CN113539225A - 一种基于强声换能器阵列的车载防窃听装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于强声换能器阵列的车载防窃听装置。该装置通过采用核心处理模块、信号发生模块和信号采样模块产生车内外干扰信号，可将窃听装置获取的音频信号信噪比降至最低，从而无法通过滤波等方式解析；并且，通过采用强声换能器阵列和超声换能器阵列两种方式发射车外、内干扰声波信号，使得在不影响车内正常对话的同时，使车窗产生振动而有效防止激光窃听，进而使得车辆防窃听性能更加全面；再者，相对于现有电磁干扰技术，该装置仅发射声波信号，不对车载电子设备产生干扰，可在车辆正常行驶时，对车内语音进行保护。相对于现有吸音材料包裹技术，该装置可部署在任意车辆上，具有可重用性。

Description

一种基于强声换能器阵列的车载防窃听装置

技术领域

本发明涉及防窃听技术领域，特别是涉及一种基于强声换能器阵列的车载防窃听装置。

背景技术

近年来，随着电子技术的飞速发展，各种具有录音功能的数码产品层出不穷。在一些特定场所，个人、企业以及机关部门往往需要对隐私或机密进行保护，而手机、耳机等数码产品不断发展的录音功能以及专用窃听装置的不断迭代使得窃听越来越难以防范。

在车辆类可移动载体上，由于其位置不固定、人员不确定、电子设备繁杂，当机密隐私的对话或手机通话发生在车辆上时，极易被窃听装置获取。

常见的防窃听方法主要是限制携带窃听装置、电磁干扰技术、吸音材料包裹方法等。但是由于当前几乎所有手机等便携式数码产品都具有录音功能，在针对车辆类可移动载体时，无法通过限制携带的方式杜绝窃听设备进入车辆，并且激光类专业窃听设备进行窃听时无须进入车辆内部，利用车辆车窗玻璃表面产生振动即可进行窃听；而车辆在正常行驶时需要车载电子设备的正常工作，电磁干扰技术在对电子窃听设备进行干扰的同时，也将对车载电子设备产生一定的干扰从而影响其正常工作，所以电磁干扰技术在面对车辆防窃听场景下存在着限制；吸音材料包裹方法则需要对车窗、车辆内饰等进行更换，只能作用于专用车辆，重用性差。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于强声换能器阵列的车载防窃听装置。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于强声换能器阵列的车载防窃听装置，包括：核心处理模块、信号发生模块、信号采样模块、多通道功率放大模块、强声换能器阵列、超声换能器阵列和麦克风模块；

所述麦克风模块与所述信号采样模块连接；所述信号采样模块与所述核心处理模块连接；所述核心处理模块与所述信号发生模块连接；所述信号发生模块与所述多通道功率放大模块连接；所述多通道功率放大模块分别与所述强声换能器阵列和所述超声换能器阵列连接；

所述麦克风模块用于获取音频信号；所述信号采样模块用于将所述音频信号转换为数字信号，所述核心处理模块用于根据所述数字信号生成次级信号；信号发生模块用于根据所述次级信号生成车内干扰信号和车外干扰信号；所述多通道功率放大模块用于放大所述车内干扰信号和所述车外干扰信号；所述强声换能器阵列和所述超声换能器阵列用于将所述车内干扰信号和所述车外干扰信号转换为声波信号；所述麦克风模块用于接收音频信号；所述音频信号包括：需保护的语音音频信号、包含语音信号、干扰音频信号及车内环境噪声信号的车内音频信号。

优选地，所述麦克风模块包括佩戴麦克风和车体麦克风；

所述佩戴麦克风和所述车体麦克风均与所述信号采样模块连接；

所述佩戴麦克风用于接收需保护的语音音频信号；所述车体麦克风用于接收包含语音信号、干扰音频信号及车内环境噪声信号的车内音频信号。

优选地，所述信号采样模块包括：AD模数转换芯片和信号输入调理电路；

所述信号输入调理电路分别与所述麦克风模块和所述AD模数转换芯片连接；所述AD模数转换芯片与所述核心处理模块连接；

所述音频信号经所述信号输入调理电路调理后，通过所述AD模数转换芯片转换为数字信号。

优选地，所述核心处理模块、所述信号发生模块和所述信号采样模块均植入到同一主机内。

优选地，所述核心处理模块为ARM处理芯片、DSP处理芯片或FPGA芯片。

优选地，所述信号发生模块包括：超声信号发生器、噪音信号发生器，可控增益放大电路和调制器；

超声信号发生器和所述噪音信号发生器均与所述可控增益放大电路连接；所述调制器分别与所述核心处理模块和所述可控增益放大电路连接；

所述超声信号发生器用于产生超声信号；所述噪音信号发生器用于产生噪音信号；所述可控增益放大电路对所述超声信号和所述噪音信号进行放大，使放大后的所述超声信号的幅度和放大后的所述噪音信号的幅度与需保护的语音信号的幅度匹配；所述调制器用于以所述放大后的所述超声信号和所述放大后的所述噪音信号为载波信号，将所述次级信号调制成所述车内干扰信号和所述车外干扰信号。

