CN112037753A - 一种利用灯泡实时还原声音的方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用灯泡实时还原声音的方法及其系统，包括灯泡、长焦望远镜、准直镜、光处理模块、光电转换器和电压信号处理模块；灯泡用于产生含有声音信号的光信号；长焦望远镜用于收集光信号；准直镜用于对光信号进行调理；光处理模块用于消除光信号中带有的杂散信号，提高光信号传输的灯泡振动信号的信噪比；光电转换器用于将光信号转换为电压信号；电压信号处理模块用于对电压信号进行处理，提取出声音信号。本发明通过探测悬挂灯泡对声音的频率响应来完成声音的还原，无需使用激光麦克风那样主动发出可被探测到的红外光，也无需提前在目标房间内布置设备等，实现了极高的隐蔽性，并且具有无源性，降低了监听难度，提高了监听成功率。
Description
技术领域
本发明属于检测仪器技术领域，涉及一种无源监听技术，具体涉及一种利用灯泡实时还原声音的方法及其系统。
背景技术
监听技术是获取情报的重要手段，当代各国，已把监听与电子侦察作为窃取其他国家的军事、政治、经济、科学技术和工业情报的一种重要技术手段。现在的监听器采用先进的科学技术，制作精细，伪装巧妙，甚至使人难以发现它的存在。
在过去的五年中，各种研究表明，新型的旁路攻击可以通过目标附近的环境物件用于监听。在这些研究中，可以使用传统监听麦克风之外的方式来获得声音数据。
目前发现的可行性较高的方法主要有激光麦克风和视觉麦克风。激光麦克风是依靠一个激光收发器，将激光束通过窗户引导到目标的房间；光束被物体反射后返回到激光收发机，激光收发机将光束转换为音频信号。激光麦克风可以用于实时恢复语音，但激光束可以被光学传感器检测到。视觉麦克风则是利用各种材料(如一包薯片袋子、一杯水等)由声音引起的振动，通过支持极高帧/秒(超过2200赫兹)速率的摄像机来恢复语音。与激光麦克风相比，视觉麦克风是完全无源的，因此目标想要发现的难度更大。然而，这种方法的主要缺点是视觉麦克风不能实时应用,因为它需要几个小时恢复几秒钟的语音内容,因为处理高分辨率和高频率(2200帧每秒)视频需要大量的计算资源。此外，所需的硬件(高FPS速率的摄像机)也很昂贵。
目前基于上述两种方法进行的声音监听是很难被检测到的，相较于传统的麦克风，隐蔽性较好。但以上两种方式均具有一定的不足之处，因此更加快速、隐蔽的对目标的监听方法很有意义。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种利用灯泡实时还原声音的系统，包括灯泡、长焦望远镜、准直镜、光处理模块、光电转换器和电压信号处理模块；
所述灯泡用于产生含有声音信号的光信号；
所述长焦望远镜用于收集光信号；
所述准直镜用于对光信号进行调理；
所述光处理模块用于消除光信号中带有的杂散信号，提高光信号传输的灯泡振动信号的信噪比；
所述光电转换器用于将光信号转换为电压信号；
所述电压信号处理模块用于对电压信号进行处理，提取出声音信号。
进一步的，所述长焦望远镜的镜头前设置有窄带通滤色片，用于提取灯泡发出光中特定波长的分量，以适应光纤耦合和传输。
进一步的，所述光处理模块包括半反镜、聚焦镜、准直镜、光纤耦合器和定长光纤。
进一步的，所述电压信号处理模块包括前置信号处理器、信号发生器、锁相放大器、AD(模数转换器)和DA(数模转换器)装置、声音信号处理模块，所述信号发生器用于提供参考信号。
进一步的，还包括功率放大器和声音播放器。
一种利用灯泡实时还原声音的方法，包括如下步骤：
S1：声波撞击灯泡表面时产生微小的气压波动，使得声音的频率信号调制到灯泡发出的灯光中，灯泡内部产生的光穿过灯泡玻璃壁透射时，玻璃不同频率的振动使得光强发生不同的改变，玻璃壁的振动耦合到了光波，使振动信号调制到光信号上；
S2：通过长焦望远镜收集灯泡发出的光线信号，并且利用窄带通滤色片提取灯泡发出光中特定波长的分量；
