CN102916750B - 一种基于船舶辐射噪声的水声隐蔽通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于船舶辐射噪声的水声隐蔽通信方法，在发送端，对载体信号进行频谱分析，在频域内实现信息嵌入，并且对嵌入的频域信号进行幅频修正，通过频域反变换得到时域信号，在已嵌入信息的时域通信信号之前加入同步信号构成最终发射信号，将信号进行功率放大输出至低频换能器，实现发射；在接收端，将感应到的声学信号转换为电信号，用预先已知的同步信号对是否存在通信信号进行检测，如果存在，则采用与发送端映射的逆操作得到加密的消息，最后利用密钥通过解密算法最终恢复出原始待发送的消息或信息。此种通信方法不仅能够安全可靠地传输信息，同时可使通信过程更具隐蔽性。本发明还公开一种基于船舶辐射噪声的水声隐蔽通信系统。

Description

一种基于船舶辐射噪声的水声隐蔽通信方法及系统

技术领域

本发明属于水声通信和信息安全技术领域，特别涉及一种基于船舶辐射噪声的水声隐蔽通信方法与系统。

背景技术

以声载波实现水下无线通信的水声通信技术是当前海洋工程及军事海洋学领域的重要技术之一，能够实现潜艇、水下各类航行器、水下监测、探测平台等水下设备之间的通信以及水下设备与陆地及海面平台的通信。在海洋军事情报的监听与收集、特殊水域的监测、特别是水下侦察与多节点协作探测、集群管理指挥与调度等方面水声通信技术也具有广阔的应用前景。然而由于声波在水中具有开放性，因此容易被敌对方截获、干扰或欺骗。

水声通信是未来水下无线通信的主要手段，在军事与民用领域均具有非常大的应用价值，在军事应用中保证水声通信的隐蔽性非常重要。目前，水声隐蔽通信主要依赖扩频通信机制降低发射信号的声源级并使水声通信信号呈现类似噪声的特性，以实现通信的隐蔽性。然而随着通信对抗技术的不断发展与成熟，已有多种针对传统水声隐蔽通信的信号检测与通信参数估计技术，对通信的安全性构成了很大的威胁，因此探索新型的水声隐蔽通信技术非常必要。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种基于船舶辐射噪声的水声隐蔽通信方法及系统，其不仅能够安全可靠地传输信息，同时可使通信过程更具隐蔽性。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种基于船舶辐射噪声的水声隐蔽通信系统，包括传感器模块、处理模块、通信模块和供电模块；

传感器模块包括顺序连接的传感器、信号调理与滤波电路、A/D转换电路和Flash，其中，传感器将采集的姿态信息送入信号调理与滤波电路，经预处理后送入A/D转换电路进行A/D转换，然后送入Flash缓存；

处理模块包括CPLD、SRAM和DSP处理器，其中，CPLD将缓存于Flash中的数据存储到SRAM中，为DSP处理器提供需要处理的数据，同时将DSP处理器处理的信息送入SRAM存储；所述DSP处理器与通信模块进行数据传输；

通信模块包括收发合置换能器、发射功率模块、接收调理电路、A/D转换器、D/A转换器、值班电路和晶振模块，其中，D/A转换器连接处理模块中的DSP处理器，将处理后的信息进行D/A转换后通过发射功率模块送入收发合置换能器；所述收发合置换能器的输出端还连接接收调理电路，对数据进行放大、滤波和增益控制后送入A/D转换器进行A/D转换，然后送入DSP处理器进行处理；值班电路分别连接DSP处理器和接收调理电路，在其信号控制下唤醒第二电源模块；晶振模块连接DSP处理器；

供电模块包括两个电源模块，第一电源模块为收发合置换能器、接收调理电路、值班电路和传感器模块供电，第二电源模块为DSP处理器、A/D转换器、D/A转换器和发射功率模块供电。

一种基于船舶辐射噪声的水声隐蔽通信方法，包括发送端的处理方法和接收端的处理方法；

发送端的处理方法包括如下步骤：

（a1）采集船舶辐射噪声信号或根据船舶辐射噪声的数学模型计算产生船舶辐射噪声信号，对所述船舶辐射噪声信号的频谱进行估计，得到载体信号y(t)，其对应的频谱为Y(ω)；