优选地，所述核心处理模块还包括：基于FxRMC的自适应控制器和PID控制器；

所述基于FxRMC的自适应控制器分别与所述超声信号发生器、所述噪音信号发生器和所述信号采样模块连接；所述PID控制器分别与所述信号采样模块和所述噪音信号发生器连接；

所述基于FxRMC的自适应控制器用于将所述数字信号经FxRMC迭代处理后生成次级信号；

所述PID控制器用于基于所述车内音频信号采用PID控制调节所述车外干扰信号。

优选地，所述多通道功率放大模块为A类功率放大电路、B类功率放大电路、AB类功率放大电路、D类功率放大电路、G类功率放大电路或H类功率放大电路。

优选地，所述强声换能器阵列由电磁式声电换能器组成；所述强声换能器阵列安装在车辆顶部，用于将车外干扰电信号转换为声波信号后，发送至车窗玻璃处，使车窗玻璃产生震动；

所述超声换能器阵列由压电陶瓷式换能器组成；所述超声换能器阵列部署在车辆内部，用于将车内干扰信号转换为声波信号，发送至车内空间。

优选地，还包括电源模块；

所述电源模块用于将车辆电池的电压降/升压至系统电压，以为所述主机和所述多通道功率放大模块提供电压。

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：

本发明提供的基于强声换能器阵列的车载防窃听装置，通过采用核心处理模块、信号发生模块和信号采样模块产生车内外干扰信号，可将窃听装置获取的音频信号信噪比降至最低，从而无法通过滤波等方式解析；通过采用强声换能器阵列和超声换能器阵列两种方式发射车外、内干扰声波信号，使得在不影响车内正常对话的同时，使车窗产生振动而有效防止激光窃听，进而使得车辆防窃听性能更加全面；并且，相对于现有电磁干扰技术，该装置仅发射声波信号，不对车载电子设备产生干扰，可在车辆正常行驶时，对车内语音进行保护。相对于现有吸音材料包裹技术，该装置可部署在任意车辆上，具有可重用性。

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为本发明提供的基于强声换能器阵列的车载防窃听装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的麦克风、超声换能器阵列和强声换能器阵列相对于车体的布置示意图；

图3为本发明实施例提供的基于强声换能器阵列的车载防窃听装置中的信号处理流程图；

图4为本发明实施例提供的基于FxRMC的自适应控制器的结构图；

图5为本发明实施例提供的PID控制器的结构图。

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。

本发明的目的是提供一种基于强声换能器阵列的车载防窃听装置，能够布设在任意车辆上，且在车辆正常行驶时对车内语音进行有效保护。

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。

如图1所示，本发明提供的基于强声换能器阵列的车载防窃听装置，包括：核心处理模块、信号发生模块、信号采样模块、多通道功率放大模块、强声换能器阵列、超声换能器阵列和麦克风模块；核心处理模块优选为ARM处理芯片、DSP处理芯片或FPGA芯片中的一种或是其组合。多通道功率放大模块优选为A、B、AB、D、G、H等类功率放大电路。

所述麦克风模块与所述信号采样模块连接；所述信号采样模块与所述核心处理模块连接；所述核心处理模块与所述信号发生模块连接；所述信号发生模块与所述多通道功率放大模块连接；所述多通道功率放大模块分别与所述强声换能器阵列和所述超声换能器阵列连接；

所述麦克风模块用于获取音频信号；所述信号采样模块用于将所述音频信号转换为数字信号，所述核心处理模块用于根据所述数字信号生成次级信号；信号发生模块用于根据所述次级信号生成车内干扰信号S1和车外干扰信号S2；所述多通道功率放大模块用于放大所述车内干扰信号S1和所述车外干扰信号S2；所述强声换能器阵列和所述超声换能器阵列用于将所述车内干扰信号S1和所述车外干扰信号S2转换为声波信号；所述麦克风模块用于接收音频信号；所述音频信号包括：需保护的语音音频信号、包含语音信号、干扰音频信号及车内环境噪声信号的车内音频信号。

