CN106910508B - 一种仿海洋打桩声源的隐蔽水声通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种仿海洋打桩声源的隐蔽水声通信方法。针对海洋打桩声信号特点，设计了基于其近似等间隔脉冲声特性的信息调制方法；设计具有特定跳时规律的打桩声序列作为同步信号。保证了该伪装隐蔽水声通信方法中通信信号均为打桩声信号。解调时针对打桩声信号采用基追踪算法估计信道，利用被动相位共轭技术实现打桩声信号能量聚集，最后利用相关器实现信息解调。本发明从伪装隐蔽角度出发，将信源信息隐藏在打桩声信号的时间间隔内，使通信信号被当作海洋环境噪声排除，进而有效地实现远程隐蔽水声通信。

Description

一种仿海洋打桩声源的隐蔽水声通信方法

技术领域

本发明涉及一种隐蔽水声通信方法。

背景技术

传统的隐蔽通信方法是使通信信号隐藏于背景噪声中，即从低信噪比角度出发的隐蔽水声通信。但是由于水声信道的时变、空变、频空等特性，相同声源级的信号不能实现在不同距离上的隐蔽通信，尤其当收发节点间存在监听设备时，将无法实现隐蔽通信。

公开号为CN103368660A的专利文件中公开了一种基于差分Pattern时延差编码的仿生水声通信方法。该方法将海豚叫声信号应用于差分Pattern时延差编码通信体制中，从而实现仿生隐蔽通信。公开号为CN103401619A的专利文件中公开了一种基于虚拟时间反转镜M元仿生信号编码的水声通信方法，该方法同样采用海豚叫声信号进行调制，实现隐蔽通信。这两种通信体制均采用时延差编码方式，并都以海豚的嘀嗒声信号作为载波调制信息。公开号为CN103280221A的专利文件中公开了一种基于基追踪的音频无损压缩编码、解码方法及系统。该方法采用的基追踪算法既参与音频信号的编码过程、又参与解码过程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能实现仿生伪装隐蔽水声通信的仿海洋打桩声源的隐蔽水声通信方法。

本发明的目的是这样实现的：

在发送端：

步骤1：提取一组海洋打桩声音信号脉冲，分析并计算海洋打桩声音信号脉冲的平均周期间隔T；

步骤2：利用打桩声脉冲信号作为载波，以步骤1中得到的平均周期间隔T排列海洋打桩声音信号，在人耳听觉感知范围内，分别对每个海洋打桩声音信号进行时移形成携带信息的仿生已调信号；

步骤3：定义跳时宽度，依照跳时码序列对海洋打桩声音信号进行时移，生成基于跳时扩频码和海洋打桩声音信号的仿生同步信号；

步骤4：在步骤3生成的仿生同步信号与步骤2生成的仿生已调信号之间插入长度为T的时间间隔，形成一帧仿生通信信号，所述仿生通信信号通过发射机功放送入水声信道，并在接收端接收信号；

在接收端：

步骤5：根据跳时扩频码和海洋打桩声音信号设计本地同步参考信号，采用匹配相关法实现同步信号捕获，以此确定仿生调制信号的位置；

步骤6：利用基于压缩感知的基追踪技术，对步骤5捕获的同步信号进行信道估计，估计信道冲激响应；

步骤7：基于步骤6得到的信道估计结果，对步骤5捕获的同步信号进行被动相位共轭处理；

步骤8：对步骤7均衡处理后的信号进行解调，恢复信源信息。

本发明还可以包括：

1、步骤2中所述的以步骤1中得到的平均周期间隔T排列海洋打桩声音信号，是以等周期排列的打桩声信号为参考点，根据信源信息代表的不同时延长度，调整每个打桩声信号的位置。

2、步骤3中所述的依照跳时码序列对海洋打桩声音信号进行时移，是以等周期排列的打桩声信号为中心，在预先设定的跳时宽度范围内，根据跳时扩频码对打桩声信号做前后时移，以此形成同步信号。

与低信噪比隐蔽水声通信不同，仿海洋打桩声源的隐蔽水声通信方法，采用真实的海洋打桩声信号作为信息载体，将通信信号隐藏在打桩声信号的时间间隔中，信号在信道中传输时，允许通信信号被探测到，但在识别过程中被当作海洋噪声排除，达到隐蔽通信的效果。

本发明针对海洋打桩声信号特点，设计仿生隐蔽水声通信方法，与公开号为CN103368660A和CN103401619A的专利文件中公开的技术方案相比，除模仿声源不同外，采用的信息调制方法、帧同步方法和信道估计方法均不相同。公开号为CN103280221A中的技术方案采用的基追踪算法，而本发明采用基追踪方法实现水声信道估计。