（a2）产生基于待发送消息或信息的数字水印信号w(t)，其对应的频谱为W(ω)；

（a3）将步骤（a2）中的水印信号嵌入步骤（a1）中的载体信号，得到嵌入水印的频域信号X(ω)，再对其进行逆变换，得到水印嵌入通信信号x(t)；

（a4）按照“同步信号+水印嵌入通信信号”的格式形成最终要发送的信号z(t)；

（a5）将要发送的信号z(t)进行数模转换，经功率放大后由低频换能器将水声通信信号发射，实现通信信号的发送；

接收端的处理方法包括如下步骤：

（b1）采样水下环境中的声学信号；

（b2）利用前述步骤（a4）中的同步信号对采样的信号进行同步检测，检测是否存在通信信号，如果存在，转步骤（b3），否则返回步骤（b1）；

（b3）对存在通信信号的采样信号进行水印析取，恢复出待发送消息或信息。

上述步骤（a2）中，基于待发送消息或信息的水印信号的产生方法步骤如下：

步骤a2-1：通信双方预先设定密钥，设为K；

步骤a2-2：与密钥K采用加密算法对待发送的消息S进行加密处理；

步骤a2-3：设加密后的消息序列为S′；

步骤a2-4：依据具体消息的形式，设计消息映射原则，设映射原则表示为f(·)；

步骤a2-5：将加密的信息序列进行分组，对分组的形式以所用的符号进制为依据，设分组以后的序列为U,则通过映射原则将U进行映射，生成相对应的随机序列的生成参数f(U)；

步骤a2-6：根据参数序列f(U)，产生相应的随机序列；

步骤a2-7：依据产生的随机序列，生成随机相位信号e^-jθ(ω)，其中w表示频率；

步骤a2-8：依据上述的处理在频域生成基于待发送消息或信息的水印信号。

上述步骤（b3）中，水印析取的具体步骤是：

步骤b3-1：依据发送端所采用的映射关系f(·)，产生析取检测信号，把析取检测信号记为其中i表示第i种析取检测信号，T为信号持续时间；

步骤b3-2：将采样信号r(t)分别与析取检测信号进行如下处理：

$z_i\left(T\right)=\underset{T}{\∫}r\left(t\right)\·g_T^i\left(t\right)\mathrm{dt}$

其中，z_i(T)表示统计量；

步骤b3-3：采用最大似然判决准则得到数据的估计值d′(t)；

步骤b3-4：采用映射的逆过程f^-1(·)，将估计值进行f^-1(d′(t))的操作，得到发送端映射前的信息，此时信息是待发送消息的加密信息；

步骤b3-5：利用步骤a2-1中的密钥，采用与发送端相对应的加密算法的解密算法，将信息恢复为原始发送信息，恢复出待发送消息或信息。

上述步骤b3-1析取检测信号的产生方法步骤如下：

步骤b3-1-1：依据步骤a2-7中发送端生成的随机相位信号，在本地产生相对应的随机相位信号；

步骤b3-1-2：将发送端所使用的载体信号和前述产生的随机相位信号在频域相乘，然后求取傅里叶逆变换，得到时域信号；

步骤b3-1-3：将得到的复数时域信号求共轭运算，得到析取检测信号。

上述步骤（a3）中，将水印信号W(ω)嵌入载体信号Y(ω)采用频域的嵌入方式，嵌入规则为：

X(ω)=Y(ω)·W(ω)·H(ω)

其中，H(ω)表示通信环境所对应的信道幅频传输函数，X(ω)表示嵌入水印的频域信号。

上述步骤（a4）中，所述同步信号采用步骤（a1）中的船舶辐射噪声信号。

采用上述方案后，本发明提供一种针对通信速率要求较低的高隐蔽性通信手段，设计发明了一种基于船舶辐射噪声的水声隐蔽通信方法并给出了相应的通信系统组成原理。与其它通信技术手段相比，本发明结合了水声通信与信息隐藏技术，不但能够安全可靠的传输信息，同时可使通信过程更具隐蔽性。