为了进一步简化上述基于强声换能器阵列的车载防窃听装置的结构，将所述核心处理模块、所述信号发生模块和所述信号采样模块均植入到同一主机内。

其中，本发明上述提供的麦克风模块包括佩戴麦克风和车体麦克风；

所述佩戴麦克风和所述车体麦克风均与所述信号采样模块连接；

所述佩戴麦克风用于接收需保护的语音音频信号；所述车体麦克风用于接收包含语音信号、干扰音频信号及车内环境噪声信号的车内音频信号。

佩戴麦克风和车体麦克风均包含：电容式、动圈式等声电式传感器，前级放大电路，滤波电路，可控增益电路。

具体的，需保护的语音音频信号由佩戴麦克风获取，经过前级放大电路，滤波电路，可控增益电路等提高信噪比，输出保护语音音频的有效模拟信号。包含语音信号、车内外干扰音频信号及车内环境噪声信号的车内音频信号由部署在车内的车体麦克风获取，经过前级放大电路，滤除车内环境噪声信号的滤波器，输出至信号采样模块。

本发明上述提供的所述强声换能器阵列由电磁式声电换能器组成；所述强声换能器阵列安装在车辆顶部，用于将车外干扰电信号S2转换为声波信号后，发送至车窗玻璃处，使车窗玻璃产生震动；

所述超声换能器阵列由压电陶瓷式换能器组成；所述超声换能器阵列部署在车辆内部，用于将车内干扰信号S1转换为声波信号，发送至车内空间。

本发明中，佩戴麦克风、车体麦克风、强声换能器阵列和超声换能器阵列的具体布置位置和排布方式如图2所示。

上述提供的信号采样模块优选包括：AD模数转换芯片和信号输入调理电路；

所述信号输入调理电路分别与所述麦克风模块和所述AD模数转换芯片连接；所述AD模数转换芯片与所述核心处理模块连接；

所述音频信号经所述信号输入调理电路调理后，通过所述AD模数转换芯片转换为数字信号。

本发明采用的信号采样模块的采样率应大于超声信号频率的四倍，以获取较完整的车内音频信号信息。

上述提供的信号发生模块包括：超声信号发生器、噪音信号发生器，可控增益放大电路和调制器；

超声信号发生器和所述噪音信号发生器均与所述可控增益放大电路连接；所述调制器分别与所述核心处理模块和所述可控增益放大电路连接；

所述超声信号发生器用于产生超声信号；所述噪音信号发生器用于产生噪音信号；所述可控增益放大电路对所述超声信号和所述噪音信号进行放大，使放大后的所述超声信号的幅度和放大后的所述噪音信号的幅度与需保护的语音信号的幅度匹配；所述调制器用于以所述放大后的所述超声信号和所述放大后的所述噪音信号为载波信号，将所述次级信号调制成所述车内干扰信号S1和所述车外干扰信号S2。

上述采用的核心处理模块主要是对麦克风所采集到的信号进行自适应处理(自适应滤波及PID控制)，调整车内外干扰信号S1、S2的功率、相位、频率使得车体麦克风接收到的音频信号中语音信号最小。其中，车内干扰信号S1由次级信号与超声信号调制形成，车外干扰信号S2由噪声信号与次级信号叠加形成。

基于此，该核心处理模块优选包括：基于FxRMC的自适应控制器和PID控制器；

所述基于FxRMC的自适应控制器分别与所述超声信号发生器、所述噪音信号发生器和所述信号采样模块连接；所述PID控制器分别与所述信号采样模块和噪音信号发生器连接；

所述基于FxRMC的自适应控制器用于将所述数字信号经FxRMC迭代处理后生成次级信号；

所述PID控制器用于基于所述车内音频信号采用PID控制调节所述车外干扰信号S2。

基于上述核心处理模块的结构，对车内外干扰信号S1、S2进行调整的处理流程如图3所示，具体为：

佩戴麦克风接收到的需保护语音信号与分布在车体四周的车体麦克风接收到的车内音频信号，输入至主机系统，通过FxRMC算法产生次级信号，次级信号分别与超声信号、噪声信号调制叠加产生车内干扰信号S1，车外干扰信号S2。车外干扰信号S2由于可被人耳听到，所以采用PID算法控制S2信号的功率大小。

如图4中所示的基于FxRMC的自适应控制器，p(n)为n时刻初级声信号，H ₁(Z)、H ₂(Z)和H ₃(Z)分别为初级通道传递函数、次级通道传递函数、需要估计并识别的传递函数，d(n)为n时刻期望信号，x(n)为n时刻佩戴麦克风(即初级传感器)信号，y(n)为n时刻次级输出信号，设车体麦克风(即误差传感器)总个数为M。则e(n)=[e ₁(n),e ₂(n),...,e _m(n)]，m=1,2,3…M，e(n)为误差信号向量，W(Z)表示横向FIR自适应滤波控制器；建立FxRMC算法的代价函数为：

