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振动激光窃听
2019-08-02   162

振动激光窃听

原创: 曾华林   中国保密协会科学技术分会 

      激光窃听是利用激光载体获取物体振动信息的一种手段,大致可分为三种技术:检测玻璃振动信息的正反射式激光强度检测窃听技术(如图1)、穿透玻璃检测物品振动的基于多普勒干涉式激光频率或相位变化的窃听技术(如图2)以及基于散斑探测的图像处理窃听技术。

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图1 检测玻璃振动激光窃听示意图

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图2 穿透玻璃检测物品振动激光窃听示意图

 

      具体来说,较早出现的正反射式激光窃听技术,其对激光器的稳定性与脉宽要求并不高,不需要本振光,光路相较于相干探测更为简单,因此该技术早期发展较为迅速。但是其灵敏度远低于干涉式激光窃听技术,且当测量距离较远时,正反射式激光窃听技术甚至无法获取任何有效的语音信息,因此后者得以发展。

      干涉式激光窃听技术具有高灵敏度,且可以在较远的距离下获取有效语音信息,极大丰富了语音获取系统的工作场景,降低了对操作人员的要求,增强了操作人员的安全性。时至今日,干涉式激光窃听技术凭借着诸多优势在激光语音信息获取技术中占据主流地位。

      基于激光散斑图像处理方法窃听是利用高速摄像机获取散斑变化信号,通过图像处理方法还原出振动信息。

      针对以上三种方法,下面将从发展历程和基本原理两方面进行简单介绍。

正反射式激光窃听技术

1、正反射式激光窃听技术发展历程20世纪80年代,美国开始使用正反射式激光窃听技术来获取语音信息,自此之后,俄罗斯、日本、英国、美国十分重视这一技术的研究,并于90年代开发出自己的产品。产品实物如图3所示。

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               (a)分体式                                         (b)一体式

图3 正反射式激光窃听系统

2、正反射式激光窃听技术基本原理

    正反射式激光窃听技术的基本工作原理(如图4所示):室内谈话的声音会引起窗户上的玻璃发生轻微振动,用激光对准玻璃发射,再用一个激光接收器接收由窗户玻璃反射回来的激光,就可以还原出声音。图3展示了两种形式的正反射式激光窃听系统。

    在使用中发现,该技术存在目标单一,只能针对玻璃进行情报获取、操作复杂、难对准、探测灵敏度低等缺点,使其应用场景受到了限制。为了进一步提高激光技术在语音信息窃取方面的应用,提高激光语音信息窃取的灵敏度及扩大应用范围,该技术开始向激光干涉方法的语音信息获取发展。

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图4 正反射式激光窃听技术工作原理示意图

激光干涉窃听技术

    正反射激光窃听对“对准”的要求较高,使用中易存在诸多问题,因此对 “对准”要求不高的激光干涉语音获取系统由此而生,如图5所示。

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图5 激光干涉语音获取示意图

1、激光干涉窃听技术发展历程

激光干涉语音获取技术研究开始于20世纪90年代末,该技术可以有效解决对准问题,扩大应用场合(可探测目标物种类较多),实现实时语音信息获取,其发展历程如下:

1989年,Takahashi等提出了用双波长激光外差干涉来测量微小振动,检测出微型麦克风产生的声音压力,但作用距离仅为2m。

2003年,Kazutaka Abe等利用多普勒对语音信号的非接触检测,但距离仅为5m。

2004年,该技术在美国空军实验室项目支持下,纽约城市大学Zhu Zhigang等人采用He-Ne激光器作为光源,利用多普勒测振原理,实现了语音的解调输出,结果表明对于大部分漫反射体,该设备可以实现了10~15m左右的声音信息获取。

2010年,为了解决远距离目标快速聚焦实现语音快速识别,德国polytec公司通过采用可视与语音的三角固定法,实现了系统的语音快速目标定位识别功能(如图6所示)。

