一种基于音频的电网频率实时跟随与篡改鉴别方法及系统

本发明涉及数字音频的篡改鉴别，具体涉及一种基于音频的电网频率实时跟随与篡改鉴别方法及系统。

背景技术：

1、随着数字技术的快速发展，音频的二次编辑及篡改变得更为隐蔽，且实际音频中不可避免的存在噪声干扰，增加了音频真伪的鉴别难度。电网频率技术是近年来提出的典型音频取证方法之一。频率波动是由供电功率和需求功率之间的不平衡产生的波动所引起的。由于这些波动与电网负荷的变化密切相关，具有极强随机性。此外，互联电网具有相同的电网频率（electric network frequency, enf）变化趋势。根据这一特性，catalingrigoras提出基于电网频率的数字音频的真伪鉴别方法（grigoras c. applications ofenf criterion in forensic audio, video, computer and telecommunicationanalysis [j]. forensic sci int, 2007, 167(2-3): 136-145.），文献（grigoras c.applications of enf analysis in forensic authentication of digital audio andvideo recordings [j]. j audio eng soc, 2009, 57(9): 643-661.和包永强, 梁瑞宇,丛韫, et al. 音频取证若干关键技术研究进展 [j]. 数据采集与处理, 2016, 31(2):252-259.）阐述了enf的原理和方法，探讨了音频取证的分类，构建了音频取证的框架。enf的分析方法主要有以下三个步骤：1）从待测音频信号中提取enf信号；2）收集enf的参考数据；3）将两者匹配获取音频录制时间。

2、短时傅里叶变换（short-time fourier transform, stft）是最常用的enf提取算法。但是，stft存在固定移动步长造成的频谱分辨率不足的问题。文献（hua g, goh j,thing v l l. a dynamic matching algorithm for audio timestamp identificationusing the enf criterion [j]. ieee transactions on information forensics andsecurity, 2014, 9(7): 1045-1055.）使用一种基于阈值的动态匹配算法，而阈值由短时傅里叶变换窗口大小所确定的频率分辨率选择。文献（hajj-ahmad a, garg r, wu m, etal. instantaneous frequency estimation and localization for enf signals;proceedings of the proceedings of the 2012 asia pacific signal andinformation processing association annual summit and conference, hollywood,ca, f dec 03-06, 2012 [c]. 2012.）采用enf信号参数估计方法，使用尽可能少的样本估计瞬时频率，实现频率估计精度的提高。文献（ojowu o, karlsson j, li j, et al. enfextraction from digital recordings using adaptive techniques and frequencytracking [j]. ieee transactions on information forensics and security, 2012,7(4): 1330-1338.）根据enf缓慢随时间变化的特点提出一种基于动态规划的频率跟踪方法，提高了enf的估计精度。文献（刘育明. 电力系统频率测量及其在数字语音真伪鉴别中的应用 [d]; 重庆大学, 2012.）采用外置声卡录入语音信号、计算机内置声卡录入电网信号，完成了含enf的数字音频信号的采集。文献（aiello m, cataliotti a, nuccio s. achirp-z transform-based synchronizer for power system measurements [j]. 2005,54(3): 1025-1032.）提出了一种基于线性调频z变换（chirp z-transform, czt）的基频检测算法，它可以在不增加观察窗口长度和计算工作量的情况下，使czt同步器比插值傅里叶变换同步器具有更好的性能。文献（[21]wang t t. the segmented chirp z-transformand its application in spectrum analysis [j]. 1990, 39(2): 318-323.）探讨了czt的优缺点，提出一种分段chirp z算法（[22]max, yang q, chen c, et al. harmonic andinterharmonic analysis of mixed dense frequency signals [j]. ieeetransactions on industrial electronics, 2021, 68(10): 10142-10153.），它能够有效实现部分频谱高分辨率计算，克服czt无法处理较大输入数据的问题。实际音频信号中存在大量背景噪声，而现有的电网频率估计方法均未考虑对低信噪比条件下数字音频的提取性能。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种基于音频的电网频率实时跟随与篡改鉴别方法及系统，本发明旨在实现对电网频率信号的准确提取，尤其是在低信噪比条件下电网频率信号的准确提取，以及实现对包含电网频率信号的音频信号实现基于电网频率信号的实时跟随与篡改鉴别。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于音频的电网频率实时跟随与篡改鉴别方法，包括：

4、s101，对包含电网频率信号的音频信号进行降噪；

5、s102，根据设定的帧长和移动步长对降噪后的音频信号进行分帧，针对每一帧音频信号作短时线性调频 z变换，查找指定窗口内最大幅值对应的频率 kl，将所有窗口内获得的频率 kl拼接得到频率估计值序列 f；