S3：长焦望远镜中光信号经过准直镜调理后，进入光处理模块，经半反镜进行分光，一半光信号透过，另一半光信号在斜面反射经聚焦镜耦合入光纤，经过指定长度的光纤进行光延时，使光信号的相位发生改变，并在光纤出光口经准直镜和第2个半反镜与前一个半反镜过来的透射光进行合束，合束过程中两个光信号发生干涉，目的是消除光信号中带有杂散信号，提高光信号传输的灯泡振动信号的信噪比；
S4：经过步骤S3处理后的光信号到达光电转换器，通过光电转换器将光信号转换为电压信号；
S5：电压信号经过前置信号处理器处理之后，与信号发生器产生参考定频方波信号一起输入锁相放大器，其中该方波的频率根据人声频率特征可以调整。其中男声基准音区约为60-500Hz，女生基准音区约为160-1200Hz。一般此处频率可根据对话人音调高低从160-500Hz内取值，以便有效提取对话者声音信号；
锁相放大器中的信号处理电路部分作用是对附加在较强的光电转换信号中的声音弱信号进行定频提取和放大，定频提取的频率由参考定频方波的频率确定，锁相放大器的放大倍数根据模数转换AD的采样电压范围进行适当调整以获得最好的AD采集精度，经锁相放大器放大的声音信号送往与计算机相连的AD和DA装置，经过AD装置，锁相放大的电信号被采集为数字信号，经计算机的声音信号处理模块进行滤波、降噪和解调处理，提取出声音信号。
进一步的，所述步骤S5中对于提取出声音信号的处理包括两种方式，第一种为将声音信号进行存储，也就是在计算机中以声音文件存储下来；第二种为由计算机输出到DA装置，将处理好的声音信号转换为模拟信号，并由功率放大器放大后在声音播放器上播放。
进一步的，所述步骤S5中参考定频方波信号的频率根据人声频率特征进行确定。
本发明的设计原理为：目标房间内的交谈的声音的声波与悬挂的玻璃灯泡壁相遇会使玻璃灯泡壁发生微小的振动；由于不同字的发音所产生的声波频率是不同的，而且声波所携带的能量也是不一样的，导致玻璃灯泡由于声波响应产生的振动幅值也是随声波的频率变化的。在连续说话时，灯泡响应对话的微振动频率是时间的函数。当声音频率范围为160-500Hz时，灯泡玻璃壁振动的幅度在300-950μm范围内。
灯泡内部产生的光穿过灯泡玻璃壁透射时，玻璃不同频率的振动使得光强发生不同的改变，最终玻璃壁的振动耦合到了光波，使振动信号调制到了光信号上。
通过长焦望远镜能够收集到灯泡发出的光信号，窄带通滤光片和光信号处理模块可以使包含声音振动信号的光信号与经过定长的光纤延时后的光信号在第2个半反镜合束时干涉，利用光处理模块和电压信号处理模块能够从光信号中提取出声音信号，从而实现声音的实时还原。
灯泡玻璃壁振动幅度较小，光电转换获得的电信号中声音的信息比较微弱，需要利用锁相放大器将这个微弱的声音信号提取并放大，获得信噪比好的声音信号。所以参考信号的频率根据男女性说话的声音频率特征确定为160-500Hz中的某个值。根据这一频率范围的特征，模数转变可以选择2-4kHz采样频率。
如果采用了光信号延时和干涉处理时，声音信号为两个移相位的声音信号的叠加，相位差是由光纤长度确定，假设光纤长度为L米，则两个声音信号相位时间差：如光纤长度100米，此时间差为1/3微秒。一般百米左右光纤长度造成的时间对应的声音信号相位差别对于现确定的数百Hz频率而言，声音差别很小。
本发明能够实时还原较远距离房间内的声音，并且在此基础上可以通过使用镜头直径更大的望远镜、调整光纤长度改变光延时、锁相放大倍数和参考频率、位数更高的AD采集设备等设备参数来获取更好的效果。
本发明通过探测悬挂灯泡对声音的频率响应来完成的。当声波撞击悬挂灯泡表面时产生微小的气压波动，使得声音的频率信号调制到了灯光中，因此可以在远距离通过监测灯泡灯光，进一步分离其中的声音频率信号，对分离出来的信号进行处理和放大，从而实现被动监听
