基於聲源定位的聲掩蔽系統及自適應調整方法與流程
2023-11-03 22:52:42 1
本發明屬於信息保密與信息安全技術領域，特別涉及保密會議室聲信息安全防護技術。本發明涉及一種基於聲源定位的聲掩蔽系統及自適應調整方法，更具體的說，在聲掩蔽系統中應用了聲源定位算法，根據定位信息，自適應調整聲掩蔽系統中不同終端處的掩蔽信號的能量強度，進而優化聲掩蔽系統性能的聲掩蔽系統及自適應調整方法。
背景技術：
隨著信息技術的發展，竊聽手段日益先進，給聲信息安全帶來嚴峻的挑戰。保密會議室等涉密場所涉及國家政策、軍事、商業、科技等機密信息，廣泛存在於軍隊、國家機關、科研機構、國防軍工單位及企業，是信息安全的重點防護對象，其設施條件和安全狀況直接關係到涉密活動能否順利進行及其講話內容的安全。目前，為了保障保密會議室的聲信息安全，主要有兩種措施，一是通過改善建築介質的物理手段解決，二是通過安裝聲掩蔽系統來實現。相比較而言，安裝聲掩蔽系統的方式更加靈活便捷，成本低，因而在國內外得到了廣泛採用。
聲掩蔽系統通過在可能洩露聲音信息的通道介質(如門、窗、玻璃及管道等)上施加幹擾掩蔽信號，達到防竊聽目的，但同時也會對室內環境產生一定的噪聲幹擾，從而影響談話的舒適度。現有的聲掩蔽系統產生的掩蔽信號，能夠根據講話人音量大小自適應調整終端的輸出能量。但是現有技術在產生特定信噪比的幹擾掩蔽信號的時候，參考信號是主機麥克風採集的聲音信號，而不是各個振動終端(或揚聲器)處的聲音信號，並不準確，既存在洩露風險，又可能造成更大的噪聲幹擾。為了使得聲掩蔽系統在達到良好的防竊聽效果的同時，儘量減少對室內環境的影響，提出了基於聲源定位的聲掩蔽系統及自適應調整方法。
技術實現要素：
本發明為了克服上述技術問題的缺點，提供了一種基於聲源定位的聲掩蔽系統及自適應調整方法。
本發明的基於聲源定位的聲掩蔽系統，包括語音採集電路、中央處理單元、噪聲發生模塊、運放電路、幅度可調電路、功放電路和終端；語音採集電路由多路mic組成，mic用於採集講話人語音，中央處理單元由arm處理器及與其相連接的a/d轉換器和控制總線接口組成；終端的數量為多個，其採用揚聲器和/或振動轉換器；其特徵在於：所述mic的輸出依次經放大電路、a/d轉換器的處理後輸入至arm處理器中，噪聲發生模塊用於產生噪聲幹擾信號，噪聲發生模塊的輸出經運放電路的放大處理後輸入至幅度可調電路中，幅度可調電路的輸出經功放電路的放大後驅使終端進行空氣聲和/或振動聲的轉換；arm處理器經控制總線接口與幅度可調電路相連接，以調整輸出的噪聲幹擾信號的幅度，使終端輸出與自身位置相關的噪聲幹擾信號。
本發明的基於聲源定位的聲掩蔽系統，所有的mic和所有的終端與聲源的麥克風處於同一平面內。
本發明的基於聲源定位的聲掩蔽系統，所述mic的數量為4個，4個mic等間距地布設於同一直線上；所述終端的數量為n個，n≥2。
本發明的基於聲源定位的聲掩蔽系統的自適應調整方法，其特徵在於，通過以下方法來實現：
首先將聲掩蔽系統布設於涉密場所內，並保證所有的mic(1)、所有的終端(10)和聲源s的麥克風處於同一平面內，並確定出mic和終端的位置坐標；然後根據mic坐標、不同mic接收到的語音信號的時延差計算出聲源坐標s(x0,y0)，再根據聲源坐標s(x0,y0)計算出每個終端到聲源的距離；最後，根據聲音衰減規律計算出每個終端處的聲壓強度，再根據防護信噪比確定出每個終端應輸出的幹擾噪聲的強度，並將計算出的幹擾噪聲的強度通過相應的終端輸出，即可實現對聲源的掩蔽，同時減少了掩蔽聲的噪聲汙染。
