基于PSD傳感器的激光語音還原系統(tǒng)電路設(shè)計

隨著當(dāng)今世界科技的發(fā)展，激光的應(yīng)用越來越廣，不僅能實現(xiàn)準(zhǔn)確測距，還可以精確地定位聲源并還原其內(nèi)容(即激光竊聽和定位技術(shù))。激光竊聽和定位作為一種比較新的竊聽和定位手段，同傳統(tǒng)竊聽方式相比有著無須靠近目標(biāo)、操作方便、不易察覺、不易受到干擾等獨到的優(yōu)點。但是激光竊聽受天氣、環(huán)境影響較大，與竊聽目標(biāo)周圍反射面性能也有較大關(guān)系，且進行更遠距離作業(yè)時系統(tǒng)比較復(fù)雜，這些都是激光竊聽技術(shù)進一步發(fā)展的方向[1-4]。
現(xiàn)有的激光語音還原系統(tǒng)中多采用離散型位置探測器采集激光位置信號?，F(xiàn)有技術(shù)具有語音恢復(fù)精度低、處理電流信號少、缺乏濾波或濾波不夠徹底的問題。本文將提出一種基于位置傳感器PSD的激光語音還原方法及電路，旨在解決現(xiàn)有電路存在的這些問題。
首先，聲音加載到玻璃上形成聲場變化，用激光對其進行調(diào)制，通過PSD技術(shù)測量反射光解調(diào)為微弱的電信號，然后對此微弱信號進行放大和檢測，從而解析出語音內(nèi)容。
1 系統(tǒng)的總體構(gòu)成原理
本系統(tǒng)主要針對聲音源在房間內(nèi)，而在室外監(jiān)聽語音內(nèi)容所設(shè)計的。當(dāng)房間內(nèi)的聲音傳播開來，墻上的玻璃會產(chǎn)生微小的震動；在室外使用激光照射到玻璃上，使聲音信號被調(diào)制到激光上，通過玻璃的反射，被調(diào)制的激光沿一定方向反射回來，照射到PSD傳感器上，通過PSD位置傳感器檢測光斑的位置移動，就可以得到玻璃振動振幅的相對值；對該值進行光電轉(zhuǎn)換和電信號處理，即可恢復(fù)成原始的語音信號。原理結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
本系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)是激光發(fā)射信號的接收和恢復(fù)電路。該電路包括三部分：光電轉(zhuǎn)換電路、流壓變換電路和差分放大電路。電路示意圖如圖2所示。

2 PSD光電轉(zhuǎn)換電路的原理
PSD光電探測器是利用光照情況下光敏二極管表面阻抗的變化來檢測光斑的位置。一維PSD（S3931）工作原理如圖3所示[5]。

在n層引出一個公共電極，作為兩路電流的參考電流，即為零電位。利用PSD的反偏特性在PSD兩端接入反向電壓，當(dāng)光照射在PSD的光敏面上時，在同一平面p層的不同電極會產(chǎn)生電流，利用兩路電流信號差值的改變來對交流信號進行分析。由于該PSD的i區(qū)厚度較厚，其光電轉(zhuǎn)換效率高，因此有較高的靈敏度和響應(yīng)度。
經(jīng)測試，本設(shè)計中所用S3931的飽和光電流為100 μA，暗電流為0.2 nA～20 nA。當(dāng)用半導(dǎo)體激光器(5 mW)照射時，PSD兩端(I1和I2)輸出的電流大小為60～100μA。
3 流壓轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計
根據(jù)PSD工作原理，輸出的光電流必須通過電流-電壓轉(zhuǎn)換放大后才能進行后端的處理。由于PSD的引入噪聲和微弱的電流變化，需采用低噪聲的前置放大器芯片[6-7]。本設(shè)計的流壓轉(zhuǎn)換電路芯片是采用具有低輸入偏置電流的雙極性運算放大器AD704，分別對PSD輸出的兩路電流信號進行轉(zhuǎn)換，成為電壓信號。具體的流壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計如圖4所示。

4 差分放大電路的設(shè)計
由于流壓變換后的兩路信號仍存在很大的噪聲影響，本設(shè)計將變換后的信號進行差分放大，可有效地消除兩路信號中的噪聲，同時將直流量減掉，取出所需要的交流信號。這里采用ADI公司的低失真、精密差分放大器AD8274作為差分放大電路的芯片，它可在增益為2的情況下驅(qū)動600 Ω負載，差分后的信號Vout=2(V2-V1)，因此最終輸出的信號幅值可到2.5～5 Vpp。并且音頻端總諧波失真極低，非常適合本設(shè)計的需要。其具體電路如圖6所示。

5 實驗結(jié)果
通過實驗并進行多次改正和驗證，經(jīng)測定，在距離聲音源2～3 m之外的室外，聲音的音量與語音還原最終結(jié)果的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

從實驗結(jié)果可以看出，在室外用激光照射玻璃，采用PSD傳感器采集玻璃反射的光信號，再通過相應(yīng)電路系統(tǒng)的處理，能夠清晰地還原出室內(nèi)的語音信號。該系統(tǒng)為室外激光語音竊聽技術(shù)提供了一種可行的電路方案。
參考文獻
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