CN113316250B - 一种基于超宽带的窃听设备定位系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于超宽带的窃听设备定位系统，包括多个频谱分析模块，各频谱分析模块均包括超宽带天线、无线信号接收天线、射频前端和处理器，各频谱分析模块分别放置在待探测空间的不同位置；超宽带天线用于各频谱分析模块之间的通信；无线信号包括超宽带信号和窃听设备发送的无线通信信号；射频前端用于对接收到的无线信号进行射频处理；处理器用于对接收到的射频处理后的信号进行滤波获得无线通信信号的信号强度，根据无线通信信号的信号强度确定频谱分析模块与窃听设备的距离，并通过超宽带通信获得各频谱分析模块与窃听设备的距离，根据各频谱分析模块与窃听设备的距离确定窃听设备的位置。本发明基于超宽带通信，提高了定位效率。

Description

一种基于超宽带的窃听设备定位系统
技术领域
本发明涉及设备定位技术领域，特别是涉及一种基于超宽带的窃听设备定位系统。
背景技术
随着高科技产品也在不断提高，被偷听事情已经屡见不鲜，办公室、会议室内各种摆件都成为装置偷听设备的藏身之地。社会上常见的窃听器主要分为以下四类:隔墙听、手机信号监听器、无线窃听器和微型录音器。其中，无线窃听器由于便于隐藏以及不需要人为取出，是商业间碟的常用手段。
常见的用来查找无线窃听器的反窃听器材大致有以下几种：1)全波接收机；2)手提场强测量器；3)"探测狗"、探测笔"。前两类接收机探测灵敏，但要求搜索非常精致，需要检测人员一点点接近窃听器，直至准确找到位置。第三类接收机感应范围小，只能探测到10米左右或近身范围内的无线收发设备。此外，此类探测器只用于侦察无线设备发出的无线电波或电磁波，对于是否由窃听设备发出会产生误判，只能作为探测无线窃听设备的一种辅助手段，并不能以此为确定的依据。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于超宽带的窃听设备定位系统，提高了定位效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于超宽带的窃听设备定位系统，包括M个频谱分析模块，各所述频谱分析模块均包括超宽带天线、无线信号接收天线、射频前端和处理器，各所述频谱分析模块分别放置在待探测空间的不同位置；
各所述处理器均包括自适应滤波器，所述自适应滤波器用于滤除超宽带信号；通过预先进行超宽带通信学习，为各所述频谱分析模块确定其他M-1个频谱分析模块的自适应滤波器系数，当确认当前超宽带信号来源为频谱分析模块m时，自适应滤波器选择与频谱分析模块m对应的自适应滤波器系数；
所述超宽带天线用于各所述频谱分析模块之间的超宽带通信；所述无线信号接收天线用于接收环境中的无线信号，所述无线信号包括超宽带信号和窃听设备发送的无线通信信号；所述射频前端用于对接收到的所述无线信号进行射频处理，并将射频处理后的信号发送到所述处理器；所述处理器用于对接收到的所述射频处理后的信号进行滤波，获得无线通信信号的信号强度，根据所述无线通信信号的信号强度确定所述处理器所在所述频谱分析模块与所述窃听设备的距离，并通过超宽带通信获得各所述频谱分析模块与所述窃听设备的距离，根据各所述频谱分析模块与所述窃听设备的距离确定所述窃听设备的位置。
可选地，所述处理器还用于通过所述自适应滤波器的代价函数确定自适应滤波器系数；所述自适应滤波器的代价函数表示为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，J(k)表示代价函数值，k表示迭代次数，d(i)表示第i时刻频谱分析模块接收到的窃听设备的无线通信信号，y(i)表示第i时刻自适应滤波器的输出信号，L表示自适应滤波器系数向量的长度，σ表示自适应滤波器输出信号的方差；
通过求所述代价函数的随机梯度，可得自适应滤波器系数向量的更新公式为：Wm(k+1)=Wm(k)+μ▽J(k)；
其中，Wm(k)表示频谱分析模块m中第k次迭代后的自适应滤波器系数向量，μ表示步长控制参数。
可选地，所述处理器获得的所述无线通信信号的信号强度表示为：
Figure 970440DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，RSS表示所述无线通信信号的信号强度，N表示采样个数，E()表示求期望，sum()表示求和，e(k)表示第k次迭代后自适应滤波器的输出信号强度。
可选地，所述根据所述无线通信信号的信号强度确定所述处理器所在所述频谱分析模块与所述窃听设备的距离的公式表示为：
P r(d)=P r(d 0)+10λlg(d 0/d)+X；
其中，P r(d)表示距离为d时的无线通信信号的信号强度值，λ为路径损耗因子，X表示正态分布随机变量。
可选地，所述射频处理具体包括对信号的放大、滤波和模数转换。