6、s103，对频率估计值序列 f进行平滑滤波得到滤波后的频率估计值序列 fz；

7、s104，将滤波后的频率估计值序列 fz与由电网频率信号构成的参考频率序列 r进行逐点计算皮尔逊相似度序列 cc和欧式距离序列 d，在皮尔逊相似度序列 cc和欧式距离序列 d之间寻找最佳匹配点，若成功找到最佳匹配点则跳转步骤s105；否则跳转步骤s102；

8、s105，将最佳匹配点作为参考频率序列 r的起点，从参考频率序列 r的起点开始与滤波后的频率估计值序列 fz进行逐点对比，若某一点存在突变，则判定该包含电网频率信号的音频有篡改且突变位置为篡改位置；否则，则判定该包含电网频率信号的音频无篡改。

9、可选地，步骤s102中针对每一帧音频作短时线性调频z变换的函数表达式为：

10、，

11、上式中，为该帧音频在频率 k处的 z变换值，为沿 z平面上的一段螺线作等分角的抽样点，为分帧窗口大小，为带通滤波后的音频信号，为采样点，为螺旋轮廓起点，为螺旋轮廓相邻点的比值，为窗函数，为窗口中心，且有：

12、，

13、，

14、，

15、上式中，为窗口的序号，为移动步长，为螺旋轮廓起始采样点，为虚数单位，为起始采样点z0的相角，为相邻采样点之间的角度差，为螺旋线的伸展率。

16、可选地，步骤s102中将所有窗口内获得的频率 kl拼接得到频率估计值序列 f的函数表达式为：

17、，

18、上式中，为频率估计值序列 f中第 l个频率估计值，为第 l个窗口内最大幅值对应的频率，为最大幅值对应的频率，为窗口的序号，为窗口长度，为帧数。

19、可选地，步骤s104中由电网频率信号构成的参考频率序列 r为使用电网势态感知设备对电网信号进行同步检测得到，参考频率序列 r为由电网频率信号按照时间排序的信号序列，且其时间覆盖包含电网频率信号的音频信号的采集时间。

20、可选地，步骤s104中在皮尔逊相似度序列 cc和欧式距离序列 d之间寻找最佳匹配点包括：

21、s201，搜索确定皮尔逊相似度序列 cc中最大值所对应的位置 iccmax，搜索确定欧式距离序列 d中最小值所对应的位置 idmin；

22、s202，判断 iccmax≈ idmin是否成立，若成立则判定成功找到最佳匹配点，否则判定未找到最佳匹配点。

23、可选地，所述判断 iccmax≈ idmin是否成立包括：计算皮尔逊相似度序列 cc中最大值所对应的位置 iccmax、欧式距离序列 d中最小值所对应的位置 idmin之间的差值，若差值小于设定值，则判定 iccmax≈ idmin成立，否则判定 iccmax≈ idmin不成立。

24、可选地，步骤s104中某一点存在突变是指该点的在参考频率序列 r中的电网频率信号、在滤波后的频率估计值序列 fz中的频率估计值两者之间的差值超过设定值。

25、可选地，步骤s101中的降噪是指采用带通滤波器进行滤波降噪，步骤s101之前还包括对包含电网频率信号的音频信号进行降采样处理。

26、此外，本发明还提供一种基于音频的电网频率实时跟随与篡改鉴别系统，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行所述基于音频的电网频率实时跟随与篡改鉴别方法。

27、此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序用于被微处理器编程或配置以执行所述基于音频的电网频率实时跟随与篡改鉴别方法。

28、和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：

29、1、本发明方法通过针对每一帧音频信号作短时线性调频 z变换，并查找指定窗口内最大幅值对应的频率 kl，将所有窗口内获得的频率拼接，得到频率估计值序列 f，对频率估计值序列 f进行平滑滤波得到滤波后的频率估计值序列 fz，能够实现对电网频率信号的准确提取，而且即使在低信噪比条件下，仍然能够保持较高的提取精度。

30、2、本发明包括将滤波后的频率估计值序列 fz与参考频率序列 r进行逐点计算皮尔逊相似度序列 cc和欧式距离序列 d,然后搜索皮尔逊相似度最大值所对应的位置 iccmax和欧式距离序列最小值所对应的位置 idmax,若索引点 iccmax≈ idmin，则索引点为最佳匹配点，否则重新提取频率估计值序列，将最佳匹配点作为参考频率序列 r的起点与滤波后的频率估计值序列 fz进行对比，若存在突变，则判定该包含电网频率信号的音频有篡改且突变位置为篡改位置；否则，则判定该包含电网频率信号的音频无篡改，能够方便地快速地实现对包含电网频率信号的音频信号实现基于电网频率信号的实时跟随与篡改鉴别。