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摘 要：本文设计一种基于激光的非接触式音频采集系统，利用激光特有的方向性、相干性、单色性的特点，通过一束激光照射在易受声压作用并产生振动的物体上，进而对声音信号进行采集;再借助LabVIEW图形化软件对声音信号进行时域分析和频域分析，实时显示在工作前面板上.该系统在试验中得到了很好的验证，为声音信号的进一步分析与处理提供了理论支持.
关键词：激光;声音振動信号;LabVIEW
中图分类号：TP274.2;TN24 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.03.010
引言
激光侦听早在20世纪末[1-2]就开始，国内也有许多学者对其原理和实现进行了研究和改进 [3-8].激光侦听是一种非接触性的、可以不遗留下任何痕迹的探测技术.因为拥有监听效果好、监听距离远、可以隐蔽起来监听等特点，其在军事、反恐等领域广泛使用.
在传统的列车接近预警系统中对声音振动信号采集多数运用接触式传感器，如压电式加速度传感器、拾音器等接触式传感器，其主要缺点是遇上铁轨生锈或者难以附着其表面时，无法有效的接触信号载体，导致不能成功进行信号采集.本文利用激光的非接触性对声音振动信号进行采集研究，由硬件电路采集信号，经过MPS-010601数据采集卡送入上位机的LabVIEW信号采集虚拟仪器软件系统，通过该系统可以实现对声音信号的采集、储存、分析.
1 激光采集信号原理
众所周知，声波的传播需要介质，当声音经过玻璃等能够反射光的介质时，玻璃因受声音变化的影响发生轻微振动，玻璃振动与声压振动的幅度成正比.由于玻璃受迫振动使得玻璃发生微小位移，因此在激光入射角不变的情况下，由于玻璃的形变使得反射光发生微小位移，照射在光电检测器上的光斑面积跟着变化，光电二极管的光电流也产生相应的变化，这样实现了声音信号对激光的调制[9-11].
声音传播至玻璃表面会产生声压，由于声压作用使得玻璃上发生振动，设玻璃振动方程为：
2 硬件电路设计
硬件部分主要由发射装置和接收装置组成，利用MPS-010602采集激光信号并发送到上位机中，通过labview软件进行分析与处理[12].
2.1 发射装置与接收装置
本文所设计的发射装置主要由红色激光二极管构成，该装置可发射5 mW、650 nm波长可见光.
本文所设计的接收装置如图2所示，接受装置可分为会聚镜、光电探测器以及电信号处理系统三部分，其中会聚镜用于聚焦光束，红色滤光片用于滤除其他干扰光线，减少噪声，提高系统信噪比.
2.2 前置放大电路
由于激光波动幅度小，转化后的光电流信号微弱，无法直接进行处理.本文采用前置放大电路将电流转化的电压信号放大，前置放大电路图如图3所示.
2.3 二阶带通滤波器
由于所采集的信号噪声过大，需要设计滤波器进一步减少噪声.本文所设计的二阶带通滤波电路如图4所示，可有效地滤除环境、元器件以及前置放大电路所带来的噪声.
图4所示是二阶带通滤波器，前部分是二阶压控电压源（VCVS）低通滤波器，后部分是高通滤波器，两部分串接形成的带通滤波器.低通滤波器可通过低频信号，高通滤波器可通过高频信号.
3 实验数据及分析
根据设计方案，发射装置采用5 V直流红色激光二极管，红色可见光能够有效的矫正激光路线从而使得反射光对准接收装置.接收装置为了保证稳定性放置于暗箱中，隔绝环境光的干扰.本文以玻璃瓶壁作为振动介质，发射装置将激光打在玻璃瓶壁上，接收装置接收到反射回来的光，通过光电三极管将光信号转为电信号并发送到上位机中.当声源导致玻璃发生振动时，反射光发生微小的偏移，接收装置接收的光斑发生变化，从而导致电信号改变.将连续变化的电信号送入上位机中进行分析后，最终可得到声源处的音频.
LabVIEW[13]搭建的激光采集系统包括参数设置、数据采集、图形化显示、存储、数据回放等功能，显示界面如图5所示.设置好激光采集系统参数后，将预先准备的音频放置于声源处，发射装置发射出激光，经过玻璃振动调试后被接收装置接收.通过本文所设计的解调、放大、滤波电路处理后，再由采集系统处理得到结果.预先准备的音频波形如图6所示，实验得到的结果如图7所示.对比发现，原始音频数据和采集后的数据波形基本吻合，本文所提出的方法可在非接触的条件下有效的采集音频信号.
当有火车接近时候，轮轨会产生振动，形成一定频率的振动信号，其信号波形的幅值增大，而无火车接近时幅值较低.根据文献[13]可知，轮轨噪声信号在钢轨中传播能量损失很小，因此，可利用采集到的波形的幅值上设置一个阈值，实时监测轮轨噪声的幅值是否达到阈值来判断火车是否接近.
