面向数字取证的电网频率信号采集和存储方法及系统

技术领域

本发明属于多媒体数字取证技术领域，具体涉及一种面向数字取证的电网频率信号采集 和存储方法及系统。

背景技术

当代科技的高速发展让人们进入了信息时代、智能时代，在信息化的同时，数字多媒体 内容也因其较为容易受到篡改与攻击，导致一些错误信息的传播。若有意识篡改或伪造的多 媒体文件被应用于法庭举证、媒体发布、刑事侦查、安保等领域，将会对社会安全与公正带 来恶劣影响。因此，多媒体数字取证的需求日益加剧，在很多行业中都起着至关重要的作用。 多媒体数字取证涵盖了多媒体文件的时间戳鉴定、产生地点鉴定、产生设备鉴定、篡改痕迹 检测等一系列鉴定目标，以保证文件的完整和真实可靠。

电网频率(ENF)可以为音、视频的取证提供部分解决方案。电网频率是电网中的供电 传输频率，其标称值为50或60Hz。但是在电力网络中，受到发电系统非理想性、总体负载时变性、外部环境不确定性等复杂因素影响，电网频率并非是一个固定的值，而是会在中心频率附近以一种随机的方式做微小变化。所以在标称值附近微小变化的电网频率会携带一 些信号，而这种电网频率信号会通过用电器的震动在空气中以声波的形式进行传播，且存在 多次谐波。这种信号在环境中广泛存在，虽然不能被人耳听到，但是在室内室外都很大程度 上能够被录音设备捕获到。电网频率的波动模式在同一电网内部保持一致，即同一电网内， 电网频率信号是相同的，而不同电网的电网频率信号不同。由于电网频率的随机性和同一电 网内的一致性，电网频率信号就像给录音加上了时间戳，成为了音频信号的“自然签名”， 或可将其视为关于时间的“数字水印”，这也就使基于电网频率的数字录音取证真伪鉴别成 为可能。通过将待检测音频文件中记录的电网频率信号和数据库中的电网频率信号进行精确 比较，便能够识别录音文件的创建时间，甚至帮助检测文件是否遭到人为的篡改编辑或破坏。

在电网频率检测与分析中，电网频率参考数据库的建立至关重要，如果没有电网频率参 考信号，则无法将从待验录音文件中提取出的电网信号进行对比以确定其时间戳信息，也难 以更好的开展围绕电网频率的其他取证工作。因此，建立并维护准确稳定的电网频率参考信 号采集系统是基于电网频率判据的多媒体数字取证工作切实有效进行的重要保障。此外，获 得准确和充足的电网频率参考信号也有助于对电网频率的统计分析，以确定其先验统计特性。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种面向数字取证的电网频率信号采集和存储方法及系统， 解决电网频率信号的采集和存储，以及电网频率参考数据库的建立问题。