2011年,为了提高系统的语音识别灵敏度,纽约城市大学开始展开目标物的声音振动特性对于语音识别的影响与实验,通过该方面的研究,为系统后期在目标寻找,快速锁定有效目标,获取高可懂度语音奠定基础,使语音信息获取系统向实用化进展,如图7所示。

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图6 德国语音获取系统

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图7 美国语音获取系统

2、激光干涉窃听技术基本原理

激光干涉窃听技术的光学系统主要由激光器、相干光学结构、收发一体光学天线、外差调制器以及光电探测器等组成,如图8所示。

单频保偏激光经过偏振分光棱镜PBS1后分为两束,其中一束为本振光,它经过全反镜、外差调制器后到达分光棱镜BS;另一束光为信号光,经由准直镜后通过偏振分光棱镜PBS1,到分光棱镜PBS2及四分之一波片后,通过光学天线到达由语音引起振动的探测目标上,探测目标反射后的回波信号光携载了语音振动信息,改回波信号通过光学天线再次被偏振分光棱镜PBS2反射,然后到达分光棱镜BS。至此,信号光与本振光在分光棱镜BS上发生干涉,该相干光到达光电探测器实现了光信号向电信号的转变,输出载有语音信号的中频电流。光电探测器接收的光信号表达式为:

表达式


表达式2

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图8 漫反射激光语音获取技术光路示意图

    对光电探测器探测到信号进行处理,再利用IQ解调,可以获取相关振动信息,最终还原出语音信息,其原理框图如图9所示。

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图9  正交解调原理框图

散斑干涉窃听技术

1、散斑干涉窃听技术发展历程

2006年至2011年期间,散斑干涉法也逐渐被应用在了语音检测中,如图10所示。2009年以色列巴依兰大学Zeev Zalevsky等人提出了基于散斑模式的多语音源及心跳的实时远距离提取,此方法主要基于振动使散斑干涉发生变化,通过摄像机还原出其振动情况并获得声音源信息。2011年,俄罗斯科学院的A.A.Veber利用目标散斑特性还原出了语音,说明了目标特性中的散斑效应影响着激光语音信息获取。

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图10 散斑干涉法语音获取系统

2、散斑干涉窃听技术基本原理

激光照射到粗糙物体表面时会形成特定形状的散斑图像(如图11所示),且散斑图像的形状仅取决于照射表面的粗糙程度。当声音信号引发物体表面发生微小振动时,散斑图像的形状并不发生变化,只有散斑图像的整体位置会发生位移,且位移量与表面振动幅度呈正相关。使用固定位置的高速摄像机拍摄物体表面某一点的散斑图像,物体的微弱振动会引发散斑图像在摄像机成像平面内发生相对应的位移,记录一段时间内散斑图像的连续位移照片,利用图像相关算法还原出散斑图像的位置量(以像素为单位),进而可以得到物体表面的振动信息,利用此振动信息可以还原出促使物体发生振动的振动信号。如果高速摄像机的拍摄速度足够快(一般大于2000fps),通过图像变化的相关算法,则可以还原出声音信号(如图12所示)。

计算两幅图像f,g的相关公式为,

2表达式

2表达式2

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图11 散斑示意图

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图12 解调出语音信号

      综上所述,国外在激光窃听技术中主要有正反射式、激光干涉式、激光散斑干涉图像处理式。其中,正反射式存在的操作复杂、目标种类单一等缺点使其在语音信息获取上不能发挥很好的作用。散斑干涉式利用散斑干涉的强度变化来获取语音信息,该方法操作简单、灵敏度高,但需要激光器的功率大、会对人体造成一定的伤害、抗环境扰动弱。激光干涉式具有应用范围广、灵敏度高、目标物种类多、操作简单等优点。该技术可以针对纸质、金属、塑料等各类产品进行语音获取,打破单一目标物的限制,使其在语音获取应用方面有着明显的优势。


中国保密协会科学技术分会

作者:曾华林

责编:郝璐萌


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