CN103618583B - 水声扩频通信对抗方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水声扩频通信对抗方法，通过循环谱对直扩信号进行准确检测、参数估计和解扩，采用神经网络法估计出扩频码，然后采用产生式干扰方式，以最小的功率达到有效干扰目的，在未知扩频码的情况下用转发式干扰的方式达到有效干扰目的。本发明通过采用谱相关法能够有效地对低信噪比下的直扩信号进行检测，并且能够更精确地估计出信号的载波频率、扩频码速率等参数；本发明采用神经网络法具有高速运算能力、自适应学习能力及计算过程中向量的中间值不需扩频存储等优点。本发明同时提供产生式干扰和转发式干扰两种方式，设置信号检测时间门限，在确定干扰方式的同时提高干扰效果。

Description

水声扩频通信对抗方法

技术领域

本发明涉及一种水声扩频通信对抗方法，尤其涉及一种基于循环谱的水声扩频通信对抗方法，属于水下通信对抗技术领域。

背景技术

目前，从水声对抗的技术发展来看，大部分的水声对抗设备主要是针对自导鱼雷的巨大威胁而设计的，如气幕弹、噪声干扰器、声诱饵、噪声模拟器等都是用于诱骗、干扰敌方声纳和声自导鱼雷的探测，从而免受敌方的鱼雷攻击。

近年来，随着水声探测、识别和跟踪技术在各种作战平台探测器和鱼雷制导技术装备中的广泛应用，现在舰艇不仅在进攻手段上有了极大的提高，而且防御手段也得到了日益完善。具体表现在过去那种单靠机动摆脱地方探测、跟踪或规避来袭鱼雷的方法在今天已经不能奏效，取而代之的是利用各种水声对抗器材对其进行干扰、迷惑和诱骗。因而针对水声通信的对抗技术和相应的对抗器材急需出现。

申请号为201010500898.0的专利文献《一种蛙人用便携式水声通信设备与方法》公开了一种由线性调频脉冲与混沌调频调相脉冲组成的同步双脉冲，同时解决多用户水下通信的信号检测、用户标识和多用户解调时的互干扰影响。但是其无法对周围的水下设备产生对抗干扰，反而受其它干扰而影响水下的通信设备运行的准确性。同时，现有技术的水声扩频通信对抗方法主要是用时域相关检测法对扩频信号进行检测和参数估计，进而估计出扩频码周期和信息码速率，但是其系统结构简单且测量精度较差。除此之外，由于通过矩阵特征分解法来获取扩频码存在缺陷，即协方差矩阵特征分解的不唯一性会造成估计到的扩频码序列存在相位不确定性。目前对于直接序列扩频信号的干扰样式有功率型干扰和欺骗型干扰两大类型。干扰的情况又分为已知扩频码的情况下的干扰和未知扩频码的情况下的干扰，而目前设备往往只考虑其中的一部分，导致干扰的功率利用率低。基于本领域现有技术的状况，针对现有的通信对抗技术进行研究改进，具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水声扩频通信对抗方法，一是通过循环谱对直扩信号进行准确检测、参数估计和解扩，采用神经网络法估计出扩频码，然后采用产生式干扰方式，以最小的功率达到有效干扰目的，二是未知扩频码的情况下用转发式干扰的方式达到有效干扰目的，将现有的资源充分利用。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种水声扩频通信对抗方法，步骤如下：

(1)水声换能器将接收到的水声信号传输到水声扩频通信对抗系统的电子设备中的侦察模块进行前置放大、带通滤波、自动增益、A/D转换信号预处理；

(2)对预处理后的水声信号是否存在目标直扩信号进行判断，采用循环谱相关函数估计，通过判别在α≠0处有无谱线即峰值存在来检测目标直扩信号是否存在，若有峰值存在则有目标直扩信号存在，则转向步骤(3)，若无峰值存在则无目标直扩信号存在，则返回步骤(1)；

(3)对接收到的直扩信号x(t)，利用循环谱密度函数性质S^α(f)，即直扩信号谱相关密度函数的包络S^α(f=0)沿α轴对称，在α域正半轴内进行峰值搜索，计算扩频信号f=0处的包络所述α为循环频率，f为频率，T_c为扩频码元宽度，找出包络中最大峰值对应的α值，记为α_max，载波频率估计值f_c=α_max/2，且此α值包含有扩频码速率R_c信息，重复步骤(3)，对接收到的直扩信号进行三次循环谱估计并取平均估计值，得出最终载波频率估计值f_c；

