度，并仔細聆聽接收機播放的歌曲。如調節過程中接收機產生明顯嘯叫，則調低接收機音量防止嘯叫產生。將噪音儀置于接收機喇叭口，測出接收機音量的大小。在沒有嘯叫的前提下，監聽效果可以用音量表達。音量越大，監聽效果越好。為了研究監聽效果與激光聚焦程度的關系，保持實驗室自然光環境，并始終保持激光光斑的一半落在硅光電池左側邊緣。研究光斑在硅光電池上的位置對監聽效果的影響時，保持激光聚焦程度最高和實驗室的自然光環境，移動硅光電池讓光斑從左側移至右側，記錄光斑在不同位置時接收機音量的大小。研究監聽效果與環境光照強度的關系時，保持激光聚焦程度最高并讓光斑的一半落在硅光電池上，并利用窗簾、實驗室燈光改變環境光照強度。環境光照強度的大小用光強儀測量。

2 實驗結果

（1）監聽效果與激光聚焦程度的關系。不同聚焦程度下的反射光斑如圖1所示，圖中黑色的圓代表硅光電池接收孔，（a）-（d）圖光斑面積分別為6×13mm2、6×26mm2、10×52mm2和26×78mm2，其線度分別是接收孔直徑的0.5、1、2和3倍。

不同聚焦程度下，將光斑的二分之一投射在硅光電池的邊緣，其監聽效果如表1所示。

隨著激光聚焦程度減低，光斑越來越大，顏色越來越淡，接收機音量變小，聽到接收機“嗡嗡”聲的次數變多，監聽效果越來越差。所以，激光光源聚焦程度越高，光斑面積越小，監聽效果越好。

（2）監聽效果與光斑位置的關系。在硅光電池接收孔水平中心線上建立坐標軸，測得硅光電池長度為16毫米，光斑水平寬度約6毫米，定義光斑右側邊緣為光斑位置。當光斑從硅光電池左側進入至移出硅光電池，坐標變化為0～22毫米。如圖2所示，接收機產生的音量先增加后減小，當x=11mm，即光斑位于硅光電池中心時音量達到極小值。此后，音量繼續經歷一個先增加后減小的過程。二個音量極大值位于x=3mm和x=19mm處，分別對應于光斑的右半部分落在硅光電池左側邊緣和光斑左半部分落在硅光電池右側邊緣。結果說明當光斑面積一半落在硅光電池邊緣時，監聽效果最好。

（3）監聽效果與環境光照強度的關系。不同環境光照強度下的接收機的音量如表2所示，光照強度27和41Lux對應于實驗室拉上窗簾和拉開窗簾兩種情況;171～895Lux對應于實驗室不同燈光照射環境。結果發現，環境光照對監聽效果影響不大。只是在通過開關調節燈光，實驗室光照強度發生突變的瞬間，接收機會發出一聲異響。可見，影響激光監聽效果的不是環境光的強度，而是光強度的變化。

監聽效果與激光聚焦程度、光斑位置和環境光照強度之間的關系，可以用能量的變化強度進行解釋。從圖2可知，光斑的能量分布是不均勻的。光斑中心的能量密度大，外周能量密度小。當激光聚焦程度高時，能量集中，當光斑的一半照射在硅光電邊緣時，因光斑振動導致硅光電池接收的光能變化量是最大的。因此，接收機還原出的聲音最響，效果最好。當整個光斑開始進入硅光電池時，光斑的對光能的改變是非常微弱的。當整束光都落在硅光電池上時，硅光電池接收到的光能基本保持不變，接收機就不能還原出房間內的聲音。另外，當光斑能量集中時，外界光的影響基本可以忽略不計，因此，在白天也是可以利用激光進行遠距離監聽的。

3 結論

影響激光監聽效果的因素有很多，本文通過實驗的方法，主要研究了激光聚集程度、光斑在硅光電池上的位置和環境光照強度等因素對監聽效果的影響。結果發現，當激光聚焦程度高，光斑一半落在硅光電池邊緣時，監聽效果比較好。另外發現，當激光能量集中時，環境光照對監聽效果影響非常小，基本可以忽略。

參考文獻：

[1]李抒音，曹宏.誰在竊聽——形形色色的國際竊聽戰[M].金城出版社，2002.

[2]戴瑋，沈建華.激光監聽實驗的開設與研究[J].大學物理實驗，2009，22（4）：41-44.

[3]趙官華，唐芳.激光監聽演示實驗儀器的制作[J].物理與工程，2010，20（3）：62-64.

[4]陳思如.MatLab仿真分析在激光監聽技術研究中的應用[J].科技風，2018（16）：12-13.

[5]孫嘉良，張亞星.激光監聽器探測室內聲場的基本原理[J].煙臺大學學報，2017，30（4）：352-354.

[6]母一寧，劉艷陽，李平，姜會林.大氣環境下的四象限激光監聽方法與試驗[J].半導體光電，2014，35（03）：523-526.

[7]夏長超，曹文，張利巍.基于光電三極管的激光監聽實驗的研究[J].黑龍江科技信息，2012（21）：47.