可选地，所述频谱分析模块的数量为4，4个所述频谱分析模块分别放置在所述待探测空间的四个角落。
可选地，所述根据各所述频谱分析模块与所述窃听设备的距离确定所述窃听设备的位置的公式表示为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
；
其中，(x,y)表示所述窃听设备的位置坐标，d 1表示坐标为(x 1,y 1)的频谱分析模块与所述窃听设备的距离，d 2表示坐标为(x 2,y 2)的频谱分析模块与所述窃听设备的距离，d 3表示坐标为(x 3,y 3)的频谱分析模块与所述窃听设备的距离，d 4表示坐标为(x 4,y 4)的频谱分析模块与所述窃听设备的距离。
可选地，各频谱分析模块的坐标通过测量工具确定。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明基于超宽带通信，对各频谱分析模块中超宽带信号进行滤波，获得窃听设备发射的无线通信信号，通过无线通信信号确定各频谱分析模块与窃听设备的距离，并通过多个距离确定窃听设备的位置，不用人为移动探测设备，提高了定位效率，且系统结构简单，成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种基于超宽带的窃听设备定位系统结构示意图；
图2为本发明频谱分析模块结构示意图；
图3为本发明自适应滤波器设计示意图；
图4为本发明实施例各频谱分析模块与窃听设备的信号传输示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明一种基于超宽带的窃听设备定位系统结构示意图，如图1所示，一种基于超宽带的窃听设备定位系统，包括M个频谱分析模块，如图2所示，各频谱分析模块均包括超宽带天线1、无线信号接收天线2、射频前端3和处理器4，各频谱分析模块分别放置在待探测空间的不同位置。
各处理器4均包括自适应滤波器，自适应滤波器用于滤除超宽带信号；通过预先进行超宽带通信学习，为各频谱分析模块确定其他M-1个频谱分析模块的自适应滤波器系数，当确认当前超宽带信号来源为频谱分析模块m时，自适应滤波器选择与频谱分析模块m对应的自适应滤波器系数，使得自适应滤波器输出的超宽带信号强度最小。
超宽带天线1用于各频谱分析模块之间的超宽带通信；无线信号用于接收环境中的无线信号，无线信号包括超宽带信号和窃听设备发送的无线通信信号；射频前端3用于对接收到的无线信号进行射频处理，并将射频处理后的信号发送到处理器4；处理器4用于对接收到的射频处理后的信号进行滤波，获得无线通信信号的信号强度，根据无线通信信号的信号强度确定处理器4所在频谱分析模块与窃听设备的距离，并通过超宽带通信获得各频谱分析模块与窃听设备的距离，根据各频谱分析模块与窃听设备的距离确定窃听设备的位置。
处理器还用于通过自适应滤波器的代价函数确定自适应滤波器系数；自适应滤波器的代价函数表示为：
Figure 221031DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，J(k)表示代价函数值，k表示迭代次数，d(i)表示第i时刻频谱分析模块接收到的窃听设备的无线通信信号，y(i)表示第i时刻自适应滤波器的输出信号，L表示自适应滤波器系数向量的长度，σ表示自适应滤波器输出信号的方差。
通过求代价函数的随机梯度，可得自适应滤波器系数向量的更新公式为：Wm(k+1)=Wm(k)+μ▽J(k)。
其中，Wm(k)表示频谱分析模块m中第k次迭代后的自适应滤波器系数向量，μ表示步长控制参数。
处理器4获得的无线通信信号的信号强度表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
。
其中，RSS表示无线通信信号的信号强度，N表示采样个数。E()表示求期望，sum()表示求和，e(k)表示第k次迭代后自适应滤波器的输出信号强度。
根据无线通信信号的信号强度确定处理器4所在频谱分析模块与窃听设备的距离的公式表示为：
P r(d)=P r(d 0)+10λlg(d 0/d)+X；
其中，P r(d)表示距离为d时的无线通信信号的信号强度值，λ为路径损耗因子，X表示正态分布随机变量。
射频处理具体包括对信号的放大、滤波和模数转换。
作为具体实施例，频谱分析模块的数量为4，4个频谱分析模块分别放置在待探测空间的四个角落，如图1所示。
下面以4个频谱分析模块分别放在保密房间（待探测空间）的四个角落来详细说明本发明一种基于超宽带的窃听设备定位系统。
通过测量工具，确定四个频谱分析模块在房间内的坐标：(x 1,y 1)，(x 2,y 2)，(x 3,y 3)，(x 4,y 4)。