(4)估计出载波频率后，以α_max为基准点，分别向两侧搜索最大值，记录两个最大值所对应的α值α₊₁和α_-1，扩频码速率的估计值则为：R_c1=|α_max-α₊₁|，R_c2=|α_max-α_-1|，再对R_c1和R_c2取平均值，得到扩频码速率R_c，重复步骤(4)，对直扩信号进行三次循环谱估计并取平均估计值，作为扩频码速率的最终估计

(5)再取f=f_c时，对直扩信号进行谱相关估计得出相应的包络估计出直扩信号的载波频率和扩频码速率，若得到与当f=0时获得的载波频率和扩频码速率相同值则转入步骤(6)，否则返回步骤(1)；

(6)判断是否能在一分钟内估计得到直扩信号的载波频率和扩频码速率，若能在一分钟内得到直扩信号的载波频率和扩频码速率则转向步骤(7)主否则转向步骤(8)；

(7)在通过谱相关估计之后得到直扩信号的载波频率和扩频码速率后，采用神经网络法将接收到的直扩信号输入神经网络，经过Hebbian学习算法，该神经网络的突触权将收敛于扩频码序列，从而通过这些突触权值估计出扩频码序列；同时系统实施产生式相关干扰，即利用虚假信息或者特定信息调制到伪扩频码序列，形成与直扩信号基本一致的欺骗信号；

(8)在一分钟内无法获取载波频率和扩频码速率时，采用转发式相关干扰，将接收到的直扩信号经过延时和放大后，再转发出去。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，不同于现有技术采用时域相关检测法估计参数和采用高斯白噪声调制的大功率压制式干扰器，本发明通过采用谱相关法能够有效地对低信噪比下的直扩信号进行检测，并且能够更精确地估计出信号的载波频率、扩频码速率等参数；由于通过矩阵特征分解法来获取码存在缺陷，即协方差矩阵特征分解的不唯一性会造成估计到的扩频码序列存在相位不确定性，本发明采用神经网络法具有高速运算能力、自适应学习能力及计算过程中向量的中间值不需扩频存储等优点。本发明同时提供产生式干扰和转发式干扰两种方式，设置信号检测时间门限，在确定干扰方式的同时提高干扰效果。

附图说明

图1是本发明水声扩频通信对抗系统的组成结构图；

图2是本发明水声扩频通信对抗系统中电子设备的整体结构图；

图3是本发明水声扩频通信对抗系统的电路图；

图4是本发明水声扩频通信对抗方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，水声扩频通信对抗系统主要由水声换能器、蓄电池、记录器、电子设备、海水电池和浮力调整器构成。各部分功能作用如下：

水声换能器：作为换能器器件，用于进行声电信号转换，其作用是接收水声信号辐射干扰信号，由于本发明需要系统收发同步，则采用收发各一个换能器；

海水电池：供给整个装置的能源，保证装置持续工作；

蓄电池：供给高压电源，即为电子设备提供所需要的电源；

记录器和励磁机：这是重发型干扰器，即回声重发器所具备的。它把接收到的主动声信号放大后，记录在转磁鼓上，放大后又连续或断续地转发回去，使主动声纳或主动声自导鱼雷收到多次的回波干扰，难以分辨目标。当没有收到主动信号时，则干扰器仍发宽带或调频噪声；

浮力调整器：它有两个作用，一个是保持干扰器在水中基本成竖直状态；二是使干扰器保持在预订的深度，相当于一个定深器。它可由化学药物和一个压力推动的阀组构成。当海水由小孔进入与化学药物接触时，就保持在原定的深度上。当化学药物用完后不再产生气体时，则此装置自动沉入海底。