4 结束语
本文提出通过激光通信技术对声音的振动信号进行采集研究.先将声音信号调制到激光束上，然后，把带有声音信号的激光发送出去，用接收装置把音像信号检出来.这种方法允许在非接触条件下对声音振动信号进行采集，对采集列车激励钢轨产生的轮轨振动信号提供了一个新的方法，大大提高列车预警系统的安全性和便携性.
参考文献
[1] MIMS F M. Beware of laser eavesdropping[J].American Journal of Physics，1987，55（10）：871-872.
[2] SOLOMON J，PRIGO R. Eavesdropping with a laser[J].American of Physics，1987，55（4）：381. [3] 罗海俊，朱晓.激光窃听技术的研究[J].激光与光电子学进展，2003，40（12）：53-56.
[4] 王晓颖，赵振明.无线激光通信音频传输实验[J].物理實验，2008，28（7）：5-7.
[5] 耿蕊，陈芳芳，吕勇.激光大气传输透过率影响因素研究[J].激光杂志，2016，37（12）：13-17.
[6] 周玉蛟，任侃，钱惟贤，等.基于光电二极管反偏的光电检测电路的噪声分析[J].红外与激光工程，2016，45（1）：264-269.
[7] 陈宏哲，郑荣山，张英远，等.激光主动侦察技术应用[J].光电技术应用，2007，22（2）：19-21，61.
[8] 刘玉华，李广林.“猫眼”效应在激光侦听中的应用研究[J].电子设计工程，2012，20（19）：129-131.
[9] 王丽君.浅析光电二极管与光电三极管特性的异同[J].湖北广播电视大学学报，2012，32（8）：159-160.
[10] 林科业，孙番典，刘诗伟，等.一种基于超声波的窃听方法[J].现代电子技术，2012，35（3）：196-198.
[11] 甯青松，马小龙，杨振.激光窃听实验探究[J].物理实验，2009，29（12）：38-41.
[12] 张宏献，徐武彬，陈其兵，等.基于LabVIEW的滑动轴承转子系统实验设计[J].广西工学院学报，2011，22（2）：28-32.
[13] 张琪，周丽娟，王倩，等.基于LabVIEW的声音信号采集与分析系统[J].广西科技大学学报，2016，27（3）：55-59.
Abstract： A non-contact audio acquisition system is developed based on the special directionality， coherence， and monochromatic characteristics of laser. In the system， acoustic signals can be first collected by a laser beam on a vibrating object. By using the LabVIEW software both the time and frequency domain analysis of sound signals are taken then， the data are displayed on the work panel. The simulation and experimental results are in good agreement with each other， which means that the system may provide basic theoretical support for future acoustic signal analysis and processing.
Key words： laser; sound and vibration signals; LabVIEW
（责任编辑：黎 娅）
关键词：激光;声音振動信号;LabVIEW
中图分类号：TP274.2;TN24 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.03.010
引言
激光侦听早在20世纪末[1-2]就开始，国内也有许多学者对其原理和实现进行了研究和改进 [3-8].激光侦听是一种非接触性的、可以不遗留下任何痕迹的探测技术.因为拥有监听效果好、监听距离远、可以隐蔽起来监听等特点，其在军事、反恐等领域广泛使用.
在传统的列车接近预警系统中对声音振动信号采集多数运用接触式传感器，如压电式加速度传感器、拾音器等接触式传感器，其主要缺点是遇上铁轨生锈或者难以附着其表面时，无法有效的接触信号载体，导致不能成功进行信号采集.本文利用激光的非接触性对声音振动信号进行采集研究，由硬件电路采集信号，经过MPS-010601数据采集卡送入上位机的LabVIEW信号采集虚拟仪器软件系统，通过该系统可以实现对声音信号的采集、储存、分析.
1 激光采集信号原理
众所周知，声波的传播需要介质，当声音经过玻璃等能够反射光的介质时，玻璃因受声音变化的影响发生轻微振动，玻璃振动与声压振动的幅度成正比.由于玻璃受迫振动使得玻璃发生微小位移，因此在激光入射角不变的情况下，由于玻璃的形变使得反射光发生微小位移，照射在光电检测器上的光斑面积跟着变化，光电二极管的光电流也产生相应的变化，这样实现了声音信号对激光的调制[9-11].
声音传播至玻璃表面会产生声压，由于声压作用使得玻璃上发生振动，设玻璃振动方程为：
2 硬件电路设计
硬件部分主要由发射装置和接收装置组成，利用MPS-010602采集激光信号并发送到上位机中，通过labview软件进行分析与处理[12].
2.1 发射装置与接收装置
本文所设计的发射装置主要由红色激光二极管构成，该装置可发射5 mW、650 nm波长可见光.
本文所设计的接收装置如图2所示，接受装置可分为会聚镜、光电探测器以及电信号处理系统三部分，其中会聚镜用于聚焦光束，红色滤光片用于滤除其他干扰光线，减少噪声，提高系统信噪比.
