CN114337850A

CN114337850A - 一种基于超声波注入技术的防窃听方法及系统

Info

Publication number: CN114337850A
Application number: CN202111657321.5A
Authority: CN
Inventors: 徐文渊; 冀晓宇; 闫琛; 贵海军
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2021-12-30
Filing date: 2021-12-30
Publication date: 2022-04-12

Abstract

本发明公开了一种基于超声注入技术的防窃听方法及系统，所述方法包括：通过超声波信号注入使窃听设备中语音捕获模块无法还原成真实语音，亦即产生混乱的电信号，从而实现防窃听功能；所述超声波信号注入具体为：将希望注入的信号m(t)调幅调制在超声波cos(2πf_ct)的载波上形成输入信号；具体可以采用噪音覆盖、反相消除、大功率超声波压制三种方式实现；本发明通过超声波实现防窃听处理，避免了常规电磁波干扰防窃听技术所带来的对身体伤害，以及电磁波探测技术无法实现的实时防窃听模式。

Description

一种基于超声波注入技术的防窃听方法及系统

技术领域

本发明属于语音防窃听安全领域，特别是涉及一种基于超声波注入技术以及基于此的一种防窃听系统。

背景技术

当前窃听设备普遍存在，它威胁受害者的隐私和安全，特别对于一些涉密的场所，窃听装置的存在会带来巨大风险。常见的窃听设备本质是一个音频传感器，可以将窃听收集的音频信息存储在本地或通过无线传输。窃听设备主要包括以下几个模块：语音捕获模块、信号处理模块和电源模块，若支持无线传输则还包括无线发送模块。已有的防窃听方法主要针对信号处理模块和无线发送模块进行信号干扰。

针对信号处理模块的防窃听方法目前主要利用电磁波对窃听装置进行干扰，通过电磁干扰实现对信号处理模块中电信号的干扰，令原本正常信号传递链路中的电信号失真，从而实现防窃反录。

针对无线发送模块的防窃听方法主要针对无线窃听装置，通过信号探测器的被动探测或通过全频分析探测器来主动探测来查看检测区域内是否有正在工作的窃听器材，利用窃听装置工作时，无线发送模块会出现一些物理特征来探测是否存在窃听装置。

但是，现有技术提出的防窃听技术存在的不足之处在于：

1.利用高强度电磁波的干扰方法，一方面可能会对人体造成伤害，另一方面也会可能会影响其他电子设备的正常工作。

2.利用无线信号探测的方法需要提前进行检测，针对临时开启的监听设备无法及时探测；而且目前很大一部分窃听装置不使用无线传输。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，以窃听设备的语音捕获模块为切入点，使用超声波信号注入方式对窃听信号传递链路进行阻断，从而实现防窃听功能。语音捕获模块用于记录声音，主要是由麦克风传感器组成，用于将空气中的声波转换为电信号。目前较为常用的麦克风传感器是MEMS传感器，在声波存在的情况下，由声波引起的空气压力导致传感器薄膜的变化，这种机械变形导致电容变化从而转化为电信号进行下一步处理。

本发明以语音捕获模块为切入点，在人耳能正常听见可听音频的情况下，通过超声波信号注入技术使麦克风传感器薄膜产生的振动无法还原成正常语音，亦即产生混乱的电信号，从窃听信号传递链路源头进行阻断，实现防窃听功能。基于超声波注入技术的防窃听系统，主要包括以下几个模块，语音捕获模块、信号处理模块、扬声器模块，其中最主要的部分是信号处理模块，主要负责语音信号的调制与叠加。扬声器模块需要拥有较好且已知的频率响应曲线。

本发明所基于的超声波信号注入技术的说明如下：一个线性的系统可以表示为y＝a₀+a₁x，其中x代表输入，y代表输出，a_i代表各项式的系数。然而，大部分实际系统都是非线性系统，即输出中包含输入的二次项等高次项，输入输出可以表示为y＝a₀+a₁x+a₂x²+…+a_nxⁿ。录音装置中的麦克风也有这种非线性现象，结合实际信号情况，可以将麦克风的输入输出关系建模为y＝a₁x+a₂x²。

利用麦克风的非线性特征，将希望注入的信号m(t)作为基带信号，调幅调制在超声波cos(2πf_ct)的载波上，此时输入信号x(t)＝m(t)*cos(2πf_ct)+cos(2πf_ct)，代入非线性模型计算公式y＝a₁x+a₂x²，最终得到的信号结果中会包含如下频率：f_m,2f_c,2(f_c-f_m),2(f_c+f_m),2f_c+f_m,2f_c-f_m，其中，f_m为基带信号的频率，f_c为超声信号的频率。对于常见的录音设备，例如智能手机，其音频采样率为44.1kHz，为避免欠采样，语音信号在被接收之后会进过低通滤波器的处理，因此高频信号都将被滤除，最终录音设备只会录到频率为f_m的信号。通过超声波信号注入技术，就可以实现超声波携带信号注入麦克风。