电子设备：是水声扩频通信对抗系统处理核心，是产生干扰噪声信号的发生器和放大器。如图2所示，包括侦察模块、控制模块和干扰模块三个部分。

侦察模块：与换能器相连接，用于对接收到的目标信号进行数据处理包括信号检测、信号参数估计和码序列恢复。侦察模块包括前置放大模块、带通滤波器模块、自动增益模块、A/D转换模块、数据存储和网络通信模块、功放模块。前置放大模块：对接收到的信号进行低噪声放大；带通滤波器模块：与前置放大模块相连，对低噪声放大的信号进行干扰滤除；自动增益控制模块，与带通滤波器相连，对滤波后的信号进行可变增益的放大；A/D转换模块，与自动增益控制模块和微处理器模块相连接将自动增益控制模块输出的模拟信号转换为数字信号，并传输给微处理器模块进行数字信号处理；数据存储和网络通信模块，与微处理器模块相连，将所述的数字信号传输给主处理机；功放模块：与微处理器模块相连，将数字信号放大，进行下一模块操作。

干扰模块：根据控制模块提供的干扰样式决策的控制，产生最佳干扰信号。所述的干扰模块包括功率放大器、D/A转换电路、DDS和DS也处理器，其中，DDS是直接数字式频率合成器，可以产生常见的FSK、PSK等调制信号，也能产生常见单调制信号、白噪声等干扰样式。美国AD公司的AD89C52芯片内部包含高速、高性能D/A转换器及高速比较器，以形成可编程、可灵活实用的频率合成功能从而被采用。工作时，DDS根据DSP处理器调用对应软件，设置AD8952的频率控制字和相位控制字，产生需要的干扰信号。

控制模块：根据侦察模块提供的目标信号各参数，分析并形成相应的干扰决策，同时负责整个装置的工作，包括控制目标信号的收发和装置深度。如图3所示，控制模块包括微处理器模块和主处理机。

微处理器模块：与主处理机相连，对整个装置的工作进行控制，包括数据处理的控制、数据存储的控制和时钟控制。

其中，主处理器是设备的中枢，包括侦察模块、控制模块、干扰模块三个模块共用同一个主处理器，几乎所有的数据和指令都需要经过主处理器进行处理和调度。主处理器芯片的选用需要考虑三个方面的性能，一方面是运算能力和并行处理能力，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，三是要考虑成本的问题。结合以上方面选用Austek公司的PDSP16150芯片。

如图4是本发明的水声扩频通信对抗方法的流程图，包括步骤如下：

步骤S4-1中，水声换能器将收到的水声目标信号传输到电子设备中的侦察模块中进行前置放大、带通滤波器、自动增益、A/D转换等信号预处理，得到所需信息的水声信号。

步骤S4-2、S4-3、S4-4，S4-5中，处理后的水声信号是否存在目标直扩信号未知，采用循环谱相关函数估计，通过判别在α≠0处有无谱线即峰值存在来检测目标直扩信号是否存在。若有峰值存在则目标扩频信号存在转向步骤S4-6；若没有则转向步骤S4-1。

步骤S4-6，S4-7中，对接收到的直扩信号x(t)，利用循环谱密度函数性质S^α(f)，即直扩信号谱相关密度函数的包络S^α(f=0)沿α轴对称，在α域正半轴内进行峰值搜索，计算扩频信号f=0处的包络所述α为循环频率，f为频率，T_c为扩频码元宽度，找出包络中最大峰值对应的α值，记为α_max，载波频率估计值f_c=α_max/2，且此α值包含有扩频码速率R_c(R_c=1/T_c)信息，为了确保载波频率的准确性，对接收到的直扩信号进行三次循环谱估计并取平均估计值，得出最终载波频率估计值f_c；

信号中叠加的高斯平稳白噪声，由于平稳噪声的循环谱密度主要集中在零循环频率处，对非零循环频率处的信号特征峰值干扰非常小，尤其在强背景噪声下，零循环频率处的信号频谱往往淹没在噪声中。所以在α≠0时检测，可以仅获得信号的相关函数或谱相关输出，而不会存在高斯白噪声的影响。

基本原理：设设收到噪声干扰的接收到信号为x(t)=s(t)+n(t)，s(t)为直扩信号，n(t)为平稳高斯白噪声。s(t)具有循环平稳特性，则在非零循环频率处，会有离散谱线的生成，而平稳噪声在非零循环频率处为零，且循环平稳信号与平稳信号的循环互相关也是平稳的，用数学语言表示即