本发明提供一种面向数字取证的电网频率信号采集和存储方法，包括以下步骤：

利用降压变压器将电网信号降压，将降压后的电网信号传输给声卡；

使用上位机开发工具编译的代码，从声卡采集电网频率信号，并将含有时间信息的数据 文件存储，形成数据库。

进一步地，不间断电源为电网频率信号采集和存储提供断电保护。

进一步地，从声卡采集电网频率信号，将含有时间信息的数据文件存储，形成数据库具 体包括以下步骤：

读取声卡捕获的音频样本；

采用高精度时钟源返回开始捕获音频样本时的时间值，得到音频样本相对应的时间戳信 息；

将采集到的音频样本和时间戳信息一同保存，构成音频数据库；

将采集到的音频样本通过短时傅里叶变换加极值的方法转换成时频域的电网频率参考信 号，并与时间戳信息一同保存，构成时频域数据库。

进一步地，从声卡采集电网频率信号，将含有时间信息的数据文件存储具体包括以下步 骤：

声卡开始采集电网频率信号，同时开始计时；

判断采集时长是否达到预设阈值；若否，则继续采集；若是，则对该时长内采集到的电 网频率信号进行存储。

本发明还提供一种面向数字取证的电网频率信号采集和存储系统，该系统包括：

降压传输模块，用于利用降压变压器将电网信号降压，将降压后的电网信号传输给声卡；

采集存储模块，用于使用上位机开发工具编译的代码，从声卡采集电网频率信号，并将 含有时间信息的数据文件存储，形成数据库。

进一步地，采集存储模块包括：

采集子模块，用于读取声卡捕获的音频样本；

时间子模块，用于采用高精度时钟源返回开始捕获音频样本时的时间值，得到音频样本 相对应的时间戳信息；

音频子模块，用于将采集到的音频样本和时间戳信息一同保存，构成音频数据库；

时频子模块，用于将采集到的音频样本通过短时傅里叶变换加极值的方法转换成时频域 的电网频率参考信号，并与时间戳信息一同保存，构成时频域数据库。

本发明的有益效果是：本发明的面向数字取证的电网频率信号采集和存储方法及系统， 实现了电网频率参考信号的精准稳定采集，确保电网频率参考数据库的建立，为基于电网频 率判据的多媒体数字取证工作切实有效进行提供了数据保障。

进一步地，本发明采用双存储程序，一是采用高精度时钟源返回开始的时间值，将声卡 中读取的音频样本存储，构成音频数据库，以便之后对电网频率信号进行高精度慢速处理； 二是采用短时傅里叶变换(STFT)加极值的方法将采集到的音频样本存储为时频域的电网频 率信号，可以直接调用数据进行匹配，以便快速处理。

进一步地，本发明提出了一种新的程序结构：三线程程序，一个主线程负责录音(读取 数据)，一个副线程负责数据存储，另一个副线程负责时间判断。程序持续对数据进行采集 并计时，等到采集时长达到预设阈值时，采用存储线程直接对已读取的录音文件进行写入封 装的操作，降低了对程序即时性的要求。三线程程序每一个线程负责一个功能，实现较好的 分工，相比现有的程序中通过对数据边读边写来实现采集和存储，三线程程序能够减少主程 序中数据读取操作的负担，提高采集精度。

附图说明

图1是本发明电网频率参考信号采集系统硬件配置示意图；

图2是本发明电网信号采集系统核心功能软件算法流程图；

图3是本发明面向数字取证的电网频率信号采集和存储系统示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的说明：

本发明提供了一种面向数字取证的电网频率信号采集和存储方法及系统，首先通过降压 变压器将供电网络的220V电网信号降压为0.1V的电网信号，再通过声卡接口将电网信号传 输给上位机，之后采用双存储程序，一是采用高精度时钟源返回开始采集时的时间值后，将 声卡设备中读取的音频样本存储，保留音频的时间戳信息，以便之后对电网频率信号进行高 精度慢速处理；二是采用短时傅里叶变换(STFT)加极值的方法将采集到的音频文件存储为 时频域的电网频率信号，可以直接调用数据进行匹配，以便快速处理。

本发明提出了一种面向数字取证的电网频率信号采集和存储方法，包括以下步骤：

S1、通过降压变压器将供电网络与计算机的高精度声卡直接相连；

S2、使用计算机开发工具编译的代码，从声卡自动采集电网频率信号，并将含有时间信 息的数据文件存储，从而形成数据库。同时，外部还有不间断电源保护整个系统，防止紧急 断电情况下数据的丢失。

在步骤S1中，关键在于通过降压变压器将供电网络与计算机的高精度声卡直接相连， 将电网的波动传输到计算机中，其具体硬件配置如图1所示。降压变压器是一种特定的变压 器，它可以把输入端的高电压，转换为输出端相对偏低的理想电压，从而达到降压的目的。 降压变压器工作原理是电磁感应原理，由线圈和铁芯闭合磁路组成。线圈套在铁芯柱上，被 同一交变磁通所切割，每一匝线圈产生同样的感应电势，线圈匝数与其电压成正比，因此控 制线圈匝数比，就可以降低电压。

本专利采用的单相降压控制变压器将电源插口处的220V电网信号降压为0.1V的电网信 号输入声卡。由于声卡允许的最大输入电压为5V，降压后的电网信号能够被声卡清晰的录 制到，从而为存储含有时间信息的数据文件提供硬件基础。

在步骤S2中，关键在于构建完整的电网频率参考信号数据库。为了电网频率信号取证 的顺利进行，基于电网频率的数字取证，尤其是时间戳验证过程中，待验电网频率需要与电 网频率参考信号进行对比。因此，参考信号采集系统需满足一定的精度和稳定性要求。本专 利提出的采集系统软件部分主要分为五大模块，即采集、计时、存储、预处理和断电保护。