, i=1,2,3…n

其中，

是遗忘因子，

是一个移位不变的Mercer内核，定义

，σ是内核大小，使上式为0，可得到：

, i=1,2,3…n

其中

,i=1,2,3…n，

表示滤波后第i时刻输入向量，

为其转置，w(i)表示第i时刻滤波器权值，定义

，

, i=1,2…n，从上式可得自适应滤波权值表达式为：

利用矩阵逆定理，则

可由下式更新：

其中增益因子为：

对应本系统中车内干扰信号S1，参考输入信号为1路，次级输出声源为1路，误差传感器为4路，则有：n时刻语音原始信号p(n)，输入信号x(n)为n时刻佩戴麦克风接收到的信号，n时刻次级输出信号y(n)为S1信号中与超声叠加的次级信号，n时刻期望输出信号

，m=1,2,3,4，4路车体麦克风作为误差传感器，则次级声传播通路为4路，对应滤波器个数为4，则误差信号为e _m (n)=d _m (n)-y _m (n), m=1,2…4，y _m (n)为n时刻实际输出次级信号，则整个算法流程如下：

输入佩戴麦克风信号x(n)，输入车体麦克风信号e(n)=[e ₁(n),e ₂(n),e ₄(n)]；

计算第m个滤波器次级输出信号y _m (n)：

, m=1,2..4，

其中，w _mi (n)为第n时刻第m个横向滤波器的第i个系数，l是滤波器长度。

计算滤波后的输入初级信号：

计算：

, m=1,2..4

计算增益因子：

, m=1,2..4

调整自适应滤波权系数：

, m=1,2..4

计算：

, m=1,2..4

重复以上流程直至e(n)满足控制及需求。

以上流程为第m个滤波器流程，共4个滤波器。基于此，建立迭代算法代价函数为：

，m=1,2..4; i=1,2…n

当J _A 达到最小值时，则车体麦克风收到的语音信号幅值最小。

对于S2信号，与S1信号同理利用以上流程，将车体麦克风所接收到的信号e(n)中的语音信号降低至最小。而S2信号中噪声功率过大时将对车内对话产生影响，则建立PID控制算法，通过PID控制，调整S2信号中噪声功率大小，将佩戴麦克风信噪比SNR控制在设定阈值SNR ₀点处。如图5所示。

K _p 为比例增益，T _d 为积分时间常数，TD为微分时间常数，u(n)表示PID控制器输出，e’(n)为阈值与测量值误差，e’(n)=SNR(n)-SNR ₀，SNR(n)表示n时刻车体麦克风接收到信号的信噪比，SNR ₀为固定信噪比阈值，C为系统中控制S2信号噪声功率大小单元，M为车体麦克风测量信号处理单元。

进一步，上述提供的基于强声换能器阵列的车载防窃听装置还包括电源模块；

所述电源模块用于将车辆电池的电压降/升压至系统电压，以为所述主机和所述多通道功率放大模块提供电压。具体的，电源模块将车辆电池12V/24V/48V电压降/升压稳压至系统电压，提供系统主机所需5/3.3/1.8/1.2V供电电压，且提供多通道功率放大模块所需供电电压。

本发明所提到的超声信号是指超出人耳可听频率范围上限20kHz及以上频率的声波。个体差异不同，长时间暴露在人耳可听的大功率高频声波下将对人耳产生不可逆转损害。车内干扰信号S1将使不包含有效滤波器且一般频带较宽的设备，如手机、一般录音笔等所接收到的信号中超声信号过载，进而使得语音信号淹没在超声信号中而无法正常解析。

信号发生器模块调制器将由FxRMC算法产生的次级信号与超声信号进行调制。次级信号与正常语音信号叠加，次级信号与需保护语音信号的不相关度最大，达到降低信噪比目的，使得包含有效滤波器的设备，如专业窃听设备即使在滤除超声信号后，也无法进行正常解析。

强声换能器阵列发射大功率车外干扰声波对车窗玻璃所产生的震动，将使得玻璃由于内部语音所产生的微小震动淹没在噪声震动之中，使得如激光类专业窃听设备无法进行窃听。

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 (10)

1.一种基于强声换能器阵列的车载防窃听装置，其特征在于，包括：核心处理模块、信号发生模块、信号采样模块、多通道功率放大模块、强声换能器阵列、超声换能器阵列和麦克风模块；

