本文是一篇工程硕士论文，本文针对隐藏录音设备日益严重的隐私安全威胁，提出了一套基于超声参量阵的防窃听技术方案，解决了目前超声波防窃听存在的问题：①低频噪音混合有效音频，对于信息信噪比降低有限，易于读出有效信息；②干扰信号单一，无法根据实际情况提供反馈信息。
第一章 绪论
1.1 课题研究背景
近年来，随着麦克风器件的普及和传感器硬件性能的提升，录音技术快速发展，录音设备诸如手机、录音笔广泛普及。但是在方便快捷地录制音频的同时，也存在一些不法分子利用各类设备进行窃听、伪造声纹、推断密码等活动，造成个人隐私、企业机密、政府部门信息泄漏。更有甚者窃取国家重要领域的安全信息，例如电网、工控等关乎国民生计的重要领域，带来了巨大的安全隐患。目前，市面上常见的麦克风传感器种类，除了驻极体电容麦克风（ECM），基于MEMS（微机电系统）技术的MEMS麦克风也得到越来越广泛的使用，得益于其较小的封装体积，一些录音设备也趋向小型化和隐蔽化，例如录音笔、录音纽扣等，常规的检查方式难以发现它们，不法分子很容易就可以将其带进一些保密场所进行非法窃听。所以人们很有可能在自己不知情的情况下被信息窃取，隐私的谈话内容被记录，通过麦克风进行窃听的行为对个人和企业隐私、国家安全构成了严重威胁。
目前国内外对防窃听技术的研究有很多，市面上最常见的防窃听设备仅仅是针对无线窃听装置，而且它是通过提前排查周围环境查找存在的无线窃听器，只能说实现了“防窃听”但未实现“反录音”。常见的无线窃听器的主要工作原理是通过窃听器录制下声音信号，然后通过电磁波的方式进行数据传输。所以针对这类无线窃听设备，主要依靠无线窃听设备探测器，这类探测设备通过对全频段范围内的电磁波进行扫描，可以发现环境中利用某些频段进行无线信息传输的设备，通过对这些设备的排查，可以发现潜在的窃听装置。除此之外，还有利用电磁干扰，将电磁信号耦合进入电路，干扰转化为电信号后的声音信息，有研究者利用电磁白噪声进行电磁干扰，但是可屏蔽距离较短、影响其他电子设备、对人体造成伤害是这种防窃听方法存在的问题。
1.2 国内外现状
1.2.1 窃听与防窃听技术研究
窃听技术最早出现于第一次世界大战期间，它一开始就被应用于间谍情报领域，但是受制于当时的硬件技术水平，并未得到广泛运用。一直到冷战期间，随着微电子技术的快速发展，窃听技术有了极大的提升。在此期间，为了本国的国家安全，各国情报机构利用窃听技术从事各种间谍活动，对他国国家领导人或重要任务进行监听。而相应的同时也积极研究防窃听技术手段，窃听与防窃听技术两者间“道高一尺，魔高一丈”，不断追赶发展。
其中，应用较为广泛的一类窃听器是无线窃听器，它被窃听者偷偷安装在一些机密场所或者涉及个人隐私的场所，通过窃听装置录制到声音信号，然后通过无线信号将录制到的声音信号传输至窃听者远程终端中，然后通过对电磁信号进行处理和还原，造成隐私的泄漏。早在1960年，苏联政府通过使用强力微波发射装置，对美国大使馆内振动共鸣器进行发射，然后将共鸣器的振动通过微波记录下来，以此窃听到大使馆内的声音[1]。美国中央情报局也研制出利用生物，例如苍蝇，将小型的无线窃听装置带入会场的技术，以此掩人耳目，实现窃听的功能。以此相对应的，各国间的防窃听技术也是不断发展。例如，针对上述提到，利用微波进行窃听的活动，美国大使馆通过在使馆窗户安装金属窗纱、在墙壁灌注铅溶液，以此阻挡微波的传输。各国为了各自的国家安全，在窃听技术与防窃听技术上均不断花费精力研究。目前传统的无线窃听技术已经应用非常广泛，在此基础上出现了各式各样其他的窃听技术，许多学者在窃听技术与反窃听技术上面继续进行着你追我赶。
第二章 信号注入防窃听技术基本理论
2.1 声学理论介绍
（1）声压与声压级
声音是由于物体振动而产生的，声音在空气中传播，会引起介质媒体的振动进而导致介质粒子疏密程度发生变化，这导致了空气的压力发生变化。因此，声压𝑝是声波在传播过程中由振动产生的压力变化量[36]。对于声压，我们一般采用其均方根作为其有效值。
（2）声功率与声功率级
为了描述声音平均能流密度，提出了声功率的概念，声功率是指在单位时间内向指定面积发射的能量大小。而对于一般所说的噪声的声功率，是指发声设备总的输出功率。
（3）响度
相比于声压与声功率，响度是一个更加主观的概念，它是人对声音强弱的主观感受。通常来说，频率相同的情况下，输出的声功率越大、传播的距离越短，人能所感受到的响度越大。而不同的频率会造成不同的听觉感受，这是由于人体的特殊构造决定的。在整个听觉系统中，有些时候不单单需要考虑到外界的物理世界，还需要考虑人的耳朵和大脑的作用，大脑能否理解听到的语音，很大程度上取决于接收到信号的响度。
2.2 麦克风传感器结构与漏洞