步骤1中的海洋打桩声信号指的是某一类海洋打桩声信号。步骤2中的调制方法是以等周期排列的打桩声信号为参考点，根据信源信息代表的不同时延长度，调整每个打桩声信号的位置。步骤3中跳时扩频同步信号的产生方式是以等周期排列的打桩声信号为中心，在预先设定的跳时宽度范围内，根据跳时扩频码对打桩声信号做前后时移，以此形成同步信号。步骤6中采用基追踪技术在时域估计信道冲激响应。步骤7中采用被动相位共轭处理消除信道多途影响。

上述的仿海洋打桩声源进行通信的通信方法中，步骤1中使用的海洋打桩声信号是实际采集到的某一类海洋打桩声信号，以等周期排列的打桩声信号为中心，根据一定的时间精度及信源信息计算的相应的十进制时延值，移动打桩声信号，使移动后的打桩声信号距其原始中心位置的时间间隔为该时延值，产生仿生已调信号。为保证仿生信号的真实度，在仿生信号前后分别加入基于跳时扩频调制的同步信号与一个打桩声周期的时间间隔，形成一帧仿生通信信号。这样，在信号传输过程中，即使信号被截获到，也会被当作海洋环境噪声排除掉，达到了隐蔽通信的目的。在接收端解调时，根据本地同步参考信号对接收信号作同步处理后，采用基追踪算法和被动相位共轭处理实现信道均衡，并根据时延精度对均衡后的信号解调得到原始信源信息。

采用本发明所述仿海洋打桩声源的隐蔽水声通信方法，可以利用真实的打桩声信号作为载波进行调制解调，简单易行，通信速率适中。同时，合成后的仿生信号隐蔽性和安全性较高，可以较好地实现伪装隐蔽通信。

附图说明

图1为仿海洋打桩声源的隐蔽水声通信系统流程图；

图2为海洋打桩声信号时延差编码示意图；

图3为同步信号产生原理图；

图4为发射信号帧结构示意图；

图5a为原始海洋打桩声源时域图；

图5b为原始海洋打桩声源时频图；

图6a为仿海洋打桩声源时域图；

图6b为仿海洋打桩声源时频图；

图7为被动相位共轭技术原理图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

本发明涉及一种仿海洋打桩声源的隐蔽水声通信方法。

海洋打桩声源是一种常见的海洋噪声信号，将信源信息隐藏在打桩声信号中进行通信，可使信号在传输过程中被当作海洋噪声信号排除，可达到仿生隐蔽通信的效果。

在发送端：

步骤1：基于真实的海洋打桩声信号，提取单独打桩声脉冲，分析并计算其平均周期间隔T；

提取一组真实的海洋打桩声音信号脉冲，脉冲数量为L。由于海洋打桩声信号是近似等同期排列，故分析其时频特性，记录相邻打桩声信号之间的时间间隔t_i(i＝1,2…L)，从而确实其平均周期间隔T，有

步骤2：利用步骤1的打桩声脉冲信号作为载波，结合打桩声信号近似等周期的特点，以步骤1中得到的平均周期T排列打桩声脉冲信号，在人耳听觉感知范围内，分别对每个打桩声脉冲信号进行时移，时移的具体长度由调制的信源信息决定，以此形成携带信息的仿生已调信号；

本发明的仿生系统采用差分脉冲位置调制(DPPM)，对一组打桩声信号进行等周期T排列。根据信源信息所代表的不同时延长度与时延精度，调整每个打桩声信号的具体位置。在这里，信源信息所表示的时延长度要远小于信号周期T，从而保证打桩声序列的真实性，以及信源信息的隐蔽性与安全性。通过调整时延精度，提高通信速率。

将L个打桩声信号以相等的时间间隔T发射，以每个打桩声信号为中心，将信息调制在中心点所在时刻的周围Δt时间范围内(Δt＜＜T)。若每个码元携带nbit信息，那么编码时间均分为(2ⁿ-1)份，编码量化间隔Δτ＝Δt/(2ⁿ-1)，那么时延差τ_di(i＝1,2,...,L)为：

τ_di＝k·Δτ k＝0,1,...,2ⁿ-1 (2)