有益效果：本发明与传统的微型麦克风、激光麦克风和视觉麦克风相比，具备如下优点：
1、与传统麦克风和激光麦克风相比，本发明实现了极高的隐蔽性，并且具有无源性，无需使用激光麦克风那样主动发出可被探测到的红外光，也无需提前在目标房间内布置设备等，降低了监听难度；
2、与视觉麦克风相比，本发明检测到的输出是基于光电传感器的，在特定的时间内输出一个像素，而不是摄像机输出的RGB像素3D矩阵，能够实现每秒2-4k个样本的实时处理速度，提高了对于声音的处理质量，保证了监听效果；同时相较于高帧率摄像机，光电传感器的成本更加低廉。
3、除传统麦克风外，其他隐蔽的方法的采样率较为有限，而本发明的方法采样率取决于ADC采集卡，其采样率可以覆盖几赫兹到几千赫兹的范围，保证了监听效果。
附图说明
图1为本发明系统的结构原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
本实施例中将本发明提供的一种利用灯泡实时还原声音的系统应用于监听领域，具体的监听地点在某个房间内，如图1所示，该系统包括灯泡、窄带通滤色片、长焦望远镜、准直镜、光处理模块、光电转换器、电压信号处理模块、功率放大器和声音播放器，光处理模块包括半反镜、聚焦镜、准直镜、光纤耦合器和定长光纤，电压信号处理模块包括前置信号处理器、信号发生器、锁相放大器、AD和DA装置、位于计算机内的声音信号处理模块。
本实施例中上述系统的主要配置为：长焦望远镜采用等效600mm长焦望远镜头；中心波长570nm(黄光)、带宽2nm的超窄带通滤光片；延时光纤采用100米SM450单模光纤，特征参数为：工作波长488-633nm，直径125um，涂覆层为双紫外固化丙烯酸酯；光电转换器采用THORLABS PDA36A2–可调增益硅探测器，适用波长350-1100nm，带宽12MHz，70dB增益调整范围，输出电压0-5V，本实施例中调整为最大输出1V；锁相放大器采用Stanford ResearchSystems SR865，主要特性为：信号带宽<200kHz或<2MHz，参考信号频率范围0.001Hz到2MHz，本实施例中选择200Hz参考信号；AD/DA采用NI PXI 4461及相关的PXI机箱和模块配件，主要特性为：2通道AD输入，2通道DA输出，ADC分辨率为24位，Delta-sigma型的ADC，2通道同步输出，DAC分辨率24位。
本实施例中利用上述系统进行监听试验，具体过程如下：
S1：参照图1，灯泡位于房间内，将长焦望远镜架设在房间外的指定区域，并且布置好其他设备；
S2：房间内对话声音大约在65dB，声波撞击灯泡表面时产生微小的气压波动，使得声音的频率信号调制到灯泡发出的灯光中，灯泡内部产生的光穿过灯泡玻璃壁透射时，玻璃不同频率的振动使得光强发生不同的改变，玻璃壁的振动耦合到了光波，使振动信号调制到光信号上；
S3：通过长焦望远镜收集灯泡发出的光线信号，并且利用窄带通滤色片提取灯泡发出光中特定波长的分量；
S4：长焦望远镜中光信号经过准直镜调理后，进入光处理模块，经半反镜进行分光，一半光信号透过，另一半光信号在斜面反射经聚焦镜耦合入光纤，经过指定长度的光纤进行光延时，使光信号的相位发生改变，并在光纤出光口经准直镜和第2个半反镜与前一个半反镜过来的透射光进行合束，合束过程中两个光信号发生干涉，目的是消除光信号中带有杂散信号，提高光信号传输的灯泡振动信号的信噪比；
本实施例中延时用光纤长度需要通过实验确定，延时时间与光纤长度的关系是：
dt(微秒)≈1/3x L(百米)
S5：经过步骤S4处理后的光信号到达光电转换器，通过光电转换器将光信号转换为电压信号；
S6：电压信号经过前置信号处理器处理之后，与信号发生器产生参考定频方波信号一起输入锁相放大器，其中该方波的频率根据人声频率特征可以调整。其中男声基准音区约为60-500Hz，女生基准音区约为160-1200Hz。一般此处频率可根据对话人音调高低从160-500Hz内取值，以便有效提取对话者声音信号；