对于通用的麦克风器件特性分析以及录音装置的电路结构分析是研究防窃听技术的前提，本章以应用最为广泛的微机电（MEMS）麦克风为例，研究分析其结构特点，并对一般录音器件的电路进行分析，发掘在防窃听领域可利用的漏洞。
2.2.1 传感器结构和非线性
由于出色的性能，目前市面上常见的录音装置有较多使用了MEMS麦克风。MEMS麦克风传感器一般存在一个音孔用于与外部环境相连接，在与音孔连接的空隙中有隔膜和背板，还包含用于信号处理的MEMS芯片。隔膜是悬浮在背板之上的，它可以通过上下移动改变两者之间的尺寸。同时隔膜和背板之间存在一些固定电荷，因此两者可以构成一个简易的电容器件，如图2.1所示。当在声波的作用下，空气产生振动，空气压力通过音孔作用于振膜，振膜在气压的作用下则会发生弯曲。这种弯曲的机械变化进一步导致电容的变化，而在背板上的电荷量不变，因而机械变化最终产生交流信号，这样气压的变化转变成了电信号的处理。
通过对常见的录音设备的调研，可以发现现在许多麦克风传感器都采用了MEMS结构，这是因为它较小的结构优秀的性能，可以在大量智能设备上应用。
物理世界是非线性的，因此声学非线性在麦克风器件上也广泛存在[29]。通过对麦克风非线性建模分析，了解低频干扰信号可以通过这种非线性特性注入到录音装置中来实现干扰正常录音的功能。
第三章 声学参量阵研究设计...................... 17
3.1 参量阵原理.............................. 17
3.2 参量阵定向性研究.................... 19
3.3 参量阵调制算法研究............................ 20
第四章 超声波干扰特征研究....................... 26
4.1 饱和漏洞利用分析............................. 26
4.1.1 饱和漏洞建模与仿真............................ 26
4.1.2 信号衰减实验测试......................... 29
第五章 防窃听效果验证系统............................. 41
5.1 实时耦合噪音干扰系统............................... 41
5.1.1 系统概述................................ 41
5.1.2 系统硬件设计........................... 42
第五章 防窃听效果验证系统
5.1 实时耦合噪音干扰系统
5.1.1 系统概述
本文将基于LabVIEW开发平台，利用全向麦克风实时反馈输入、超声参量阵实时耦合噪音输出，开发一套软硬件相结合的防窃听系统。
整套系统分为软件部分和硬件部分，硬件模块的功能主要分为两部分：首先是对信号的采集。因为这是一套需要生成实时耦合噪音并进行信号输出的系统，所以需要对外界的隐私音频信号进行实时的采集。对信号的采集主要考虑以下一些因素：采样的音频信号能否较好的还原出空气中现实存在的信号、信号的采样率能否满足对于语音信号的奈奎斯特定律。其次是对信号的输出。对信号进行处理过后需要进行输出，因此硬件部分的功能还应该包括对信号的输出功能。这部分的功能就对应第三章中关于声学参量阵的研究，利用高定向性以及非线性作用来传递合适的耦合信号，系统整体设计框图如图5.1所示，其大致的工作流程：
（1）全向麦克风实时感知反馈环境隐私音频，硬件数据采集处理板卡进行高速率采样，并将采样得到的信号传输给处理器，并在处理器进行信号的计算计算；
（2）基于LabVIEW搭建数据采集处理系统，当信号传输至处理器后，处理系统通过设置合适的每通道采样数来设定刷新速度，同时对信号先进行预处理，滤除初始信号的直流分量，并在后续提供耦合噪音生成及信号调制功能；
（3）将调制后的音频利用自研的超声参量阵进行信号输出，输出高定向性、不可听域声学干扰信号。
第六章 总结与展望
6.1 工作总结
本文针对隐藏录音设备日益严重的隐私安全威胁，提出了一套基于超声参量阵的防窃听技术方案，解决了目前超声波防窃听存在的问题：①低频噪音混合有效音频，对于信息信噪比降低有限，易于读出有效信息；②干扰信号单一，无法根据实际情况提供反馈信息。在本文工作之前，尚未有人研究过如何利用超声参量阵，结合加性噪音和乘性噪音叠加注入来实现区域防窃听。总结而言，本文围绕防窃听技术的核心要点——如何降低录音有效信息的信噪比，以至于使其失真至难以还原这一点进行深入研究，并开发了一套完整的基于实时耦合噪声注入的防窃听系统。主要贡献包括以下几点：
（1）基于信号注入防窃听系统可行性分析：对常见录音装置内部结构进行抽象和总结，对饱和漏洞进行分析和利用，提出基于超声参量阵技术的高指向性干扰噪声信号注入；
（2）对防窃听系统进