本发明中的频谱分析模块包括：天线、射频前端3和处理器4。其中，天线包括UWB（超宽带）天线和无线信号接收天线2。UWB天线用于接收UWB通信信号，无线信号接收天线2用于接收环境中的无线信号，无线信号包括UWB信号和窃听设备的无线通信信号。射频前端3用于对接收到的无线信号进行射频处理，包括放大、滤波、AD\DA转换。处理器4实现的功能包括：UWB通信、自适应滤波、信号功率及距离计算、快速傅立叶变换（Fast FourierTransform，FFT）处理、频谱信息以及无线信号定位。
UWB通信功能用于实现分布式无线频谱分析系统中各个子模块之间的通信，传输各个子模块获取的窃听设备无线通信信号的信号功率、窃听设备到各个模块的距离、以及窃听设备无线通信信号的频谱信息。UWB系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0.20~1.5ns之间，由于UWB信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，对于一般通信系统来说，UWB信号相当于白噪声信号，并且在大多数情况下，UWB信号的功率谱密度低于自然的电子噪声的功率谱密度，因此，各个子模块之间采用UWB进行通信时，不会影响采用FFT对窃听设备的无线通信信号进行频谱分析，但是对于采用时域计算窃听设备的无线通信信号功率时，UWB的脉冲信号会对信号功率计算产生影响，需要采用自适应滤波算法来降低UWB通信信号的影响。
如图3所示，由于UWB通信信号的脉冲特性，本发明采用最大相关熵准则（MaximumCorrentropy Criterion，MCC）设计自适应噪声消除滤波器（自适应滤波器），则自适应滤波器的代价函数变为：
Figure 918859DEST_PATH_IMAGE001
；
式中，d(i)=s(i)+n 0(i)为第i时刻频谱分析模块接收到的窃听设备无线信号，d(i)为图3中原始输入s+n 0第i时刻的值，s表示窃听设备无线信号，n 0表示噪声信号，即窃听设备无线信号中的UWB信号，y(i)=n 1(i)为第i时刻自适应滤波器输出信号，y(i)为图3中输出y第i时刻的值，滤波器输出误差e=s+n 0-y，L为滤波器系数Wm的长度，σ为滤波器输出的方差。
通过求代价函数的随机梯度，可得滤波器系数向量的更新公式：
Wm(k+1)=Wm(k)+μ▽J(k)。
其中，Wm(k)表示频谱分析模块m中第k次迭代后的自适应滤波器系数向量，μ表示步长控制参数，Wm(k)包括各频谱分析模块对应的滤波器系数。
如图4所示，本实施例中，每个频谱分析模块会接收其他三个频谱分析模块的UWB通信信号，由于其他三个频谱分析模块的位置不同，其发送的UWB通信信号的传播路径和传播信道不同，因此对于自适应滤波模块，需要不断地调整滤波器的系数Wm，来适应不同的参考输入。为了减少自适应滤波器的调整，提高滤波效果，本实施例中，通过预先进行UWB通信学习过程，对于每一个频谱分析模块，分别存储其滤波效果最好的自适应滤波器系数，即
Figure 123576DEST_PATH_IMAGE006
，i=1,2,3,4，m=1,2,3,4。以模块（频谱分析模块）1为例，分别与模块2、3、4通信，自适应调整模块1中滤波器的系数，使得滤波器输出的信号强度最小，从而获取滤除模块2、3、4的UWB信号的最佳滤波器系数
Figure 758694DEST_PATH_IMAGE007
，m=2,3,4。当UWB通信模块通过通信内容，确认当前的UWB信号的来源时，自适应滤波器自动选取对应的滤波器系数，从而提高滤波效果。
窃听设备的无线通信信号的接收信号强度为：
Figure 365256DEST_PATH_IMAGE005
。
信号强度功率和距离之间的关系符合Friis（弗里斯传输）在自由空间的模型：
P r(d)=P r(d 0)+10λlg(d 0/d)+X；
其中，P r(d)表示距离为d时的无线通信信号的信号强度值，d 0=1米，d 0作为参考量，λ为路径损耗因子，λ值大小与室内环境有关，X表示正态分布随机变量。通过测量窃听设备的无线通信信号的接收信号强度，确定窃听设备相对于频谱分析模块的距离。
处理器4还包括FFT模块，FFT模块用于对窃听设备的无线通信信号进行FFT变换，获取无线通信信号的频率、相位等频谱信息。
通过频谱分析模块之间的UWB通信，无线定位信号可以获取窃听设备相对于每一个频谱分析模块的距离。
4个频谱分析模块分别通过FFT模块获取窃听设备无线信号的频谱信息，并分别通过测量无线信号的RSS，获取窃听设备到频谱分析模块的距离d 1、d 2、d 3和d 4。则任意频谱分析模块中的无线信号定位模块可以通过求解下式获取窃听设备的位置（x,y）：
Figure 296303DEST_PATH_IMAGE003
；
其中，(x,y)表示窃听设备的位置坐标，d 1表示坐标为(x 1,y 1)的频谱分析模块与窃听设备的距离，d 2表示坐标为(x 2,y 2)的频谱分析模块与窃听设备的距离，d 3表示坐标为(x 3,y 3)的频谱分析模块与窃听设备的距离，d 4表示坐标为(x 4,y 4)的频谱分析模块与窃听设备的距离。
