[發(fā)明專利]一種基于麥克風(fēng)陣列的超聲波攻擊檢測(cè)及定位方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202310144107.2
• 申請(qǐng)日: 2023-02-21
• 公開（公告）號(hào): CN116184410A
• 公開（公告）日: 2023-05-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李平;張振飛;呂釗;張超;范存航;裴勝兵;胡世昂
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 安徽大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S15/06
• 分類號(hào): G01S15/06;G01S15/88;G01S7/52
• 代理公司: 北京和聯(lián)順知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11621
• 代理人: 陳菊

1.一種基于麥克風(fēng)陣列的超聲波攻擊檢測(cè)及定位方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1：設(shè)置超聲波揚(yáng)聲器在麥克風(fēng)陣列中，周期性的廣播輔助信號(hào)，與可能存在的超聲波攻擊信號(hào)發(fā)生下轉(zhuǎn)換，從而監(jiān)聽有無超聲波攻擊；

S2：預(yù)處理采集數(shù)據(jù)，對(duì)麥克風(fēng)接收到的信號(hào)進(jìn)行濾波、去噪、分割以及標(biāo)準(zhǔn)化；

S3：檢測(cè)預(yù)處理信號(hào)，對(duì)差頻信號(hào)做頻譜峰值檢測(cè)，找到異常值，然后與輔助信號(hào)進(jìn)行模板匹配；

S4：定位超聲波攻擊源，提取各個(gè)麥克風(fēng)對(duì)之間的時(shí)延作為特征，輸入SVM分類器中進(jìn)行定位；

S5：結(jié)果輸出，系統(tǒng)給出是否存在超聲波攻擊以及超聲波攻擊源位置。

2.如權(quán)利要求1所述的基于麥克風(fēng)陣列的超聲波攻擊檢測(cè)及定位方法，其特征在于：所述步驟S1的具體步驟包括：

S101：設(shè)置一個(gè)廣播多音頻率的超聲波揚(yáng)聲器在麥克風(fēng)陣列中，周期性的廣播輔助信號(hào)，使其與任何頻率的攻擊信號(hào)在非線性作用下發(fā)生下轉(zhuǎn)換生成頻率在[10kHz，20kHz]內(nèi)的差頻信號(hào)，從而被檢測(cè)到：

Sg?＝?cos(2πf1t?+?2πf2t?+?2πf3t)???(1)，

其中Sg為輔助信號(hào)，f1、f2、f3為多音信號(hào)的三個(gè)頻率，分別為25kHz、45kHz和65kHz。

S102：對(duì)輔助信號(hào)進(jìn)行編碼，以期在后續(xù)的信號(hào)分析中降低環(huán)境噪聲的干擾。

3.如權(quán)利要求2所述的基于麥克風(fēng)陣列的超聲波攻擊檢測(cè)及定位方法，其特征在于：所述步驟S2的具體步驟包括：

S201：對(duì)麥克風(fēng)陣列采集的多通道數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，主要包括低通濾波和平滑濾波；

S202：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)處理，主要包括分割和Z-Score標(biāo)準(zhǔn)化。

4.如權(quán)利要求3所述的基于麥克風(fēng)陣列的超聲波攻擊檢測(cè)及定位方法，其特征在于：所述步驟S201具體操作過程如下：

使用截止頻率在10-20kHz的帶通濾波器去除差頻信號(hào)以外的頻帶干擾；

使用滑動(dòng)平均濾波器，去除異常值和毛刺，即去高頻噪聲做信號(hào)平滑。

5.如權(quán)利要求4所述的基于麥克風(fēng)陣列的超聲波攻擊檢測(cè)及定位方法，其特征在于：所述步驟S3的具體步驟包括：

S301：檢測(cè)音頻信號(hào)是否有生成的差頻信號(hào)，有差頻信號(hào)，確定差頻信號(hào)的位置，進(jìn)入到步驟S302，未檢測(cè)到差頻信號(hào)，系統(tǒng)輸出無攻擊；

S302：對(duì)差頻信號(hào)做頻譜值檢測(cè)，找到異常值，使用互相關(guān)算法對(duì)差頻信號(hào)與輔助信號(hào)進(jìn)行匹配，確定是否為超聲波攻擊信號(hào)。

6.如權(quán)利要求5所述的基于麥克風(fēng)陣列的超聲波攻擊檢測(cè)及定位方法，其特征在于：所述步驟S301實(shí)施過程具體如下：

將攻擊信號(hào)設(shè)定為SA＝(m(t)+ɑ)cos(2fat)(2)，

其中(m(t)+ɑ)是攻擊者調(diào)制的非法語音命令，fa是其使用的載波信號(hào)頻率；

攻擊信號(hào)與超聲波揚(yáng)聲器廣播的輔助信號(hào)發(fā)生下轉(zhuǎn)換，代入公式(1)，生成如下信號(hào)：SM＝(m(t)+α)cos(2π(fa-fg)t)(3)，

對(duì)下轉(zhuǎn)換信號(hào)做FFT變換，即對(duì)公式(3)進(jìn)行處理，在預(yù)設(shè)頻帶內(nèi)進(jìn)行峰值檢測(cè)，判斷是否有超聲波攻擊信號(hào)，沒有超聲波攻擊信號(hào)，系統(tǒng)輸出無攻擊，有超聲波攻擊信號(hào)，進(jìn)入步驟S302。

7.如權(quán)利要求1所述的基于麥克風(fēng)陣列的超聲波攻擊檢測(cè)及定位方法，其特征在于：所述步驟S4的具體步驟包括：

S401：定位超聲波攻擊信號(hào)，對(duì)差頻信號(hào)進(jìn)行特征提取，對(duì)每一個(gè)麥克風(fēng)對(duì)進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，得到信號(hào)之間的時(shí)延差(TDOA)；

S402：以麥克風(fēng)陣列為中心，半徑0.5m，采集攻擊源在不同位置的數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫；

S403：使用SVM分類器進(jìn)行定位，將結(jié)果反饋給系統(tǒng)。

8.如權(quán)利要求7所述的基于麥克風(fēng)陣列的超聲波攻擊檢測(cè)及定位方法，其特征在于：所述步驟S402中不同位置的數(shù)據(jù)的包括攻擊源的水平角和垂直角的具體數(shù)值。

9.如權(quán)利要求8所述的基于麥克風(fēng)陣列的超聲波攻擊檢測(cè)及定位方法，其特征在于：所述步驟S5的具體步驟包括：系統(tǒng)給出是否存在超聲波攻擊，如果受到攻擊，繼續(xù)輸出由水平角和垂直角組成的超聲波攻擊定位結(jié)果；如果沒有超聲波攻擊，將輸出無攻擊。