本发明所实现的基于超声波信号注入技术的防窃听系统可以有三种防窃听模式，分别是噪声覆盖、反相消除和大功率超声波压制。噪声覆盖和反相消除利用窃听设备中麦克风和放大器的非线性特性注入可听频段的噪声，实现对真实声音的掩盖或消除；而大功率超声波压制则是通过造成窃听设备中放大器的饱和特性，使真实声音不被器件响应，从而无法被录制。

噪声覆盖的基本方法是①利用随机生成的低频噪声m(t)，②将其调制在高频信号f_c上，形成调制信号x(t)＝m(t)*cos(2πf_ct)+cos(2πf_ct)，③将调制信号通过超声波发射。超声波信号会被窃听设备的麦克风接收，并在设备的信号处理电路中解调出注入的低频噪音m(t)，这部分噪音将会覆盖窃听设备录到的真实声音，干扰人耳对真实声音的识别，从而实现防窃听的功能。

在实现噪声覆盖的基础上，本发明进一步提出“心理声学+噪声覆盖”的防窃听方法。根据心理声学研究，在听觉系统中，耳蜗起着频谱分析的作用，基底膜上不同的特定位置点分别对某一特征频率的响应最大，当声波偏离特征频率时，该点的响应减少。这样的特定位置形成了人耳的一系列带通听觉滤波器。基于此原理，在设计噪声m(t)时，可以利用心理声学模型，例如通过增加相关噪声耦合程度、在时域频域对信号进行非线性混合、增加噪声覆盖带宽等方法，将其进一步优化为m′(t)，这类噪声可以减少在听觉滤波器之外无效频段的能量，增加在听觉滤波器之内有效频段的能量，从而实现在同等声音能量下更好的噪声压制效果。

反相消除的基本步骤是：①获取真实声音m(t)；②将真实声音反相n(t)作为基带信号；③调制信号发射x(t)＝n(t)*cos(2πfc_ct)+cos(2πf_ct)；④调制过后的音频在窃听者麦克风处会解调成反相的音频n(t)，与真实声音抵消。

大功率超声波压制，则是利用了窃听装置中常见的静电保护电路和放大器饱和漏洞。在窃听装置模拟输入与放大电路之间会存在两个二极管，当输入信号过于强大时，会分别将高正电压和负电压分流至接地和正电源端子。在理想情况下，这两个二极管具有相同的电流-电压特性，该静电保护电路不会对交流信号进行整流。但是，在实际电路中，这两个二极管的电流-电压特性总是不匹配，导致分流到负极端子正极的交流信号电平不同，这会产生非零直流分量V₀。进一步的，当此信号继续通过放大电路时，由于放大电路工作范围限制，此时就会出现信号失真，并且随着超声波幅值增加，原来的可听声音信号幅值逐渐下降，最终实现防窃听功能。仿真效果见图1。根据不同窃听设备物理特性，所需要的功率要求不同。通过普通商用设备调研分析，利用超声波阵列在输出功率P＝80W的状态下，发出25Khz正弦波，可以实现最大压制距离l＝0.5m，对录音笔和手机都有良好的压制效果。大功率超声波压制利用了窃听装置静电保护电路和放大器的饱和漏洞，①正常信号m(t)和大功率超声信号n(t)叠加输入窃听麦克风，②m(t)和n(t)通过放大模块出现失真，正常音频的信息出现部分丢失，③通过低通滤波后，高频信息被滤除，输出大幅减弱后的信号m^′(t)。从图1可以看出，正常信号频率分量随着超声波幅值增加而下降。

本发明的有益效果是：

1、通过超声波实现防窃听处理，避免了常规电磁波干扰防窃听技术所带来的对身体伤害，以及电磁波探测技术无法实现的实时防窃听模式；2、通过反相消除技术进行防窃听，主动地、实时地对固定区域进行防窃听保护，形成范围较大的“安全区”；3、通过噪声覆盖的方式，尤其是利用心理声学模型优化后的噪声，可以实现在相同功率下实现更好的防窃听效果；4、通过声波大功率发射装置，可以令窃听装置传感器饱和，实现完全静音效果。

附图说明

图1是大功率超声波压制方法实现窃听的仿真效果图；

图2是采用噪声覆盖方式实现窃听的方法流程图；

图3是采用噪声覆盖方式实现窃听的方法示意图；

图4是采用噪声覆盖方式实现窃听的实验结果图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明的方法做进一步的说明。

本发明中基于超声注入技术实现防窃听的方法具体可以采用噪声覆盖、反相消除、大功率超声波压制的方式实现，具体的：

噪声覆盖实现方法：

本发明采用fostex的扬声器进行实验测试。fostex可以实现在一个较宽频带范围内的良好响应。

扬声器存在两个输入，一端输入正常音频，另一端输入低频噪音调制后得到的高频信号。实现流程见图2、图3。在噪声覆盖防窃听实现中，对于覆盖所用到的信号实时性要求不高，所以可以事先准备好覆盖信号，具体操作如下：