本發明的基於聲源定位的聲掩蔽系統的自適應調整方法，mic的數量為4個，分別用mic1、mic2、mic3和mic4來表示，mic1、mic2、mic3和mic4依次等間距地設置於同一條直線上，相鄰mic之間的距離為d；以mic2為原點、mic1至mic4所在的直線為x軸，在mic和終端所在的平面內建立平面直角坐標系xy；基於聲源定位的聲掩蔽系統的自適應調整方法具體通過以下步驟來實現：
a).建立距離與時延的關係，mic1、mic2、mic3和mic4的坐標分別為(-d,0)、(0,0)、(d,0)和(2d,0)，設聲源s的坐標為s(x0,y0)，終端ti的坐標為(xi,yi)，i≤n，n為終端的個數；r1、r2、r3、r4分別為聲源到mic1、mic2、mic3和mic4的連線距離，則可得到如公式(1)所示的距離與時延的關係式：
其中，c聲音在空氣中的傳播速度，τ21為mic2與mic1的時延差，τ23為mic2與mic3的時延差，τ24為mic2與mic4的時延差；
b).求聲源到mic1、mic3和mic4的距離，r2與x軸的夾角用θ表示，聲源s、mic1和mic2組成的三角形為δs12，聲源s、mic2和mic3組成的三角形為δs23，聲源s、mic2和mic4組成的三角形為δs24；在三角形δs12、δs23和δs24中由余弦定理可得：
由公式(2)得到聲源到三個麥克風mic1、mic3和mic4的距離：
c).等式變換，由公式(1)求得的r1、r3、r4的表達式帶入公式(3)可得：
對公式(4)中的等式兩邊進行平方可得：
d).求聲源到原點的距離和夾角的估計值，由等式(5)和等式(6)得到第一組聲源到原點的距離和夾角的估計值，記作和如下：
由等式(5)和等式(7)得到第二組聲源到原點的距離和夾角的估計值，記作和如下：
由等式(6)和等式(7)得到第三組聲源到原點的距離和夾角的估計值，記作和如下：
e).求聲源到原點的距離和夾角值，根據式(8)、(9)和(10)計算的估計值，對其求平均後作為聲源的距離值和夾角值
f).求聲源坐標，根據公式(11)即可計算出聲源的坐標(x0,y0)：
g).求聲源與終端的距離，聲源s(x0,y0)的坐標求出後，即可求出聲源s(x0,y0)與終端ti(xi,yi)的距離rti：
式中，1≤i≤n；
h).求終端ti(xi,yi)處的聲壓強度值，根據聲音衰減規律可知，在距離聲源r2處和rti處的聲壓強度的衰減量計算公式如下：
終端ti(xi,yi)處的聲壓強度值lpi通過公式(15)進行求取：
lpi＝lp2-lpδti(15)
lp2為mic2處的聲壓強度值，其通過mic2進行獲取；
i).確定幹擾噪聲的強度，根據公式(16)求取聲掩蔽系統通過終端ti(xi,yi)輸出的幹擾噪聲的強度iti(xi,yi)：
iti(xi,yi)＝lpti-nsnr(16)
其中，nsnr為要求的防護信噪比；
j).幹擾噪聲輸出，令i取1至n之間的正整數，並依次執行步驟g)至i)，直至獲取所有終端應輸出的幹擾噪聲的強度it1(x1,y1)、it2(x2,y2)、…、itn(xn,yn)，由中央處理單元將幹擾噪聲的強度it1(x1,y1)、it2(x2,y2)、…、itn(xn,yn)通過相應的終端輸出，以使聲源具有良好的防竊聽效果，同時減少掩蔽聲的噪聲汙染。