其基本功能如下所示：

采集模块：电源处的电网频率信号经过降压器降压后，通过声卡设备进入电脑，读取声 卡设备中的捕获的音频样本，将数据临时存放于寄存器中便于存储。

计时模块：采用高精度时钟源返回开始采集的时间值，便于保留音频的时间戳信息。

存储模块：将采集到的音频样本和时间戳信息一同保存在文件中，构成音频数据库。

预处理模块：将采集到的音频样本通过短时傅里叶变换(STFT)加极值的方法转换成时 频域的电网频率参考信号后，与时间戳信息一同保存在文件中，构成时频域数据库。

断电保护模块：在紧急断电情况下启用备用电源，应用程序保存当前数据，关闭系统。

在现有的程序中，都是通过对数据边读边写来实现的。读入后立即写入并且通过程序循 环来将一小时的数据进行保存，读写的快慢可能会影响数据采集，所以，在思考是否可以将 一小时的数据都读取之后再调用线程进行存储并且使用副线程判断时间，以减少主程序中数 据读取操作的负担。为了提高采集精度，在实验中提出了一种新的程序结构：三线程程序， 一个主线程负责录音(读取数据)，一个副线程负责数据存储，另一个副线程负责时间判断， 图2所示的就是电网频率参考信号音频采集软件实现流程图。判断采集时长是否达到预设阈 值；若否，则继续采集；若是，则对该时长内采集到的电网频率信号进行存储。采集的起始 时间和采集的时长可以随意设置，例如整点时开始采集，时长设为一个小时，即判断采集当 前时刻是否为时间整点；若否，则继续采集；若是，则对该时长内采集到的电网频率信号进 行存储。从图中可以看出，程序持续对数据进行采集，等到时间整点时采用存储线程直接对 一小时的录音文件进行写入封装的操作，降低了对程序即时性的要求。三线程程序每一个线 程负责一个功能，实现较好的分工。最后通过高精度时钟源返回当前时间值，用当前时刻作 为采集的音频文件的文件名，音频样本和时间戳信息一同保存在文件中，构成音频数据库。

其中，音频文件存储参数为：

采样率：400/800Hz

量化精度：16bit

声道：单声道(Mono)

保存格式：PCM/WAV

命名方式：星期_月_日_时_分_秒_年.wav(如Fri_Sep_25_11_00_00_2020.wav)

音频文件存储后还需对其进行预处理，将时域的电网频率信号转换为时频域的电网频率 信号，以供之后直接匹配的需求。将时域信号转换为时频域信号是通过STFT加极值的方法 实现的。短时傅里叶变换的计算过程可以看作将一个长的时间的信号分割成等长的时间较短 的信号，接着分别计算每一段较短信号的傅里叶变换，将变换的谱绘制成关于时间的函数。 每一段信号中频谱能量的最大值认为是这一时刻的电网频率瞬时值，从而获得时频域的电网 频率信号。

在采集电网频率信号时还需要考虑断电情况。采用不间断电源进行供电时，程序运行中 如果出现断电情况，当使用的其他电源供电，由于采集系统不对采集信号进行判断，程序存 储后不会知道这一段数据采集的是无效数据，对于之后的匹配工作会造成难以匹配的问题。 而如果不采用其他电源供电，那么这一时间段的数据采集采用的是三线程程序，不会进行实 时保存，是读取一小时数据保存一次，则这一小时的时间跨度内的采集数据则会丢失。同时， 在断电之后如果接入了备用电源，那么备用电源的数据采集是没有意义的。因此可以通过识 别供电来源实现在电网频率信号存在时进行采集，在突发断电情况时保存临时数据并自动关 机。

本发明还提供一种面向数字取证的电网频率信号采集和存储系统，如图3所示，该系统 包括：

降压传输模块1，用于利用降压变压器将电网信号降压，将降压后的电网信号传输给声 卡；

采集存储模块2，用于使用上位机开发工具编译的代码，从声卡采集电网频率信号，并 将含有时间信息的数据文件存储，形成数据库。

进一步地，采集存储模块2包括：

采集子模块21，用于读取声卡捕获的音频样本；

时间子模块22，用于采用高精度时钟源返回开始捕获音频样本时的时间值，得到音频 样本相对应的时间戳信息；

音频子模块23，用于将采集到的音频样本和时间戳信息一同保存，构成音频数据库；

时频子模块24，用于将采集到的音频样本通过短时傅里叶变换加极值的方法转换成时 频域的电网频率参考信号，并与时间戳信息一同保存，构成时频域数据库。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明， 凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。