扩频信号

上式(4.1)中，q(t)为调制脉冲串，T_c为扩频码元宽度，f_c为载波频率，t₀为初始时间，为初相位，θ_n∈{-π,π}为信息码调制载波相位对应值。简化公式则得到的谱相关密度函数为

上式(4.2)中，k为整数，Q(f)的函数表达式为

Q^*(f)为Q(f)的复数共轭。

当f=0时，谱相关密度函数的包络为：

由上式(4.4)可知，直扩信号谱相关密度函数的包络S^α(f=0)沿α轴对称，且在α=±2f_c时出现最大值，在时出现次大值，且此α值包含有扩频码速率R_c(R_c=1/T_c)信息。

步骤S4-8、S4-9、S4-10中，估计出载波频率后，以α_max为基准点，分别向两侧搜索最大值，记录两个最大值所对应的α值α₊₁和α_-1，扩频码速率的估计值则为：R_c1=|α_max-α₊₁|，R_c2=|α_max-α_-1|，再对R_c1和R_c2取平均值，得到扩频码速率R_c，为了确保准确性对信号进行三次循环谱估计取平均估计值，作为扩频码速率的最终估计

步骤S4-11、S4-12、S4-13，S4-14中，为了确保得到载波频率和扩频码速率的准确性，再取f=f_c时，对信号进行谱相关估计得出相应的包络估计出直扩信号的载波频率和扩频码速率，若得到与当f=0时获得的载波频率和扩频码速率相同则转入步骤S4-15否则返回步骤S4-1。

步骤S4-15中，考虑到水声信道的时变多径影响，会导致信号进行循环谱估计的时间延长。观察是否能在一分钟内估计得到直扩信号的载频和扩频码速率。若得到直扩信号的载波频率、扩频码速率和扩频码序列则转向步骤S4-16，否则转向步骤S4-21。

步骤S4-16中，在通过谱相关估计之后得到直扩信号的载波频率和扩频码速率后，采用神经网络法将接收到的直扩信号输入神经网络，经过Hebbian学习算法，该神经网络的突触权将收敛于扩频码序列，从而通过这些突触权值估计出扩频码序列。

神经元接收一个有N个输入信号x₁,x₂,…x_N的集，代表了已经分段的周期直扩信号，其对应的N个突触权值分别为w₁(n),w₂(n)…w_N(n)，其符号函数分别代表了被估计的扩频码序列p[i]=±sgn(w_i),i=1,2…N，模型的输出y被定义如下：

根据Hebbian学习规则，网络的突触权值w_i是随时间变化的，当输入信号x_i和输出信号y相互一致时，w_i增强，得出：

w_i(n+1)=w_i(n)+βy(n)[x_i(n)-y(n)w_i(n)] (4.5)

为了描述方便，令：

设神经网络的输入为：x(n)=[x₁(n),x₂(n)…x_N(n)]^T

突触权向量为：w(n)=[w₁(n),w₂(n)…w_N(n)]^T

输出为：

则神经网络使用带约束的Hebbian算法(CHA)可以描述为：

w(n+1)=w(n)+βy(n)[x(n)-y(n)w(n)] (4.7)

w(n+1)=w(n)+β[x(n)x^T(n)w(n)-w^T(n)x(n)x^T(n)w(n)w(n)] (4.8)

假设输入向量x(n)的协方差矩阵为R，且其对应最大特征值λ₁的特征向量为q₁，则可以得到，该神经网络的权向量w(n)满足：

由于λ_k代表着变化中的信号功率，而取神经网络的突触权值向量w(t)对应的符号序列p(t)=(p₁,p₂…p_N)=sgn(w(t))表示所估计的扩频码序列，那么在神经网络收敛后有λ_k→λ₁，并且有即在神经网络收敛后输出功率对应了λ₁，且突触权值矢量w(t)的符号序列p(t)收敛到扩频码原序列或扩频码反序列。

步骤S4-17，S4-18，S4-19，S4-20中，在获取载频，扩频码周期，扩频码速率和扩频码序列的前提下，系统实施产生式相关干扰，即利用虚假信息或者特定信息调制到伪扩频码序列，形成与直扩信号基本一致的欺骗信号。当直扩通信系统的接收机收到真实信号和产生式干扰信号时，由于干扰信号功率较大，很容易被接收机捕获并跟踪，使接收机输出错误的信息。产生式干扰必须满足以下三点要求：

