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振動激光竊聽
2019-08-02   453

振動激光竊聽

原創: 曾華林   中國保密協會科學技術分會 

      激光竊聽是利用激光載體獲取物體振動信息的一種手段,大致可分為三種技術:檢測玻璃振動信息的正反射式激光強度檢測竊聽技術(如圖1)、穿透玻璃檢測物品振動的基于多普勒干涉式激光頻率或相位變化的竊聽技術(如圖2)以及基于散斑探測的圖像處理竊聽技術。

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圖1 檢測玻璃振動激光竊聽示意圖

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圖2 穿透玻璃檢測物品振動激光竊聽示意圖

 

      具體來說,較早出現的正反射式激光竊聽技術,其對激光器的穩定性與脈寬要求并不高,不需要本振光,光路相較于相干探測更為簡單,因此該技術早期發展較為迅速。但是其靈敏度遠低于干涉式激光竊聽技術,且當測量距離較遠時,正反射式激光竊聽技術甚至無法獲取任何有效的語音信息,因此后者得以發展。

      干涉式激光竊聽技術具有高靈敏度,且可以在較遠的距離下獲取有效語音信息,極大豐富了語音獲取系統的工作場景,降低了對操作人員的要求,增強了操作人員的安全性。時至今日,干涉式激光竊聽技術憑借著諸多優勢在激光語音信息獲取技術中占據主流地位。

      基于激光散斑圖像處理方法竊聽是利用高速攝像機獲取散斑變化信號,通過圖像處理方法還原出振動信息。

      針對以上三種方法,下面將從發展歷程和基本原理兩方面進行簡單介紹。

正反射式激光竊聽技術

1、正反射式激光竊聽技術發展歷程20世紀80年代,美國開始使用正反射式激光竊聽技術來獲取語音信息,自此之后,俄羅斯、日本、英國、美國十分重視這一技術的研究,并于90年代開發出自己的產品。產品實物如圖3所示。

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               (a)分體式                                         (b)一體式

圖3 正反射式激光竊聽系統

2、正反射式激光竊聽技術基本原理

    正反射式激光竊聽技術的基本工作原理(如圖4所示):室內談話的聲音會引起窗戶上的玻璃發生輕微振動,用激光對準玻璃發射,再用一個激光接收器接收由窗戶玻璃反射回來的激光,就可以還原出聲音。圖3展示了兩種形式的正反射式激光竊聽系統。

    在使用中發現,該技術存在目標單一,只能針對玻璃進行情報獲取、操作復雜、難對準、探測靈敏度低等缺點,使其應用場景受到了限制。為了進一步提高激光技術在語音信息竊取方面的應用,提高激光語音信息竊取的靈敏度及擴大應用范圍,該技術開始向激光干涉方法的語音信息獲取發展。

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圖4 正反射式激光竊聽技術工作原理示意圖

激光干涉竊聽技術

    正反射激光竊聽對“對準”的要求較高,使用中易存在諸多問題,因此對 “對準”要求不高的激光干涉語音獲取系統由此而生,如圖5所示。

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圖5 激光干涉語音獲取示意圖

1、激光干涉竊聽技術發展歷程

激光干涉語音獲取技術研究開始于20世紀90年代末,該技術可以有效解決對準問題,擴大應用場合(可探測目標物種類較多),實現實時語音信息獲取,其發展歷程如下:

1989年,Takahashi等提出了用雙波長激光外差干涉來測量微小振動,檢測出微型麥克風產生的聲音壓力,但作用距離僅為2m。

2003年,Kazutaka Abe等利用多普勒對語音信號的非接觸檢測,但距離僅為5m。

2004年,該技術在美國空軍實驗室項目支持下,紐約城市大學Zhu Zhigang等人采用He-Ne激光器作為光源,利用多普勒測振原理,實現了語音的解調輸出,結果表明對于大部分漫反射體,該設備可以實現了10~15m左右的聲音信息獲取。

2010年,為了解決遠距離目標快速聚焦實現語音快速識別,德國polytec公司通過采用可視與語音的三角固定法,實現了系統的語音快速目標定位識別功能(如圖6所示)。