本發明的基於聲源定位的聲掩蔽系統的自適應調整方法，步驟a)中mic2與mic1的時延差τ21、mic2與mic3的時延差τ23、mic2與mic4的時延差τ24的獲取方法為：首先利用互功率譜相位時延估計算法，計算出mic2與mic1的延時點數n21、mic2與mic3的延時點數n23和mic2與mic4的延時點數n24；然後將延時點數n21、n23和n24分別除以採樣率fs，即得到延時差值τ21、τ23和τ24。
本發明的基於聲源定位的聲掩蔽系統的自適應調整方法，步驟j)中，arm處理器根據n個終端所需的幹擾噪聲強度it1(x1,y1)、it2(x2,y2)、…、itn(xn,yn)，確定出發給n個幅度調整電路的控制數據cond1、cond2、…和condn；n個幅度調整電路根據接收到的控制數據cond1、cond2、…和condn，對n個終端所需的幹擾噪聲強度進行自適應調整，以輸出與終端所在位置處聲音能量相關的聲掩蔽信號。
本發明的有益效果是：本發明的基於聲源定位的聲掩蔽系統及自適應調整方法，利用多麥克風聲源定位技術，在定位到說話人室內坐標後，根據測到的聲源的主機麥克風音量和所在坐標、各個振動終端(或揚聲器)所在坐標以及聲音能量衰減規律，計算出各個振動終端(或揚聲器)所在坐標處的聲音能量，從而更加精準地設定幹擾信號的能量，滿足系統要求的信噪比，以最小的噪聲幹擾獲取最佳的防竊聽效果。本發明應用在保密會議室的聲掩蔽系統中，能夠從根本上優化聲掩蔽系統的防護效果，以最小的噪聲幹擾獲取最佳的防竊聽效果，從根本上對聲掩蔽系統的防護效果和幹擾效果進行了優化，一定程度上減少掩蔽聲的噪聲汙染。
附圖說明
圖1為本發明的基於聲源定位的聲掩蔽系統的原理圖；
圖2為本發明的基於聲源定位的聲掩蔽系統的布設及工作原理圖；
圖3為本發明的基於聲源定位的聲掩蔽系統的自適應調整方法的流程圖。
圖中：1mic，2放大電路，3a/d轉換器，4arm處理器，5控制總線接口，6噪聲發生模塊，7運放電路，8幅度可調電路，9功放電路，10終端。
具體實施方式
下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。
如圖1所示，給出了本發明的基於聲源定位的聲掩蔽系統的原理圖，其由語音採集電路、中央處理單元、噪聲發生模塊6、運放電路7、幅度可調電路8、功放電路9和終端10組成，語音採集電路由mic(麥克風)和放大電路2組成，mic的數量為多個(本實施例中為4個)，每個mic的輸出均通過一路放大電路2進行放大處理。mic用於採集講話人語音，並將採集的微弱信號經放大電路2進行放大處理，放大後的語音通過a/d轉換器3轉換為數位訊號，發送給rm處理器4。
所示中央處理單元由arm處理器4組成，arm處理器4具有信號採集、數據運算和控制輸出的作用，可採用arm處理器4內置的a/d功能作為a/d轉換器3。arm處理器4的外圍連接有控制總線接口5，arm處理器4通過控制總線接口5對幅度可調電路8進行控制，以調節每個終端10輸出的噪聲幹擾信號的強度。
所示噪聲發生模塊6的輸出經運放電路7的放大處理後，輸入至幅度可調電路8中，幅度可調電路8在arm處理器4的控制作用下對噪聲幹擾信號進行幅度調節後，輸出的信號再經過功放電路9進行功率放大後，最終由終端10進行輸出。噪聲發生模塊6作用是產生噪聲幹擾信號，產生幹擾信號的類型包含白噪聲和類語音噪聲。白噪聲信號為電路級的真隨機幹擾信號，由於該信號的頻譜特性和真隨機性，使得幹擾信號具有抗消除特性，增強了防護能力。類語音信號，具有人類語言的頻譜特性，但實際上沒有任何語義，用在防竊聽系統中，具有幹擾竊聽者的作用。
