CN109524021B - 基于主动攻击信号消除策略的超声波防御方法及系统 - Google Patents

基于主动攻击信号消除策略的超声波防御方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于主动攻击信号消除策略的超声波防御方法，包括：信号提取步骤：产生防御信号，使得攻击信号在麦克风的通带中产生关于预设频率对称的两个投影信号；投影信号消除步骤：消除攻击信号与防御信号调制出的小于所述预设频率的投影信号；攻击信号消除步骤：消除攻击信号自解调出的信号。本发明通过软件上的修复措施，能达到滤除恶意攻击信号的目的，避免了现有防御方法的缺陷，也使得防御手段更加方便，便于普及。

Description

基于主动攻击信号消除策略的超声波防御方法及系统
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体地，涉及基于主动攻击信号消除策略的超声波防御方法及系统。
背景技术
声控系统VCS(Voice Control System)现如今已经成为非常普遍的技术，较为成熟的有Apple Siri、Google Now以及Amazon Echo。声音控制已经成为一种方便的人机交互机制，人们通过语言指令和设备进行远场交互，越来越多的APP提供语音接口，使人们可以在双手不方便或者与设备相距较远的情况下控制设备进行购物，播放音乐等行为。然而近期，G.Zhang等人在2017 ACM CCS国际网络安全会议发表的“Dolphin Attack：InaudibleVoice Commands”的研究揭示出，这些VCS存在被攻击的风险，文章使用20kHz-30kHz波段的超声波信号成功攻击各大主流VCS，20kHz-30kHz的超声波信号可以在人耳毫无察觉的情况下对VCS进行控制。虽然这些攻击信号在原理上都远远超过了人耳以及麦克风的工作频段范围，但是，受限于麦克风本身器件的非线性特性，高频的攻击信号会在低频段产生一定的“投影”，从而使得攻击指令被后续的语音处理器件所接受并作为指令进行解析。现实生活中电子元件的非线性是不可避免的，声控系统本身的安全漏洞因此极具威胁性，可能发生个人信息泄漏、恶意软件静默安装，更有甚者可能导致安全系统完全瘫痪，使得保证安全的卫士成为威胁安全的杀手。另外，已有研究发现，其攻击范围可以达到7.6米(25英尺)，这使得对相应的安全防范措施的需要迫在眉睫。
现有的防御机制都是针对于攻击信号的某些特征来进行检测。但是，这些现有的机制仍然有一些漏洞，通过这些漏洞，攻击者可以绕过这些防御机制并顺利完成攻击。并且，一个完全彻底的防御机制并不仅仅只需要检测出攻击信号，更加需要滤除攻击信号，这样才能保证符合规定的正常声音指令不会受到影响。再考虑到大量的声控设备已经投入市场一段时间，现在对声控系统进行硬件上的修改是不切实际的。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于主动攻击信号消除策略的超声波防御方法及系统。
根据本发明提供的一种基于主动攻击信号消除策略的超声波防御方法，包括：
信号提取步骤：产生防御信号，使得攻击信号在麦克风的通带中产生关于预设频率对称的两个投影信号；
投影信号消除步骤：消除攻击信号与防御信号调制出的小于所述预设频率的投影信号；
攻击信号消除步骤：消除攻击信号自解调出的信号。
较佳的，所述防御信号为两两相隔20kHz的正弦波，所述预设频率为10kHz。
较佳的，所述投影信号消除步骤采用工频自适应滤波的方法，包括：
步骤21：使用FFT检测出投影信号的载波频率所在的范围；
步骤22：采用人工合成的方法根据频谱分辨率以1Hz为间隔产生相应一组频率的正交信号对；
步骤23：以所产生的正交信号为参考信号对小于所述预设频率的投影信号进行自适应滤波。
较佳的，所述攻击信号消除步骤使用主动式的攻击信号滤除方法，包括：
步骤31：使用高通滤波器提取出大于所述预设频率的投影信号，使用平方计算模拟攻击信号的自解调得到攻击指令的初始参考信号；
步骤32：对初始参考信号进行预处理，消除直流偏置，进行正则化，得到处理好的参考信号；
步骤33：采用非因果的自适应滤波器方法，使用处理好的参考信号与攻击指令相抵消，从而留下使用者的声音指令。
根据本发明提供的一种基于主动攻击信号消除策略的超声波防御系统，包括：
信号提取模块：产生防御信号，使得攻击信号在麦克风的通带中产生关于预设频率对称的两个投影信号；
投影信号消除模块：消除攻击信号与防御信号调制出的小于所述预设频率的投影信号；
攻击信号消除模块：消除攻击信号自解调出的信号。
较佳的，所述防御信号为两两相隔20kHz的正弦波，所述预设频率为10kHz。
较佳的，所述投影信号消除模块采用工频自适应滤波的方法，包括：