2.2 前置放大电路
由于激光波动幅度小，转化后的光电流信号微弱，无法直接进行处理.本文采用前置放大电路将电流转化的电压信号放大，前置放大电路图如图3所示.
2.3 二阶带通滤波器
由于所采集的信号噪声过大，需要设计滤波器进一步减少噪声.本文所设计的二阶带通滤波电路如图4所示，可有效地滤除环境、元器件以及前置放大电路所带来的噪声.
图4所示是二阶带通滤波器，前部分是二阶压控电压源（VCVS）低通滤波器，后部分是高通滤波器，两部分串接形成的带通滤波器.低通滤波器可通过低频信号，高通滤波器可通过高频信号.
3 实验数据及分析
根据设计方案，发射装置采用5 V直流红色激光二极管，红色可见光能够有效的矫正激光路线从而使得反射光对准接收装置.接收装置为了保证稳定性放置于暗箱中，隔绝环境光的干扰.本文以玻璃瓶壁作为振动介质，发射装置将激光打在玻璃瓶壁上，接收装置接收到反射回来的光，通过光电三极管将光信号转为电信号并发送到上位机中.当声源导致玻璃发生振动时，反射光发生微小的偏移，接收装置接收的光斑发生变化，从而导致电信号改变.将连续变化的电信号送入上位机中进行分析后，最终可得到声源处的音频.
LabVIEW[13]搭建的激光采集系统包括参数设置、数据采集、图形化显示、存储、数据回放等功能，显示界面如图5所示.设置好激光采集系统参数后，将预先准备的音频放置于声源处，发射装置发射出激光，经过玻璃振动调试后被接收装置接收.通过本文所设计的解调、放大、滤波电路处理后，再由采集系统处理得到结果.预先准备的音频波形如图6所示，实验得到的结果如图7所示.对比发现，原始音频数据和采集后的数据波形基本吻合，本文所提出的方法可在非接触的条件下有效的采集音频信号.
当有火车接近时候，轮轨会产生振动，形成一定频率的振动信号，其信号波形的幅值增大，而无火车接近时幅值较低.根据文献[13]可知，轮轨噪声信号在钢轨中传播能量损失很小，因此，可利用采集到的波形的幅值上设置一个阈值，实时监测轮轨噪声的幅值是否达到阈值来判断火车是否接近.
4 结束语
本文提出通过激光通信技术对声音的振动信号进行采集研究.先将声音信号调制到激光束上，然后，把带有声音信号的激光发送出去，用接收装置把音像信号检出来.这种方法允许在非接触条件下对声音振动信号进行采集，对采集列车激励钢轨产生的轮轨振动信号提供了一个新的方法，大大提高列车预警系统的安全性和便携性.
参考文献
[1] MIMS F M. Beware of laser eavesdropping[J].American Journal of Physics，1987，55（10）：871-872.
[2] SOLOMON J，PRIGO R. Eavesdropping with a laser[J].American of Physics，1987，55（4）：381. [3] 罗海俊，朱晓.激光窃听技术的研究[J].激光与光电子学进展，2003，40（12）：53-56.
[4] 王晓颖，赵振明.无线激光通信音频传输实验[J].物理實验，2008，28（7）：5-7.
[5] 耿蕊，陈芳芳，吕勇.激光大气传输透过率影响因素研究[J].激光杂志，2016，37（12）：13-17.
[6] 周玉蛟，任侃，钱惟贤，等.基于光电二极管反偏的光电检测电路的噪声分析[J].红外与激光工程，2016，45（1）：264-269.
[7] 陈宏哲，郑荣山，张英远，等.激光主动侦察技术应用[J].光电技术应用，2007，22（2）：19-21，61.
[8] 刘玉华，李广林.“猫眼”效应在激光侦听中的应用研究[J].电子设计工程，2012，20（19）：129-131.
[9] 王丽君.浅析光电二极管与光电三极管特性的异同[J].湖北广播电视大学学报，2012，32（8）：159-160.
[10] 林科业，孙番典，刘诗伟，等.一种基于超声波的窃听方法[J].现代电子技术，2012，35（3）：196-198.
[11] 甯青松，马小龙，杨振.激光窃听实验探究[J].物理实验，2009，29（12）：38-41.
[12] 张宏献，徐武彬，陈其兵，等.基于LabVIEW的滑动轴承转子系统实验设计[J].广西工学院学报，2011，22（2）：28-32.
[13] 张琪，周丽娟，王倩，等.基于LabVIEW的声音信号采集与分析系统[J].广西科技大学学报，2016，27（3）：55-59.
Abstract： A non-contact audio acquisition system is developed based on the special directionality， coherence， and monochromatic characteristics of laser. In the system， acoustic signals can be first collected by a laser beam on a vibrating object. By using the LabVIEW software both the time and frequency domain analysis of sound signals are taken then， the data are displayed on the work panel. The simulation and experimental results are in good agreement with each other， which means that the system may provide basic theoretical support for future acoustic signal analysis and processing.
Key words： laser; sound and vibration signals; LabVIEW
（责任编辑：黎 娅）