式中，k为二进制信源采用格雷码编码后的十进制信息。

步骤3：为有效地实现仿生通信信号同步，采用跳时扩频序列设计同步信号。与步骤2的调制原理相同，定义跳时宽度，依照跳时码序列对打桩声信号进行时移，进而设计基于跳时扩频码和打桩脉冲声信号的仿生同步信号；

在仿生通信中，同步信号对信息安全有重要影响。为保证通信信号的真实性，同步信号的设计方法与步骤2中载有信息的仿生信号调制原理相同，即以等周期排列的打桩声信号为中心，在固定的时间范围内调制打桩声信号。由于扩频信号具有较强的抗干扰性与保密性，故本发明中采用基于跳时扩频码的打桩声信号作为同步信号，利用伪随机跳时码的随机性与可不预测性，在预定的跳时范围内，调制打桩声信号，既提高通信信号与原始打桩序列的相似度，又增强了信息的隐蔽性。

在本发明中，分别设计首同步信号和末同步信号，放置于仿生信号的前后。

步骤4：在步骤3生成的同步信号与步骤2生成的已调信号之间插入长度为T的时间间隔，形成一帧仿生通信信号。该信号通过发射机功放送入水声信道，并在接收端接收信号；

一帧发射信号用s(t)表示，有

s(t)＝[w₁(I₁)o(T)m(L)o(T)w₂(I₂)] (3)

其中，w(I)为打桩同步信号，长度为I；m(L)是载有信息的打桩声信号，长度为L；o(T)为同步信号与仿生信号之间插入的空白间隔，长度即为打桩信号周期T，以此保证发射信号的真实性。

在接收端：

步骤5：根据已知跳时序列和打桩声信号，设计本地同步参考信号，采用匹配相关法实现同步信号捕获，以此确定仿生调制信号的位置；

利用步骤3所用的伪随机跳时扩频码，生成本地同步参考信号，并与接收信号做匹配相关，根据最大相关峰的位置，确定同步信号的位置。并根据步骤4定义的空白间隔长度，找到载有信源信息的仿生信号，推算每个打桩声信号中心点的位置。

步骤6：利用基于压缩感知的基追踪技术，对步骤5捕获的同步信号进行信道估计，估计信道冲激响应；

为克服水声信道中多途的干扰，本发明利用水声信道的稀疏特性，采用基追踪算法(BP算法)实现信道估计。BP算法从全局优化的角度出发，具有全局最优解，利用少量的观测信号较为精确地估计出稀疏信号，实现稀疏信号的重建。

在考虑噪声的情况下，对于线性模型，有

y＝Ax+n (4)

其中，x∈R^M为待估计的稀疏信号，y∈R^N为观测向量，n∈R^N为高斯噪声向量，A∈R^{N ×M}，且N＜M。本发明中，发射信号为A，接收信号为观测向量y，信道冲激响应为待估计的稀疏信号x。

信号稀疏性的度量，常用信号中非零元素的个数来衡量，即0-范数，而稀疏信号估计要解决的就是这个最优化问题

min||x||₀,s.t.y＝Ax (5)

但由于上式的求解是非凸函数优化问题，很难求解。由于1-范数在一定条件下和0-范数具有等价性，故可将式(5)转化为如下的优化问题

min||x||₁,s.t.y＝Ax (6)

当考虑高斯噪声n的影响时，且||n||₂＜σ，修改约束条件，重新定义最优化问题，即

min||x||₁,s.t.||Ax-y||₂≤σ (7)

根据拉格朗日乘数法，可将式(7)等价为求解以下的优化问题

上式是著名的l₂-l₁问题，即基追踪去噪(BPDN)问题，其中λ为正则化参数，控制着允许误差与稀疏性间的平衡。

令

c(x)＝λ||x||₁ (10)

那么，式(8)可写作

现采用一种基于BPDN原理的SpaRSA(Sparse Reconstruction by SeparableApproximation)算法估计信道。解决办法是：产生一组迭代序列{x^t,t＝0,1,2...}。那么上述问题可以转化为下列子问题的迭代，即

其中，

这就是SpaRSA算法所要解决的核心问题。

当

时，上式(12)是可分离的，可写作

当c(z)＝||z||₁时，上式(13)有唯一解

当u为复数时，软阈值函数

基于以上分析，将其与水声信道估计相结合，那么y是接收信号，A是发送信号，x是待估计的信道冲激响应。应用基于BPDN的SpaRSA算法估计水声信道冲激响应的具体过程如下：