①需要比较准确地获得直扩信号的各种参数；

②干扰信号需要与直扩信号在时间上同步；

③干扰信号一定要逼真。

步骤S4-21，S4-22，S4-23中，由于水声信道的影响，在一分钟内无法获取扩频码序列参数时，进而无法获得扩频码序列，系统采用转发式相关干扰，将侦察系统接收到的直扩信号经过一定的延时和放大后，再转发出去。对于直扩通信系统的接收机来说，如果同时接收到同两个信号，它们之间只是延时不同、幅度不同。由于干扰信号比较强，使它先被接收机捕获。在整个受干扰区域内，所有的直扩接收机都将优先捕获干扰信号。

综上所述，本发明提出了一种针对水声直扩信号的水声通信对抗方法，对直扩信号进行两次检测，利用循环谱相关函数估计多次估计取平均值得出直扩信号的载频、扩频码速率等参数估计，在此基础上，采用神经网络法估计出扩频码序列。本发明的针对水声直扩信号的水声通信对抗系统，根据谱相关估计出的载频、扩频码周期、扩频码速率、扩频码序列等参数，采用产生式干扰和转发式干扰两种方式有针对性的对扩频通信进行干扰。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (1)

1.一种水声扩频通信对抗方法，其特征在于，该方法包含下列步骤：

(1)水声换能器将接收到的水声信号传输到水声扩频通信对抗系统的电子设备中的侦察模块进行前置放大、带通滤波、自动增益、A/D转换信号预处理；

(2)对预处理后的水声信号是否存在目标直扩信号进行判断，采用循环谱相关函数估计，通过判别在α≠0处有无谱线即峰值存在来检测目标直扩信号是否存在，若有峰值存在则有目标直扩信号存在，则转向步骤(3)，若无峰值存在则无目标直扩信号存在，则返回步骤(1)；

(3)对接收到的直扩信号x(t)，利用循环谱密度函数性质，即直扩信号谱相关密度函数的包络S^α(f＝0)沿α轴对称，在α域正半轴内进行峰值搜索，计算扩频信号f＝0处的包络所述α为循环频率，f为频率,T_c为扩频码元宽度，找出包络中最大峰值对应的α值，记为α_max，载波频率估计值f_c＝α_max/2，且此α值包含有扩频码速率R_c信息，重复步骤(3)，对接收到的直扩信号进行三次循环谱估计并取平均估计值，得出最终载波频率估计值f_c；

(4)估计出载波频率后，以α_max为基准点，分别向两侧搜索最大值，记录两个最大值所对应的α值α₊₁和α_-1，扩频码速率的估计值则为：R_c1＝|α_max-α₊₁|，R_c2＝|α_max-α_-1|，再对R_c1和R_c2取平均值，得到扩频码速率R_c，重复步骤(4)，对直扩信号进行三次循环谱估计并取平均估计值，作为扩频码速率的最终估计

(5)再取f＝f_c时，对直扩信号进行谱相关估计得出相应的包络估计出直扩信号的载波频率和扩频码速率，若得到与当f＝0时获得的载波频率和扩频码速率相同值则转入步骤(6)，否则返回步骤(1)；

(6)判断是否能在一分钟内估计得到直扩信号的载波频率和扩频码速率，若能在一分钟内得到直扩信号的载波频率和扩频码速率则转向步骤(7),否则转向步骤(8)；

(7)在通过谱相关估计之后得到直扩信号的载波频率和扩频码速率后，采用神经网络法将接收到的直扩信号输入神经网络，经过Hebbian学习算法，该神经网络的突触权将收敛于扩频码序列，从而通过这些突触权值估计出扩频码序列；同时系统实施产生式相关干扰，即利用虚假信息或者特定信息调制到伪扩频码序列，形成与直扩信号基本一致的欺骗信号；

(8)在一分钟内无法获取载波频率和扩频码速率时，采用转发式相关干扰，将接收到的直扩信号经过延时和放大后，再转发出去。