基于PSD传感器的激光语音还原系统电路设计

    随着当今世界科技的发展，激光的应用越来越广，不仅能实现准确测距，还可以精确地定位声源并还原其内容(即激光窃听和定位技术)。激光窃听和定位作为一种比较新的窃听和定位手段，同传统窃听方式相比有着无须靠近目标、操作方便、不易察觉、不易受到干扰等独到的优点。但是激光窃听受天气、环境影响较大，与窃听目标周围反射面性能也有较大关系，且进行更远距离作业时系统比较复杂，这些都是激光窃听技术进一步发展的方向[1-4]。
    现有的激光语音还原系统中多采用离散型位置探测器采集激光位置信号。现有技术具有语音恢复精度低、处理电流信号少、缺乏滤波或滤波不够彻底的问题。本文将提出一种基于位置传感器PSD的激光语音还原方法及电路，旨在解决现有电路存在的这些问题。
    首先，声音加载到玻璃上形成声场变化，用激光对其进行调制，通过PSD技术测量反射光解调为微弱的电信号，然后对此微弱信号进行放大和检测，从而解析出语音内容。
1 系统的总体构成原理
    本系统主要针对声音源在房间内，而在室外监听语音内容所设计的。当房间内的声音传播开来，墙上的玻璃会产生微小的震动；在室外使用激光照射到玻璃上，使声音信号被调制到激光上，通过玻璃的反射，被调制的激光沿一定方向反射回来，照射到PSD传感器上，通过PSD位置传感器检测光斑的位置移动，就可以得到玻璃振动振幅的相对值；对该值进行光电转换和电信号处理，即可恢复成原始的语音信号。原理结构示意图如图1所示。
    本系统中的关键技术是激光发射信号的接收和恢复电路。该电路包括三部分：光电转换电路、流压变换电路和差分放大电路。电路示意图如图2所示。

2 PSD光电转换电路的原理
    PSD光电探测器是利用光照情况下光敏二极管表面阻抗的变化来检测光斑的位置。一维PSD（S3931）工作原理如图3所示[5]。

    在n层引出一个公共电极，作为两路电流的参考电流，即为零电位。利用PSD的反偏特性在PSD两端接入反向电压，当光照射在PSD的光敏面上时，在同一平面p层的不同电极会产生电流，利用两路电流信号差值的改变来对交流信号进行分析。由于该PSD的i区厚度较厚，其光电转换效率高，因此有较高的灵敏度和响应度。
    经测试，本设计中所用S3931的饱和光电流为100 μA，暗电流为0.2 nA～20 nA。当用半导体激光器(5 mW)照射时，PSD两端(I1和I2)输出的电流大小为60～100μA。
3 流压转换电路的设计
    根据PSD工作原理，输出的光电流必须通过电流-电压转换放大后才能进行后端的处理。由于PSD的引入噪声和微弱的电流变化，需采用低噪声的前置放大器芯片[6-7]。本设计的流压转换电路芯片是采用具有低输入偏置电流的双极性运算放大器AD704，分别对PSD输出的两路电流信号进行转换，成为电压信号。具体的流压转换电路设计如图4所示。

4 差分放大电路的设计
    由于流压变换后的两路信号仍存在很大的噪声影响，本设计将变换后的信号进行差分放大，可有效地消除两路信号中的噪声，同时将直流量减掉，取出所需要的交流信号。这里采用ADI公司的低失真、精密差分放大器AD8274作为差分放大电路的芯片，它可在增益为2的情况下驱动600 Ω负载，差分后的信号Vout=2(V2-V1)，因此最终输出的信号幅值可到2.5～5 Vpp。并且音频端总谐波失真极低，非常适合本设计的需要。其具体电路如图6所示。

5 实验结果
    通过实验并进行多次改正和验证，经测定，在距离声音源2～3 m之外的室外，声音的音量与语音还原最终结果的技术指标如表1所示。

    从实验结果可以看出，在室外用激光照射玻璃，采用PSD传感器采集玻璃反射的光信号，再通过相应电路系统的处理，能够清晰地还原出室内的语音信号。该系统为室外激光语音窃听技术提供了一种可行的电路方案。
参考文献
[1] 潘丽娜，庄紫云，王戈，等.运用半导体激光器进行监听以及音源定位的研究[J].光学仪器，2013，1(35)：37-45.
[2] 王哲.激光监听收发系统的研究[D].北京：中国科学院半导体研究所，2011.
[3] 张超凡.激光窃听技术的改进与实现[J].激光与红外，2008，38(2)：145-148.
[4] 黄贞，吴林富.便携式激光远程语音监听装置设计[J].激光与光电子学进展，2012，49(12)：121206.
[5] Hamamatsu.S3931型号PSD资料[EB/OL].(2002-06-xx)[2013-09-29].http：//html.alldatasheetcn.com/html-pdf/80323/ETC/S3931/387/8/S3931.html.
[6] 何敏，刘荣，闵锐.位置传感器PSD的应用电路设计[J].电子测量与仪器学报，2009(增刊)：323-326.
[7] 梁烈勇.短距离LED可见光音频传输系统设计[J].电子技术应用，2012，38（9）：18-20.