本发明一种基于超宽带的窃听设备定位系统可以获取环境中的无线信号的频谱以及发射信号的设备的位置。
本发明采用分布式系统和基于RSS的定位方式，系统简单，成本低。
分布式频谱分析模块之间通过UWB进行通信，对于分析窃听设备的无线信号没有影响。
频谱分析模块通过快速傅立叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）获取窃听设备无线信号的频谱信息，通过测量窃听设备无线信号的接收信号强度，获取窃听设备到频谱分析模块之间的距离，进而定位窃听设备的位置。
通过自适应滤波器，滤除UWB通信信号对窃听设备无线信号的接收信号强度测量的影响。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于超宽带的窃听设备定位系统，其特征在于，包括M个频谱分析模块，各所述频谱分析模块均包括超宽带天线、无线信号接收天线、射频前端和处理器，各所述频谱分析模块分别放置在待探测空间的不同位置；
各所述处理器均包括自适应滤波器，所述自适应滤波器用于滤除超宽带信号；通过预先进行超宽带通信学习，为各所述频谱分析模块确定其他M-1个频谱分析模块的自适应滤波器系数，当确认当前超宽带信号来源为频谱分析模块m时，自适应滤波器选择与频谱分析模块m对应的自适应滤波器系数；
所述超宽带天线用于各所述频谱分析模块之间的超宽带通信；所述无线信号接收天线用于接收环境中的无线信号，所述无线信号包括超宽带信号和窃听设备发送的无线通信信号；所述射频前端用于对接收到的所述无线信号进行射频处理，并将射频处理后的信号发送到所述处理器；所述处理器用于对接收到的所述射频处理后的信号进行滤波，获得无线通信信号的信号强度，根据所述无线通信信号的信号强度确定所述处理器所在所述频谱分析模块与所述窃听设备的距离，并通过超宽带通信获得各所述频谱分析模块与所述窃听设备的距离，根据各所述频谱分析模块与所述窃听设备的距离确定所述窃听设备的位置；
所述处理器获得的所述无线通信信号的信号强度表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，RSS表示所述无线通信信号的信号强度，N表示采样个数，E()表示求期望，sum()表示求和，e(k)表示第k次迭代后自适应滤波器的输出信号强度；
所述根据所述无线通信信号的信号强度确定所述处理器所在所述频谱分析模块与所述窃听设备的距离的公式表示为：
P r(d)=P r(d 0)+10λlg(d 0/d)+X；
其中，P r(d)表示距离为d时的无线通信信号的信号强度值，λ为路径损耗因子，X表示正态分布随机变量，d 0表示参考量。
2.根据权利要求1所述的基于超宽带的窃听设备定位系统，其特征在于，所述处理器还用于通过所述自适应滤波器的代价函数确定自适应滤波器系数；所述自适应滤波器的代价函数表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
;
其中，J(k)表示代价函数值，k表示迭代次数，d(i)表示第i时刻频谱分析模块接收到的窃听设备的无线通信信号，y(i)表示第i时刻自适应滤波器的输出信号，L表示自适应滤波器系数向量的长度，σ表示自适应滤波器输出信号的方差；
通过求所述代价函数的随机梯度，可得自适应滤波器系数向量的更新公式为：Wm(k+1)=Wm(k)+μ▽J(k)；
其中，Wm(k)表示频谱分析模块m中第k次迭代后的自适应滤波器系数向量，μ表示步长控制参数。
3.根据权利要求1所述的基于超宽带的窃听设备定位系统，其特征在于，所述射频处理具体包括对信号的放大、滤波和模数转换。
4.根据权利要求1所述的基于超宽带的窃听设备定位系统，其特征在于，所述频谱分析模块的数量为4，4个所述频谱分析模块分别放置在所述待探测空间的四个角落。
5.根据权利要求4所述的基于超宽带的窃听设备定位系统，其特征在于，所述根据各所述频谱分析模块与所述窃听设备的距离确定所述窃听设备的位置的公式表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
；
其中，(x,y)表示所述窃听设备的位置坐标，d 1表示坐标为(x 1,y 1)的频谱分析模块与所述窃听设备的距离，d 2表示坐标为(x 2,y 2)的频谱分析模块与所述窃听设备的距离，d 3表示坐标为(x 3,y 3)的频谱分析模块与所述窃听设备的距离，d 4表示坐标为(x 4,y 4)的频谱分析模块与所述窃听设备的距离。
6.根据权利要求5所述的基于超宽带的窃听设备定位系统，其特征在于，各频谱分析模块的坐标通过测量工具确定。
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