输入：接收信号y、发射信号A、噪声方差σ²、正则化参数λ、因子ζ、因子η、固定整数M、常数τ、允许误差ε。

初始化：t＝0、i＝0、x⁰＝0、α₀＝1

1.y⁰＝y；

2.λ_t＝max{ζ||A^Ty^t||_∞,λ}；

3.选择x^t+1：

1)计算xⁱ⁺¹：

2)判断：

是，继续执行；否，α_i＝ηα_i，返回步骤1)。

3)更新α_i+1。

4)判断：

是，继续执行；否，i＝i+1，返回步骤1)。

4.y^t+1＝y-Ax^t+1。

5.判断：λ_t＝λ。是，结束；否，t＝t+1，返回步骤2。

6.输出x^t。

对于SpaRSA算法，影响其信道估计性能的一个重要因素就是正则化参数λ的选取。该参数是信号稀疏度和残余误差之间的折中，参数选取的合适则可以以很高的精度恢复原信号，否则会导致信号重构时出现很大的误差。本发明采用一种适应噪声变化的参数设置方式，λ＝0.1*σ²*||A^Ty||_∞，其中σ²为归一化的噪声方差。

步骤7：基于步骤6得到的信道估计结果，对步骤5获得的接收信号进行被动相位共轭处理，消除信道多途影响；

采用被动相位共轭技术消除信道多途影响，实现信道均衡。本发明中，将首同步信号作为探测信号，基于步骤6估计得到信道冲激响应h'(t)，对接收信号s_r(t)作被动相位共轭处理，即

s_r(t)＝s(t)*h(t)+n(t) (16)

r(t)＝s_r(t)*h'(-t)＝s(t)*[h(t)*h'(-t)]+n(t)*h'(-t) (17)

频域上的表达式为

式中，r(t)即处理后的接收信号，上标的*表示共轭。接收信号经过被动相位共轭处理后，信道冲激响应具有明显的主峰和较低的旁瓣，说明可以有效地压缩信道的多途结构，消除信号在传播和接收过程中受到的多途影响。这里，可记

将其作为接收信号最终通过的总信道。

步骤8：对步骤7均衡处理后的信号进行解调，恢复信源信息。

利用拷贝相关实现信息解调，即任意接收信号码元r_i(t)与单个打桩声信号c(t)做拷贝相关，即

其中，T₀为码元宽度。根据拷贝相关输出结果可得到明显的相关峰，并结合步骤5推算的每个打桩声信号中心点的位置，可确定每个打桩声信号偏离中心点的时延值，从而解码得到信源信息。

Claims (3)

1.一种仿海洋打桩声源的隐蔽水声通信方法，其特征是：

在发送端：

步骤1：提取一组海洋打桩声音信号脉冲，分析并计算海洋打桩声音信号脉冲的平均周期间隔T；

步骤2：利用打桩声脉冲信号作为载波，以步骤1中得到的平均周期间隔T排列海洋打桩声音信号，在人耳听觉感知范围内，分别对每个海洋打桩声音信号进行时移形成携带信息的仿生已调信号；

步骤3：定义跳时宽度，依照跳时码序列对海洋打桩声音信号进行时移，生成基于跳时扩频码和海洋打桩声音信号的仿生同步信号；

步骤4：在步骤3生成的仿生同步信号与步骤2生成的仿生已调信号之间插入长度等于平均周期间隔T的时间间隔，形成一帧仿生通信信号，所述仿生通信信号通过发射机功放送入水声信道，并在接收端接收信号；

在接收端：

步骤5：根据已知跳时码序列和海洋打桩声音信号设计本地同步参考信号，采用匹配相关法实现同步信号捕获，以此确定仿生调制信号的位置；

步骤6：利用基于压缩感知的基追踪技术，对步骤5捕获的同步信号进行信道估计，估计信道冲激响应；

步骤7：基于步骤6得到的信道估计结果，对步骤5捕获的同步信号进行被动相位共轭处理；

步骤8：对步骤7均衡处理后的信号进行解调，恢复信源信息。

2.根据权利要求1所述的仿海洋打桩声源的隐蔽水声通信方法，其特征是：步骤2中所述的以步骤1中得到的平均周期间隔T排列海洋打桩声音信号，是以等周期排列的打桩声信号为参考点，根据信源信息代表的不同时延长度，调整每个打桩声信号的位置。

3.根据权利要求1或2所述的仿海洋打桩声源的隐蔽水声通信方法，其特征是：步骤3中所述的依照跳时码序列对海洋打桩声音信号进行时移，是以等周期排列的打桩声信号为中心，在预先设定的跳时宽度范围内，根据跳时扩频码对打桩声信号做前后时移，以此形成同步信号。

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