锁相放大器中的信号处理电路部分作用是对附加在较强的光电转换信号中的声音弱信号进行定频提取和放大，定频提取的频率由参考定频方波的频率确定，锁相放大器的放大倍数根据模数转换AD的采样电压范围进行适当调整以获得最好的AD采集精度，经锁相放大器放大的声音信号送往与计算机相连的AD和DA装置，经过AD装置，锁相放大的电信号被采集为数字信号，经计算机的声音信号处理模块进行滤波、降噪和解调处理，提取出声音信号。
S7：对于提取出声音信号的处理包括两种方式，第一种为将声音信号进行存储，也就是在计算机中以声音文件存储下来；第二种为由计算机输出到DA装置，将处理好的声音信号转换为模拟信号，并由功率放大器放大后在声音播放器上播放。
最终本次试验成功的监听到了房间内的通话内容，对于声音的还原度很高，并且整个过程具备极好的隐蔽性，房间内的人员没有任何察觉。
Claims (8)
1.一种利用灯泡实时还原声音的系统，其特征在于，包括灯泡、长焦望远镜、准直镜、光处理模块、光电转换器和电压信号处理模块；
所述灯泡用于产生含有声音信号的光信号；
所述长焦望远镜用于收集光信号；
所述准直镜用于对光信号进行调理；
所述光处理模块用于消除光信号中带有的杂散信号，提高光信号传输的灯泡振动信号的信噪比；
所述光电转换器用于将光信号转换为电压信号；
所述电压信号处理模块用于对电压信号进行处理，提取出声音信号。
2.根据权利要求1所述的一种利用灯泡实时还原声音的系统，其特征在于：所述长焦望远镜的镜头前设置有窄带通滤色片，用于提取灯泡发出光中特定波长的分量，以适应光纤耦合和传输。
3.根据权利要求1所述的一种利用灯泡实时还原声音的系统，其特征在于：所述光处理模块包括半反镜、聚焦镜、准直镜、光纤耦合器和定长光纤。
4.根据权利要求1所述的一种利用灯泡实时还原声音的系统，其特征在于：所述电压信号处理模块包括前置信号处理器、信号发生器、锁相放大器、AD和DA装置、声音信号处理模块，所述信号发生器用于提供参考信号。
5.根据权利要求1所述的一种利用灯泡实时还原声音的系统，其特征在于：还包括功率放大器和声音播放器。
6.一种利用灯泡实时还原声音的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：声波撞击灯泡表面时产生微小的气压波动，使得声音的频率信号调制到灯泡发出的灯光中，灯泡内部产生的光穿过灯泡玻璃壁透射时，玻璃不同频率的振动使得光强发生不同的改变，玻璃壁的振动耦合到了光波，使振动信号调制到光信号上；
S2：通过长焦望远镜收集灯泡发出的光线信号，并且利用窄带通滤色片提取灯泡发出光中特定波长的分量；
S3：长焦望远镜中光信号经过准直镜调理后，进入光处理模块，经半反镜进行分光，一半光信号透过，另一半光信号在斜面反射经聚焦镜耦合入光纤，经过指定长度的光纤进行光延时，使光信号的相位发生改变，并在光纤出光口经准直镜和第2个半反镜与前一个半反镜过来的透射光进行合束，合束过程中两个光信号发生干涉；
S4：经过步骤S3处理后的光信号到达光电转换器，通过光电转换器将光信号转换为电压信号；
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7.根据权利要求6所述的一种利用灯泡实时还原声音的方法，其特征在于：所述步骤S5中对于提取出声音信号的处理包括两种方式，第一种为将声音信号进行存储；第二种为由计算机输出到DA装置，将处理好的声音信号转换为模拟信号，并由功率放大器放大后在声音播放器上播放。
8.根据权利要求6所述的一种利用灯泡实时还原声音的方法，其特征在于：所述步骤S5中参考定频方波信号的频率根据人声频率特征进行确定。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20201204 |