附图说明

图1是本发明的方法原理图；

图2是本发明的系统架构图；

图3是本发明发送端的流程图；

图4是本发明中发射信号的格式示意图；

图5是本发明基于待发送消息的水印信号生成流程图；

图6是本发明接收端的流程图；

图7是本发明中水印析取方法的流程图；

图8是本发明中析取检测信号生成示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

首先参考图2所示，本发明提供一种基于船舶辐射噪声的水声隐蔽通信系统，包括传感器模块、处理模块、通信模块和供电模块，以下分别介绍。

传感器模块包括传感器、信号调理与滤波电路、A/D转换电路和Flash，传感器可以选取姿态仪或罗经等设备，提供本发明必要的姿态信息，为后续通信算法提供相关信息；信号调理与滤波电路对传感器采集的模拟数据进行预处理，再由A/D转换电路按照给定采样率进行模数转换，Flash用于对前述A/D转换电路转换后的数字信号进行缓存。

处理模块包括CPLD、SRAM和DSP处理器，其中，CPLD进行处理模块部分的数据流控制，缓存于Flash的传感器采集的数据可以通过CPLD存储于SRAM，以便DSP处理器在下一个通信周期内处理并送入通信模块进行传送，这是因为传感器的数据采样是一个连续采样输入、打包输出的过程，所以均匀采样的数据必须通过一个储存器积攒起来进行发送；另一方面，经DSP处理器处理的信息，比如隐蔽通信信号可以通过CPLD，中转至SRAM存储。SRAM是本发明通信系统的储存媒介，其容量由通信系统处理数据的容量确定，同时考虑低功耗的要求。DSP处理器不仅是处理模块的核心部分，而且是通信模块完成信息嵌入与提取、加密和解密等通信功能的主要器件，因此可以说是通信系统的核心部分。选取DSP处理器芯片需要考虑两个方面的性能，一方面是运算能力和并行处理能力，DSP处理器是设备的中枢，几乎所有的数据和指令都需要经过DSP处理器进行处理和调度，因此需要选用运算能力强且具有并行处理能力的DSP芯片；另一方面是低功耗能力，作为电池供电且长期无补给的设备，降低能耗始终是系统设计考虑的重点，选用较低功耗的DSP处理器可以增加设备工作时间。综合两方面的特点，可供选择的芯片有AD公司的Blackfin系列芯片以及TI公司的C55系列、DM64系列芯片。

通信模块包括收发合置换能器、发射功率模块、接收调理电路、A/D转换器、D/A转换器、值班电路以及晶振模块，完成数字化之前的水声通信功能。收发共置换能器选择电声转换效率较高的换能器，发射功耗不超过2瓦，接收功耗不超过1瓦。发射功率模块考虑对D/A转换后的模拟放大效率。接收调理电路考虑对A/D转换前的模拟数据进行放大、滤波和增益控制。A/D转换器和D/A转换器可以考虑选择低功耗的单通道A/D（D/A）转换芯片,数字采样率不低于20kHz。值班电路主要工作在通信系统休眠状态下，主要负责通信接入和唤醒通信系统工作，设计中主要考虑低功耗和检测率。晶振模块的主要工作是提供通信系统的同步与定位需要的时间。

供电模块包括两个电源模块，第一电源模块负责收发合置换能器、接收调理电路、值班电路以及传感器模块的供电，这些部分是连续工作的，在设计供电线路时必须考虑线路损耗和压差损耗，尽量使非工作能量损耗降到最低。第二电源模块负责DSP处理器、通信模块中的A/D转换器和D/A转换器以及发射功率模块的供电，这部分是非连续性工作的，但是却是通信系统中最主要的能量损耗元件，因此第二电源模块的蓄电量需要高于第一电源模块的蓄电量，而提供发射信号能量，第二电源模块也需要具有较高的瞬时电流。另外，由于DSP处理器和发射功率模块的电流需求不同，第二电源模块还需要隔离电路。

基于前述通信系统，本发明还提供一种基于船舶辐射噪声的水声隐蔽通信方法，可应用于水面船舶与水下航行器或其它水下装置的单向无线信息传输，配合图1所示，所述通信方法包括通信发送端和接收端的处理过程，发送端主要通过将待发送重要的消息或信息通过信息隐蔽技术嵌入到船舶辐射噪声中，通过船舶辐射噪声的传播来隐蔽地发送消息；在接收端，利用对应的信息提取算法和辐射噪声载体的先验信息，从接收到的船舶辐射噪声中提取隐蔽的消息，实现隐蔽通信。