運放電路7的作用是將噪聲幹擾信號進行放大，並發送給幅度調整電路8進行調整。運放電路(運算放大電路)7是獨立模塊，根據系統的容量需求，自由定製，確定所選運放電路的個數n。系統中運放電路模塊、幅度調整電路模塊和功放電路模塊都是獨立模塊，所需的具體數量是一致的都為n。
幅度調整電路的作用是將接收到的噪聲幹擾信號，根據arm處理器4發送過的強度調整指令進行幅度調整。每個終端10對應一個幅度調整電路8，每個幅度調整電路8的接收的控制指令，都是經過arm處理器4計算得出的。
功放電路9的作用是將接收到的調整後的信號，進一步放大，以便產生足夠大的電流，去推動終端10進行空氣聲或振動聲的轉換。
終端10的個數n是根據系統容量需求確定的。終端10的種類包含兩種：揚聲器和振動轉換器。揚聲器將噪聲幹擾電信號轉換為空氣聲，振動轉換器將噪聲幹擾信號轉換為振動聲。系統安裝完畢後，終端的坐標信息就確定了。確定後的坐標信息，通過設置界面輸入系統中，供能量自適應調整算法使用。
其中，arm處理器4可採用型號為stm32f303的晶片，該晶片接口豐富，能夠為多終端的幅度控制提供足夠的總線接口；內存包含40kbytes的ram和256kbyte的flash,為程序的運行和存儲提供保障；主頻最高為72mhz，能夠滿足程序對運算量的需求；具有四個adcs，正好滿足該算法中4個mic定位的需求，且電路連接簡單、穩定。arm根據麥克風的定位情況，計算出對應的終端1、終端2、...、和終端n處的聲壓強度lp1、lp2、...、lpn。根據lp1、lp2、...、lpn確定出輸出強度it1(x1,y1)、it2(x2,y2)、...和itn(xn,yn)。stm32f303通過i2c總線將輸出強度的值輸送給幅度可調電路8，幅度可調電路8根據接收到的強度值，對掩蔽信號的強度進行調整。n個終端10對應n個強度值，這種強度調整方法能夠更加精準地設定幹擾信號的能量，滿足系統要求的信噪比，以最小的噪聲幹擾獲取最佳的防竊聽效果。
如圖2所示，給出了本發明的基於聲源定位的聲掩蔽系統的布設及工作原理圖，所有的mic1、終端10和聲源s的麥克風處於同一平面內，mic的數量為4個，分別用mic1、mic2、mic3和mic4來表示，mic1、mic2、mic3和mic4依次等間距地設置於同一條直線上，相鄰mic之間的距離為d；以mic2為原點、mic1至mic4所在的直線為x軸，在mic和終端所在的平面內建立平面直角坐標系xy。
如圖3所示，給出了本發明的基於聲源定位的聲掩蔽系統的自適應調整方法的流程圖，其通過以下步驟來實現：
a).建立距離與時延的關係，mic1、mic2、mic3和mic4的坐標分別為(-d,0)、(0,0)、(d,0)和(2d,0)，設聲源s的坐標為s(x0,y0)，終端ti的坐標為(xi,yi)，i≤n，n為終端的個數；r1、r2、r3、r4分別為聲源到mic1、mic2、mic3和mic4的連線距離，則可得到如公式(1)所示的距離與時延的關係式：
其中，c聲音在空氣中的傳播速度，τ21為mic2與mic1的時延差，τ23為mic2與mic3的時延差，τ24為mic2與mic4的時延差；
估計mic1、mic3、mic4接受到的語音信號與mic2接收到的信號的時延差τ21、τ23和τ24，由兩步來實現：(1)兩路信號相對延時點數n21、n23和n24估計；(2)mic2與mic1、mic3、mic4延時差值τ21、τ23和τ24估計。首先利用互功率譜相位時延估計算法，計算出出延時點數n21、n23和n24；然後將延時點數n21、n23和n24分別除以採樣率fs，即得到延時差值τ21、τ23和τ24。