2011年,為了提高系統的語音識別靈敏度,紐約城市大學開始展開目標物的聲音振動特性對于語音識別的影響與實驗,通過該方面的研究,為系統后期在目標尋找,快速鎖定有效目標,獲取高可懂度語音奠定基礎,使語音信息獲取系統向實用化進展,如圖7所示。

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圖6 德國語音獲取系統

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圖7 美國語音獲取系統

2、激光干涉竊聽技術基本原理

激光干涉竊聽技術的光學系統主要由激光器、相干光學結構、收發一體光學天線、外差調制器以及光電探測器等組成,如圖8所示。

單頻保偏激光經過偏振分光棱鏡PBS1后分為兩束,其中一束為本振光,它經過全反鏡、外差調制器后到達分光棱鏡BS;另一束光為信號光,經由準直鏡后通過偏振分光棱鏡PBS1,到分光棱鏡PBS2及四分之一波片后,通過光學天線到達由語音引起振動的探測目標上,探測目標反射后的回波信號光攜載了語音振動信息,改回波信號通過光學天線再次被偏振分光棱鏡PBS2反射,然后到達分光棱鏡BS。至此,信號光與本振光在分光棱鏡BS上發生干涉,該相干光到達光電探測器實現了光信號向電信號的轉變,輸出載有語音信號的中頻電流。光電探測器接收的光信號表達式為:

表達式


表達式2

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圖8 漫反射激光語音獲取技術光路示意圖

    對光電探測器探測到信號進行處理,再利用IQ解調,可以獲取相關振動信息,最終還原出語音信息,其原理框圖如圖9所示。

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圖9  正交解調原理框圖

散斑干涉竊聽技術

1、散斑干涉竊聽技術發展歷程

2006年至2011年期間,散斑干涉法也逐漸被應用在了語音檢測中,如圖10所示。2009年以色列巴依蘭大學Zeev Zalevsky等人提出了基于散斑模式的多語音源及心跳的實時遠距離提取,此方法主要基于振動使散斑干涉發生變化,通過攝像機還原出其振動情況并獲得聲音源信息。2011年,俄羅斯科學院的A.A.Veber利用目標散斑特性還原出了語音,說明了目標特性中的散斑效應影響著激光語音信息獲取。

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圖10 散斑干涉法語音獲取系統

2、散斑干涉竊聽技術基本原理

激光照射到粗糙物體表面時會形成特定形狀的散斑圖像(如圖11所示),且散斑圖像的形狀僅取決于照射表面的粗糙程度。當聲音信號引發物體表面發生微小振動時,散斑圖像的形狀并不發生變化,只有散斑圖像的整體位置會發生位移,且位移量與表面振動幅度呈正相關。使用固定位置的高速攝像機拍攝物體表面某一點的散斑圖像,物體的微弱振動會引發散斑圖像在攝像機成像平面內發生相對應的位移,記錄一段時間內散斑圖像的連續位移照片,利用圖像相關算法還原出散斑圖像的位置量(以像素為單位),進而可以得到物體表面的振動信息,利用此振動信息可以還原出促使物體發生振動的振動信號。如果高速攝像機的拍攝速度足夠快(一般大于2000fps),通過圖像變化的相關算法,則可以還原出聲音信號(如圖12所示)。

計算兩幅圖像f,g的相關公式為,

2表達式

2表達式2

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圖11 散斑示意圖

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圖12 解調出語音信號

      綜上所述,國外在激光竊聽技術中主要有正反射式、激光干涉式、激光散斑干涉圖像處理式。其中,正反射式存在的操作復雜、目標種類單一等缺點使其在語音信息獲取上不能發揮很好的作用。散斑干涉式利用散斑干涉的強度變化來獲取語音信息,該方法操作簡單、靈敏度高,但需要激光器的功率大、會對人體造成一定的傷害、抗環境擾動弱。激光干涉式具有應用范圍廣、靈敏度高、目標物種類多、操作簡單等優點。該技術可以針對紙質、金屬、塑料等各類產品進行語音獲取,打破單一目標物的限制,使其在語音獲取應用方面有著明顯的優勢。


中國保密協會科學技術分會

作者:曾華林

責編:郝璐萌


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