如图3所示，是本发明所提供的发送端的处理方法，对于重要信息的发送，其主要思想是通过采集船舶辐射噪声信号或者通过典型船舶辐射噪声信号模型模拟产生一段时域辐射噪声信号作为信息的载体，然后对载体信号进行频谱分析，在频域内实现信息嵌入，并且对嵌入的频域信号依据水声信道幅频特性再进行必要的幅频修正，然后通过频域反变换得到时域信号，将此信号进行缓存，按照图4所示的通信数据格式，在已嵌入信息的时域通信信号之前加入同步信号构成最终发射信号，将信号按照通信要求进行功率放大输出至低频换能器，实现发射。其具体步骤如下：

步骤S1：采集船舶辐射噪声信号，此噪声可以是通信方的本舰自噪声，也可以是预先采集的其它典型船舶的噪声，将此噪声进行存储；

步骤S2：通过现有的典型船舶辐射噪声的数学模型，计算产生船舶辐射噪声信号，对模型中的参数进行预先存储和设定；

步骤S3：对步骤S1或S2中船舶辐射噪声的频谱进行估计，选择采用FFT方法，设得到的载体信号用y(t)表示，其对应的频谱为Y(ω)；

步骤S4：产生基于待发送消息或信息的数字水印信号，设水印信号用w(t)表示，其对应的频谱用W(ω)表示，其具体的产生过程如图5所示，将在以下部分对其原理进行详细介绍；

步骤S5：通信环境所对应的信道幅频传输函数H(ω)，预先进行设定或者测定；

步骤S6：将水印信号嵌入载体信号中，本嵌入算法采用频域的嵌入方式，设嵌入水印的频域信号频谱用X(ω)来表示，则嵌入规则满足：

X(ω)=Y(ω)·W(ω)·H(ω)

步骤S7：对嵌入水印的频域信号X(ω)进行逆变换，恢复时域信号，设为水印嵌入通信信号x(t)；

步骤S8：依据图4所示的结果，按照“同步信号+水印嵌入通信信号”的格式形成最终要发送的信号z(t)；

步骤S9：同步信号可以选择步骤S1或S2的使用的辐射噪声信号，目的是便于接收端实现通信信号的同步；

步骤S10：将发送信号z(t)进行数模转换，经功率放大后由低频换能器将水声通信信号发射，实现通信信号的发送。

其中，基于待发送消息或信息的水印信号的产生方法如图5所示，其步骤如下：

步骤S4-1：通信双方预先设定密钥，设为K；

步骤S4-2：与密钥K采用常规的加密算法对待发送的消息S进行加密处理，加密算法可采用现有的任意加密算法，不受限制；

步骤S4-3：设加密后的消息序列为S′；

步骤S4-4：依据具体消息的形式，设计消息映射原则，如线性映射或随机选择映射，设映射原则表示为f(·)；

步骤S4-5：将加密的信息序列进行分组，对分组的形式以所用的符号进制为依据，如M进制，则以二进制信息为例，每log₂M bit为一组，设分组以后的序列为U,则通过映射原则将U进行映射，生成相对应的随机序列的生成参数f(U)；

步骤S4-6：根据参数序列f(U)，产生相应的随机序列，要求映射序列具有较好的自相关性，而且具有较好的互相关性，可采用如m序列、Gold序列等；

步骤S4-7：依据产生的随机序列，生成随机相位信号e^-jθ(ω)，其中w表示频率；

步骤S4-8：依据上述的处理在频域生成基于发送消息的水印信号。

如图6所示，是本发明接收端的处理方法，首先通过水听器将感应到的声学信号转换为电信号，后经过必要的调理和放大实现对信号的采样，将采样的信号暂时存储，用预先已知的同步信号对是否存在通信信号进行检测，如果有通信信号存在，则利用与发送端相同的载体信号和发送端所用到的可能的M种随机相位信号对接收信号进行检测，采用与发送端映射的逆操作得到加密的消息，最后利用密钥通过解密算法最终恢复出原始待发送的消息。其具体步骤如下：