所述麦克风模块与所述信号采样模块连接；所述信号采样模块与所述核心处理模块连接；所述核心处理模块与所述信号发生模块连接；所述信号发生模块与所述多通道功率放大模块连接；所述多通道功率放大模块分别与所述强声换能器阵列和所述超声换能器阵列连接；

所述麦克风模块用于获取音频信号；所述信号采样模块用于将所述音频信号转换为数字信号，所述核心处理模块用于根据所述数字信号生成次级信号；信号发生模块用于根据所述次级信号生成车内干扰信号和车外干扰信号；所述多通道功率放大模块用于放大所述车内干扰信号和所述车外干扰信号；所述强声换能器阵列和所述超声换能器阵列用于将所述车内干扰信号和所述车外干扰信号转换为声波信号；所述麦克风模块用于接收音频信号；所述音频信号包括：需保护的语音音频信号、包含语音信号、干扰音频信号及车内环境噪声信号的车内音频信号。

2.根据权利要求1所述的基于强声换能器阵列的车载防窃听装置，其特征在于，所述麦克风模块包括佩戴麦克风和车体麦克风；

所述佩戴麦克风和所述车体麦克风均与所述信号采样模块连接；

所述佩戴麦克风用于接收需保护的语音音频信号；所述车体麦克风用于接收包含语音信号、干扰音频信号及车内环境噪声信号的车内音频信号。

3.根据权利要求1所述的基于强声换能器阵列的车载防窃听装置，其特征在于，所述信号采样模块包括：AD模数转换芯片和信号输入调理电路；

所述信号输入调理电路分别与所述麦克风模块和所述AD模数转换芯片连接；所述AD模数转换芯片与所述核心处理模块连接；

所述音频信号经所述信号输入调理电路调理后，通过所述AD模数转换芯片转换为数字信号。

4.根据权利要求1所述的基于强声换能器阵列的车载防窃听装置，其特征在于，所述核心处理模块、所述信号发生模块和所述信号采样模块均植入到同一主机内。

5.根据权利要求1所述的基于强声换能器阵列的车载防窃听装置，其特征在于，所述核心处理模块为ARM处理芯片、DSP处理芯片或FPGA芯片。

6.根据权利要求1所述的基于强声换能器阵列的车载防窃听装置，其特征在于，所述信号发生模块包括：超声信号发生器、噪音信号发生器，可控增益放大电路和调制器；

超声信号发生器和所述噪音信号发生器均与所述可控增益放大电路连接；所述调制器分别与所述核心处理模块和所述可控增益放大电路连接；

所述超声信号发生器用于产生超声信号；所述噪音信号发生器用于产生噪音信号；所述可控增益放大电路对所述超声信号和所述噪音信号进行放大，使放大后的所述超声信号的幅度和放大后的所述噪音信号的幅度与需保护的语音信号的幅度匹配；所述调制器用于以所述放大后的所述超声信号和所述放大后的所述噪音信号为载波信号，将所述次级信号调制成所述车内干扰信号和所述车外干扰信号。

7.根据权利要求6所述的基于强声换能器阵列的车载防窃听装置，其特征在于，所述核心处理模块还包括：基于FxRMC的自适应控制器和PID控制器；

所述基于FxRMC的自适应控制器分别与所述超声信号发生器、所述噪音信号发生器和所述信号采样模块连接；所述PID控制器分别与所述信号采样模块和噪音信号发生器连接；

所述基于FxRMC的自适应控制器用于将所述数字信号经FxRMC迭代处理后生成次级信号；

所述PID控制器用于基于所述车内音频信号采用PID控制调节所述车外干扰信号。

8.根据权利要求1所述的基于强声换能器阵列的车载防窃听装置，其特征在于，所述多通道功率放大模块为A类功率放大电路、B类功率放大电路、AB类功率放大电路、D类功率放大电路、G类功率放大电路或H类功率放大电路。

9.根据权利要求1所述的基于强声换能器阵列的车载防窃听装置，其特征在于，所述强声换能器阵列由电磁式声电换能器组成；所述强声换能器阵列安装在车辆顶部，用于将车外干扰电信号转换为声波信号后，发送至车窗玻璃处，使车窗玻璃产生震动；

所述超声换能器阵列由压电陶瓷式换能器组成；所述超声换能器阵列部署在车辆内部，用于将车内干扰信号转换为声波信号，发送至车内空间。

10.根据权利要求4所述的基于强声换能器阵列的车载防窃听装置，其特征在于，还包括电源模块；

所述电源模块用于将车辆电池的电压降/升压至系统电压，以为所述主机和所述多通道功率放大模块提供电压。

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