b).求聲源到mic1、mic3和mic4的距離，r2與x軸的夾角用θ表示，聲源s、mic1和mic2組成的三角形為δs12，聲源s、mic2和mic3組成的三角形為δs23，聲源s、mic2和mic4組成的三角形為δs24；在三角形δs12、δs23和δs24中由余弦定理可得：
由公式(2)得到聲源到三個麥克風mic1、mic3和mic4的距離：
c).等式變換，由公式(1)求得的r1、r3、r4的表達式帶入公式(3)可得：
對公式(4)中的等式兩邊進行平方可得：
d).求聲源到原點的距離和夾角的估計值，由等式(5)和等式(6)得到第一組聲源到原點的距離和夾角的估計值，記作和如下：
由等式(5)和等式(7)得到第二組聲源到原點的距離和夾角的估計值，記作和如下：
由等式(6)和等式(7)得到第三組聲源到原點的距離和夾角的估計值，記作和如下：
e).求聲源到原點的距離和夾角值，根據式(8)、(9)和(10)計算的估計值，對其求平均後作為聲源的距離值和夾角值
f).求聲源坐標，根據公式(11)即可計算出聲源的坐標(x0,y0)：
g).求聲源與終端的距離，聲源s(x0,y0)的坐標求出後，即可求出聲源s(x0,y0)與終端ti(xi,yi)的距離rti：
式中，1≤i≤n；
h).求終端ti(xi,yi)處的聲壓強度值，根據聲音衰減規律可知，在距離聲源r2處和rti處的聲壓強度的衰減量計算公式如下：
終端ti(xi,yi)處的聲壓強度值lpi通過公式(15)進行求取：
lpi＝lp2-lpδti(15)
lp2為mic2處的聲壓強度值，其通過mic2進行獲取；
i).確定幹擾噪聲的強度，根據公式(16)求取聲掩蔽系統通過終端ti(xi,yi)輸出的幹擾噪聲的強度iti(xi,yi)：
iti(xi,yi)＝lpti-nsnr(16)
其中，nsnr為要求的防護信噪比；
j).幹擾噪聲輸出，令i取1至n之間的正整數，並依次執行步驟g)至i)，直至獲取所有終端應輸出的幹擾噪聲的強度it1(x1,y1)、it2(x2,y2)、…、itn(xn,yn)，由中央處理單元將幹擾噪聲的強度it1(x1,y1)、it2(x2,y2)、…、itn(xn,yn)通過相應的終端輸出，以使聲源具有良好的防竊聽效果，同時減少掩蔽聲的噪聲汙染。
步驟j)中，arm處理器根據n個終端所需的幹擾噪聲強度it1(x1,y1)、it2(x2,y2)、…、itn(xn,yn)，確定出發給n個幅度調整電路的控制數據cond1、cond2、…和condn；n個幅度調整電路根據接收到的控制數據cond1、cond2、…和condn，對n個終端所需的幹擾噪聲強度進行自適應調整，以輸出與終端所在位置處聲音能量相關的聲掩蔽信號。
其中，系統初始化及設置，是指變量的設置和硬體的初始化。主要包括：變量初始化、a/d初始化、硬體接口初始化、定時器中斷設置初始化以及對系統中各個終端位置坐標的定位和設置。四路mic語音數據採集過程中，需要對四路mic分別進行採樣。根據設定的採樣率fs，定時器定時觸發中斷。在定時器中斷中，依次對四路mic採集電路進行ad轉換，並將轉換後的數據存儲對應的數組中。
本專利中應用到聲掩蔽系統中的多麥克風定位算法採用是4個麥克風定位，但本專利的保護範圍，並不局限於該種定位方法。該專利的保護內容包含：多麥克風聲源定位的聲掩蔽系統能量調整方法和將麥克風定位方法應用於聲掩蔽系統思路。