步骤R1：利用水听器及相应的前端放大和调理电路，对水下环境中的声学信号进行采样；

步骤R2：将采样的信号在通信计算模块进行缓存；

步骤R3：利用已知的同步信号对采集的信号进行同步检测，检测是否存在通信信号，可采用扩频通信中的滑动相关检测法实现对通信信号的检测；

步骤R4：上述检测过程需要发送端所加的同步信号原型，这一信号需通信双发事先约定；

步骤R5：如果检测到有通信信号存在，则对信号进行水印的析取，其过程是嵌入水印的逆过程，具体步骤将在以下部分进行详细介绍；

步骤R6：恢复出待发送的消息或信息。

上述过程中，对于水印析取的具体步骤如图7所示：

步骤R5-1：依据发送端所采用的M进制的映射关系，产生M种析取检测信号，具体析取检测信号的产生如图7所示，把析取检测信号记为其中i表示第i种析取检测信号，T为信号持续时间。

步骤R5-2：将接收信号r(t)分别与析取检测信号进行如下处理：

$z_i\left(T\right)=\underset{T}{\∫}r\left(t\right)\·g_T^i\left(t\right)\mathrm{dt}$

步骤R5-3：上述步骤将输出M个统计量z_i(T)，因此可以采用最大似然判决准则得到数据的估计值d′(t)；

步骤R5-4：采用映射的逆过程f^-1(·)，将估计值进行f^-1(d′(t))的操作，得到发送端映射前的信息，此时信息是待发送消息的加密信息；

步骤R5-5：利用密钥，采用与发送端相对应的加密算法的解密算法，将信息恢复为原始发送信息；

步骤R5-6：解密算法的密钥与发送端加密的密钥一致；

步骤R5-7：得到原始消息。

步骤R5-1中，析取检测信号的产生方法如图8所示，步骤如下：

步骤R5-1-1：析取信号的产生需要已知发送端所使用的载体信号，此过程可以通过预先存储；

步骤R5-1-2：依据发送端所产生的随机相位信号，在本地产生相对应的随机相位信号；

步骤R5-1-3：对上述步骤R5-1-1、步骤R5-1-2中的两种信号在频域相乘后求傅里叶逆变换，得到时域信号；

步骤R5-1-4：将得到的复数时域信号求共轭运算；

步骤R5-1-5：得到析取检测信号

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于船舶辐射噪声的水声隐蔽通信方法，其特征在于：包括发送端的处理方法和接收端的处理方法；

发送端的处理方法包括如下步骤：

(a1)采集船舶辐射噪声信号或根据船舶辐射噪声的数学模型计算产生船舶辐射噪声信号，对所述船舶辐射噪声信号的频谱进行估计，得到载体信号y(t)，其对应的频谱为Y(ω)；

(a2)产生基于待发送消息或信息的数字水印信号w(t)，其对应的频谱为W(ω)；

其中，基于待发送消息或信息的水印信号的产生方法步骤如下：

步骤a2-1：通信双方预先设定密钥，设为K；

步骤a2-2：与密钥K采用加密算法对待发送的消息S进行加密处理；

步骤a2-3：设加密后的消息序列为S′；

步骤a2-4：依据具体消息的形式，设计消息映射原则，设映射原则表示为f(·)；

步骤a2-5：将加密的信息序列进行分组，对分组的形式以所用的符号进制为依据，设分组以后的序列为U,则通过映射原则将U进行映射，生成相对应的随机序列的生成参数f(U)；