1、生成频率随机分布在f_m以下的噪声m(t)；

2、利用频率f_c＞20kHz的超声波信号cos(2πf_ct)调幅调制m(t)，得到噪声调制后的高频信号x＝m(t)*cos(2πf_ct)+cos(2πf_ct)；

3、根据正常语音的振幅大小调节高频信号x的增益，以确保可以实现噪声压制效果；

4、将正常语音和经过信号处理模块的高频信号x(t)一起输入宽频带响应的扬声器模块，此时在一定范围内的窃听设备将无法窃听到正常语音信号。

测试不同参数下的实验效果，最终在f_m＝6khz，f_c＝25khz，得到较好的噪声覆盖效果，实验结果如图4。

反相消除实现方法：

与噪声覆盖方法实现原理基本一致，都是利用了窃听设备的非线性效果。反相消除利用超声波调制正常语音的反相信号，在窃听麦克风处由于其非线性作用生成正常信号的反相信号，控制调节其幅值增益大小，即可实现对正常声音信号的消除。具体操作如下：

1、系统正常输入语音信号为m(t)；

2、之后进入信号处理模块，对m(t)进行反相处理，得到信号n(t)；利用频率f_c＞20kHz的正弦信号cos(2πf_ct)调幅调制n(t)，得到反相信号调制后的高频信号x＝n(t)*cos(2πf_ct)+cos(2πf_ct)，f_c＝25khz；

3、根据正常语音的振幅大小调节高频信号x的增益，确保因非线性解调出来的反相信号和正常信号幅值一致；

4、控制正常音频与反相调制音频一起通过宽频带扬声器播放。

大功率超声波压制实现方法：

1、播放正常语音m(t)；

2、利用超声波发射装置在距离l处发射功率为P的超声波信号cos(2πf_ct)；

3、窃听装置工作，测试收集到的音频

本方法最终实现了在超声波信号输出功率P＝80W的状态下，压制距离最大l＝0.5m的效果。显然，进一步通过提高信号发射装置性能，增加发射功率，可以提高最大压制距离。

最终噪声覆盖与反相消除实验结果显示，在一定范围内通过此系统进行防窃听，可以较好地实现对原有音频覆盖或消除的功能。如在正常情况下听到“打电话给幺零零八六”，采用噪声覆盖方法通过此系统发出的语音，人耳听起来没有区别，但是最终窃听装置录到的将是一段无法分辨语意的音频；而采用大功率超声波压制方法，窃听设备中将几乎录不到任何可听声音。综上，通过相应的实验验证，本发明可以实现一定距离内的防窃听功能。

Claims

1.一种基于超声注入技术的防窃听方法，其特征在于，通过超声波信号注入使窃听设备中语音捕获模块无法还原成真实语音，亦即产生混乱的电信号，从而实现防窃听功能；所述超声波信号注入具体为：将希望注入的信号m(t)调幅调制在超声波cos(2πf_ct)的载波上，从而输入信号x(t)＝m(t)*cos(2πf_ct)+cos(2πf_ct)。

2.根据权利要求1所述的基于超声注入技术的防窃听方法，其特征在于，利用窃听设备中麦克风和放大器的非线性特性注入可听频段的噪声，实现对真实声音的掩盖或消除。

3.根据权利要求1所述的基于超声注入技术的防窃听方法，其特征在于，采用噪声覆盖的方式实现对真实声音的掩盖，基本方法是：利用随机生成的低频噪声m(t)，将其调制在高频信号f_c上，形成调制信号x(t)＝m(t)*cos(2πf_ct)+cos(2πf_ct)，将调制信号通过超声波发射，超声波信号会被窃听设备的麦克风接收，并在设备的信号处理电路中解调出注入的低频噪音m(t)，这部分噪音将会覆盖窃听设备录到的真实声音，干扰人耳对真实声音的识别，从而实现防窃听的功能。

4.根据权利要求3所述的基于超声注入技术的防窃听方法，其特征在于，在设计噪声m(t)时，利用心理声学模型对其进行优化。

5.根据权利要求1所述的基于超声注入技术的防窃听方法，其特征在于，采用反相消除的方式实现对真实声音的消除，基本步骤是：获取真实声音m(t)；将真实声音反相n(t)作为基带信号；调制信号发射x(t)＝n(t)*cos(2πf_ct)+cos(2πf_ct)；调制过后的音频在窃听者麦克风处会解调成反相的音频n(t)，与真实声音抵消。

6.根据权利要求1所述的基于超声注入技术的防窃听方法，其特征在于，采用大功率超声波压制的方式造成窃听设备中放大器的饱和特性，使真实声音不被器件响应，从而无法被录制实现窃听，具体的是在真实信号输入窃听设备的同时输入大功率超声信号。

7.根据权利要求6所述的基于超声注入技术的防窃听方法，其特征在于，所述的大功率超声信号为用超声波阵列在输出功率P＝80W的状态下，发出25Khz正弦波。

8.一种防窃听系统，其特征在于，包括语音捕获模块、信号处理模块、扬声器模块，其中所述信号处理模块基于超声注入技术对语音捕获模块传输的信号进行调制与叠加再传输至扬声器模块。