使用FFT检测出投影信号的载波频率所在的范围；
采用人工合成的方法根据频谱分辨率以1Hz为间隔产生相应一组频率的正交信号对；
以所产生的正交信号为参考信号对小于所述预设频率的投影信号进行自适应滤波。
较佳的，所述攻击信号消除模块使用主动式的攻击信号滤除方法，包括：
使用高通滤波器提取出大于所述预设频率的投影信号，使用平方计算模拟攻击信号的自解调得到攻击指令的初始参考信号；
对初始参考信号进行预处理，消除直流偏置，进行正则化，得到处理好的参考信号；
采用非因果的自适应滤波器方法，使用处理好的参考信号与攻击指令相抵消，从而留下使用者的声音指令。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明通过软件上的修复措施，能达到滤除恶意攻击信号的目的，避免了现有防御方法的缺陷，也使得防御手段更加方便，便于普及。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的消除思路的流程图；
图2为本发明的信号消除原理示意图；
图3为本发明的实施例的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1和图2所示，本发明提供的一种基于主动攻击信号消除策略的超声波防御方法，包括：
信号提取步骤：使用信号发生器产生防御信号，使得攻击信号在麦克风的通带中产生关于预设频率对称的两个投影信号。
投影信号消除步骤：消除攻击信号与防御信号调制出的小于预设频率的投影信号；
攻击信号消除步骤：消除攻击信号自解调出的信号。
防御信号一般为两两相隔20kHz的正弦波，比如25kHz与45kHz的两个超声波信号，通过防御信号使得原本的高频攻击信号可以在在麦克风的通带中产生两个关于10kHz对称的两个投影(攻击信号的副本)。再加上信号自解调，麦克风的通带中现在有三个调制出的信号。
投影信号消除步骤采用工频自适应滤波的方法，包括：
步骤21：使用FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅里叶变换)检测出投影信号的载波频率所在的范围；
步骤22：采用人工合成的方法根据频谱分辨率以1Hz为间隔产生相应一组频率的正交信号对；
步骤23：以所产生的正交信号为参考信号对小于预设频率的投影信号进行自适应滤波。
攻击信号消除步骤使用AIC(Active Inaudible-command Cancelation，主动式的攻击信号滤除)方法，包括：
步骤31：使用高通滤波器提取出大于预设频率的投影信号，使用平方计算模拟攻击信号的自解调得到攻击指令的初始参考信号；
步骤32：对初始参考信号进行预处理，消除直流偏置，进行正则化，得到处理好的参考信号；
步骤33：采用非因果的自适应滤波器方法，使用处理好的参考信号与攻击指令相抵消，从而留下使用者的声音指令。
在上述一种基于主动攻击信号消除策略的超声波防御方法的基础上，本发明还提供一种基于主动攻击信号消除策略的超声波防御系统，包括：
信号提取模块：产生防御信号，使得攻击信号在麦克风的通带中产生关于预设频率对称的两个投影信号；
投影信号消除模块：消除攻击信号与防御信号调制出的小于预设频率的投影信号；
攻击信号消除模块：消除攻击信号自解调出的信号。
实施例一：
在噪声低于40分贝的室内环境中，使用Samsung Galaxy S6 Edge作为声控系统，八核Exynos 7420芯片；使用Macbook Pro 2015，2.7GHz i5处理器，输出音频采样率为96000Hz，使用四个超声波探头作为输出阵列，使用一个功放，这些作为攻击信号发生器；使用DDS数字信号发生器作为防御信号产生器，使用高频功率放大器将信号放大并输出到商用超声波探头，在一定范围内产生防御的超声波。在防御信号发生器一直处于打开的状态下，防御机制先后经过的步骤如下：
获得投影信号：
我们用笔记本电脑和超声波扬声器产生以wc＝24kHz为载波频率的超声波攻击信号，防御信号发生器在范围内产生w1＝20kHz和w2＝40kHz的防御信号，于是产生了总的输入信号：
Sin＝[(m(t)+1)cos(wct)+cos(w1t)+cos(w2t)]
对于VCS的麦克风的非线性性质可以简单表示为：
Figure BDA0001885643110000051
其中Sin是麦克风的信号输入，Sout为麦克风的输出。经过麦克风的非线性性质的作用以及低通滤波等一系列处理，可以得到：
Figure BDA0001885643110000052
由此产生两个关于10kHz对称的两个投影(攻击信号的副本)，再加上信号自解调，麦克风的通带中现在有三个调制出的信号。
投影信号消除包括：
在获得投影信号后需要先滤除<10kHz的投影信号，采用工频自适应滤波的方法：