步骤a2-6：根据参数序列f(U)，产生相应的随机序列；

步骤a2-7：依据产生的随机序列，生成随机相位信号e^-jθ(ω)，其中w表示频率；

步骤a2-8：依据上述的处理在频域生成基于待发送消息或信息的水印信号；

(a3)将步骤(a2)中的水印信号嵌入步骤(a1)中的载体信号，得到嵌入水印的频域信号X(ω)，再对其进行逆变换，得到水印嵌入通信信号x(t)；

(a4)按照“同步信号+水印嵌入通信信号”的格式形成最终要发送的信号z(t)；

(a5)将要发送的信号z(t)进行数模转换，经功率放大后由低频换能器将水声通信信号发射，实现通信信号的发送；

接收端的处理方法包括如下步骤：

(b1)采样水下环境中的声学信号；

(b2)利用前述步骤(a4)中的同步信号对采样的信号进行同步检测，检测是否存在通信信号，如果存在，转步骤(b3)，否则返回步骤(b1)；

(b3)对存在通信信号的采样信号进行水印析取，恢复出待发送消息或信息。

2.如权利要求1所述的一种基于船舶辐射噪声的水声隐蔽通信方法，其特征在于：所述步骤(b3)中，水印析取的具体步骤是：

步骤b3-1：依据发送端所采用的映射关系f(·)，产生析取检测信号，把析取检测信号记为其中i表示第i种析取检测信号，T为信号持续时间；

步骤b3-2：将采样信号r(t)分别与析取检测信号进行如下处理：

$z_i\left(T\right)=\underset{T}{\∫}r\left(t\right)\·g_T^i\left(t\right)\mathrm{dt}$

其中，z_i(T)表示统计量；

步骤b3-3：采用最大似然判决准则得到数据的估计值d′(t)；

步骤b3-4：采用映射的逆过程f^-1(·)，将估计值进行f^-1(d′(t))的操作，得到发送端映射前的信息，此时信息是待发送消息的加密信息；

步骤b3-5：利用步骤a2-1中的密钥，采用与发送端相对应的加密算法的解密算法，将信息恢复为原始发送信息，恢复出待发送消息或信息。

3.如权利要求2所述的一种基于船舶辐射噪声的水声隐蔽通信方法，其特征在于：所述步骤b3-1析取检测信号的产生方法步骤如下：

步骤b3-1-1：依据步骤a2-7中发送端生成的随机相位信号，在本地产生相对应的随机相位信号；

步骤b3-1-2：将发送端所使用的载体信号和前述产生的随机相位信号在频域相乘，然后求取傅里叶逆变换，得到时域信号；

步骤b3-1-3：将得到的复数时域信号求共轭运算，得到析取检测信号。

4.如权利要求1所述的一种基于船舶辐射噪声的水声隐蔽通信方法，其特征在于：所述步骤(a3)中，将水印信号W(ω)嵌入载体信号Y(ω)采用频域的嵌入方式，嵌入规则为：

X(ω)＝Y(ω)·W(ω)·H(ω)

其中，H(ω)表示通信环境所对应的信道幅频传输函数，X(ω)表示嵌入水印的频域信号。

5.如权利要求1所述的一种基于船舶辐射噪声的水声隐蔽通信方法，其特征在于：所述步骤(a4)中，所述同步信号采用步骤(a1)中的船舶辐射噪声信号。

6.一种基于船舶辐射噪声的水声隐蔽通信系统，其特征在于：包括传感器模块、处理模块、通信模块和供电模块；

传感器模块包括顺序连接的传感器、信号调理与滤波电路、A/D转换电路和Flash，其中，传感器将采集的姿态信息送入信号调理与滤波电路，经预处理后送入A/D转换电路进行A/D转换，然后送入Flash缓存；

处理模块包括CPLD、SRAM和DSP处理器，其中，CPLD将缓存于Flash中的数据存储到SRAM中，为DSP处理器提供需要处理的数据，同时将DSP处理器处理的信息送入SRAM存储；所述DSP处理器与通信模块进行数据传输；

通信模块包括收发合置换能器、发射功率模块、接收调理电路、A/D转换器、D/A转换器、值班电路和晶振模块，其中，D/A转换器连接处理模块中的DSP处理器，将处理后的信息进行D/A转换后通过发射功率模块送入收发合置换能器；所述收发合置换能器的输出端还连接接收调理电路，对数据进行放大、滤波和增益控制后送入A/D转换器进行A/D转换，然后送入DSP处理器进行处理；值班电路分别连接DSP处理器和接收调理电路，在其信号控制下唤醒第二电源模块；晶振模块连接DSP处理器；

供电模块包括两个电源模块，第一电源模块为收发合置换能器、接收调理电路、值班电路和传感器模块供电，第二电源模块为DSP处理器、A/D转换器、D/A转换器和发射功率模块供电。