步骤a：使用FFT检测出投影信号的载波频率所在的范围:f(±r)Hz；
步骤b：采用人工合成的方法根据频谱分辨率以1Hz为间隔产生相应一组频率的正交信号对，假设分辨率为5Hz则可以得到频率范围为10Hz，则可以构造一组工频自适应滤波的参考信号以及滤波器系数为：
Figure BDA0001885643110000053
其中，wfw′f为滤波器系数，可根据信号误差进行自适应调节。
步骤c：以这组信号为参考信号对<10kHz的投影信号进行自适应滤波。
攻击信号消除包括：
最后消除攻击信号自解调出的信号，参考ANC的思想使用AIC方法：
步骤a：使用高通滤波器提取出攻击信号的投影信号(>10kHz)，使用平方计算模拟攻击信号的自解调得到攻击指令的初始参考信号；
步骤b：对初始参考信号进行预处理，消除直流偏置，进行正则化，得到处理好的参考信号；
步骤c：采用非因果的自适应滤波器方法，由图3的自适应滤波的基本框图可知，当r1(t)接近于s1(t)时，信号能够很好的抵消，故我们需要让两个信号逼近：
hAF(t)＝-hsv(t)-1*hrv(t)
其中，hsv(t)hrv(t)为抵消信号源到参考信号源的信道的系统函数，通过梯度下降算法使信号间误差变小：
e(t)＝hne(t)*n(t)+hAF(t)*hse(t)*n(t)
可以得到滤波器更新系数：
Figure BDA0001885643110000061
一般因果自适应滤波器k>0不会用到参考信号的未来数据，由于反滤波器的非因果性以及参考信号的未来数据很容易通过一段延时得到，故采用-L＜k＜N的非因果自适应滤波器，从而得到更好的抵消效果，只留下干净的声音指令。
测试阶段包括如下两种场景
1.当关闭正常语音信号，仅仅录制超声波攻击信号时，我们通过手机录得20组声音信号，单个信号长度都超过8秒，以保证攻击信息能够完整的传递。
2.当开启正常语音信号，同时录制超声波攻击信号时，我们通过手机录得20组声音信号，单个信号长度都超过10秒，在保证正常语音能完成整句的声音指令的同时，保证攻击信息也能有充足的时间能够播放完成。
在笔记本中，通过Matlab进行录音的后期处理，通过主动攻击信号消除机制进行攻击信号的滤除，攻击信号大多能达到在30dB左右的衰减，具有较好的抵消效果和防御性能。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (2)

1.一种基于主动攻击信号消除策略的超声波防御方法，其特征在于，包括：
信号提取步骤：产生防御信号，使得攻击信号在麦克风的通带中产生关于预设频率对称的两个投影信号；
投影信号消除步骤：消除攻击信号与防御信号调制出的小于所述预设频率的投影信号；
攻击信号消除步骤：消除攻击信号自解调出的信号；
所述防御信号为两两相隔20kHz的正弦波，所述预设频率为10kHz；
所述投影信号消除步骤采用工频自适应滤波的方法，包括：
步骤21：使用FFT检测出投影信号的载波频率所在的范围；
步骤22：采用人工合成的方法根据频谱分辨率以1Hz为间隔产生相应一组频率的正交信号对；
步骤23：以所产生的正交信号为参考信号对小于所述预设频率的投影信号进行自适应滤波；
所述攻击信号消除步骤使用主动式的攻击信号滤除方法，包括：
步骤31：使用高通滤波器提取出大于所述预设频率的投影信号，使用平方计算模拟攻击信号的自解调得到攻击指令的初始参考信号；
步骤32：对初始参考信号进行预处理，消除直流偏置，进行正则化，得到处理好的参考信号；
步骤33：采用非因果的自适应滤波器方法，使用处理好的参考信号与攻击指令相抵消，从而留下使用者的声音指令。
2.一种基于主动攻击信号消除策略的超声波防御系统，其特征在于，包括：
信号提取模块：产生防御信号，使得攻击信号在麦克风的通带中产生关于预设频率对称的两个投影信号；
投影信号消除模块：消除攻击信号与防御信号调制出的小于所述预设频率的投影信号；
攻击信号消除模块：消除攻击信号自解调出的信号；
所述防御信号为两两相隔20kHz的正弦波，所述预设频率为10kHz；
所述投影信号消除模块采用工频自适应滤波的方法，包括：
使用FFT检测出投影信号的载波频率所在的范围；
采用人工合成的方法根据频谱分辨率以1Hz为间隔产生相应一组频率的正交信号对；
以所产生的正交信号为参考信号对小于所述预设频率的投影信号进行自适应滤波；
所述攻击信号消除模块使用主动式的攻击信号滤除方法，包括：
使用高通滤波器提取出大于所述预设频率的投影信号，使用平方计算模拟攻击信号的自解调得到攻击指令的初始参考信号；
对初始参考信号进行预处理，消除直流偏置，进行正则化，得到处理好的参考信号；
采用非因果的自适应滤波器方法，使用处理好的参考信号与攻击指令相抵消，从而留下使用者的声音指令。
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