CN105185382A - 一种基于时频谱伸缩的仿海豚哨声水声通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于仿生水声通信领域，具体涉及的是一种基于时频谱伸缩的仿海豚哨声水声通信方法。本发明将传输二进制信息转化为十进制信息；提取真实海豚哨声信号时频谱轮廓曲线；将所述帧信号经过功率放大后通过换能器送入水声信道；使用水听器接收信号；对接收信号进行同步。由于技术方案对选取的真实海豚哨声信号样本的特征和数量没有特殊要求，因此，海豚哨声信号样本可根据水声通信应用的海域和具体的通信需求灵活选取；信息调制是采用将真实海豚哨声信号时频谱轮廓曲线伸缩的方式，合成的编码信号符合海豚哨声信号特点，具有很强的隐蔽性。

Description

一种基于时频谱伸缩的仿海豚哨声水声通信方法

技术领域

本发明属于仿生水声通信领域，具体涉及的是一种基于时频谱伸缩的仿海豚哨声水声通信方法。

背景技术

近年来，随着现代探测技术的发展，对水声通信提出了隐蔽性的要求。传统的隐蔽水声通信方法多从低信噪比角度出发，将信号隐藏在海洋背景噪声中实现隐蔽通信的效果。但是，这种方法同时降低了通信距离。与低信噪比隐蔽水声通信不同，仿生隐蔽水声通信采用仿生伪装的方法，采用水声环境中自然存在的生物信号做调制波形，达到隐蔽的效果。

中国专利说明书CN103368660A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。该方法将海豚哨声信号应用于差分Pattern时延差编码通信体制中，以达到仿生隐蔽通信的目的。中国专利说明书CN103401619A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哨声信号进行调制，实现隐蔽通信。但是，在这两种通信体制下，为了降低在接收端进行相关解码的误码率，对选取的哨声信号之间具有相关性要求，哨声信号样本需求量较大。中国专利说明书CN104217722A公开了一种海豚哨声信号时频谱轮廓提取方法，但未将其应用于水声通信之中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使用任意单一海豚哨声信号样本实现仿海豚哨声隐蔽水声通信的基于时频谱伸缩的仿海豚哨声水声通信方法。

本发明的目的是这样实现的：

发送端，

(1)将传输二进制信息转化为十进制信息；

(2)提取真实海豚哨声信号时频谱轮廓曲线，根据(1)中所述十进制信息对所述轮廓曲线进行伸缩变换，实现信息调制；

(3)将(2)中调制后的轮廓曲线合成仿生通信信号；

(4)在所述仿生通信信号前添加原始哨声信号作为同步信号，所述同步信号与所述仿生通信信号之间插入零序列作为保护间隔，形成一帧信号；

(5)将所述帧信号经过功率放大后通过换能器送入水声信道；

接收端，

(6)使用水听器接收信号；

(7)对接收信号进行同步，由同步信号的相关峰位置时刻加上保护间隔的长度确定信号开始的时刻，从所述接收信号中提取仿生通信信号；

(8)从(7)中所述仿生通信信号中提取时频谱轮廓曲线；

(9)将(8)所述提取的时频谱轮廓曲线与(2)中所述真实海豚哨声信号时频谱轮廓曲线对比，获得十进制调制信息；

(10)将(9)所示十进制信息转化为二进制信息，实现信息解码。

所述步骤(1)中所述将二进制信息转化为十进制信息和步骤(10)中所述将十进制信息转化为二进制信息，均采用格雷码映射的方法。

由于技术方案对选取的真实海豚哨声信号样本的特征和数量没有特殊要求，因此，海豚哨声信号样本可根据水声通信应用的海域和具体的通信需求灵活选取；信息调制是采用将真实海豚哨声信号时频谱轮廓曲线伸缩的方式，合成的编码信号符合海豚哨声信号特点，具有很强的隐蔽性。

作为本发明的进一步改进，可以在将二进制信息转化为十进制信息以及十进制信息转化为二进制信息时，采用格雷码映射的方法。由于相邻的十进制数转化为二进制格雷码时只有1bit信息不同，因此应用该转化方法可以有效地降低通信误码率。

附图说明

图1为基于时频谱伸缩的仿海豚哨声水声通信流程图；

图2为瞬时频率相位转化结果；

图3为能量幅度转化结果；

图4为仿生信号合成结果；

图5为时频谱压缩仿生通信信号帧结构；

图6为时频谱扩展仿生通信信号帧结构；

图7为接收仿生信号时频谱轮廓曲线和原始哨声信号时频谱轮廓曲线。

具体实施方式

下面结合附图对具体实施方式进行详细描述。

本发明公开了一种基于时频谱伸缩的仿海豚哨声水声通信方法。在发射端，将真实海豚哨声信号时频谱轮廓曲线伸缩调制加载数字信息，以调制后的轮廓曲线为基础进行信号合成得到仿生通信信号，在仿生通信信号前添加原始哨声信号作为同步信号，形成一帧发射信号。在接收端，通过同步信号相关确定仿生通信信号的起始位置，提取接收仿生信号时频谱轮廓曲线，解调伸缩系数，实现信息解码。该仿生通信方法对真实海豚哨声信号样本的特征和数量没有特殊要求，合成的编码信号符合海豚哨声信号特点，具有很强的隐蔽性。

本发明涉及一种基于时频谱伸缩的仿海豚哨声水声通信方法。其具体流程如图1所示。在信号的发送端：

步骤1：将输入的二进制信息转化为十进制信息。作为发明的优选方式，可以采用格雷码映射的方法进行转换。

步骤2：提取真实海豚哨声信号时频谱轮廓曲线，将哨声信号第r次谐波在每个采样点的频率值表示为f_r[n]。基于时频谱伸缩的仿海豚哨声水声通信是使哨声信号所有谐波分量中心频率不变，通过调制频率范围的压缩或扩展系数加载数字信息，其具体可以表示为：

$f_{r0}=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{f}_r\[n\]---\left(1\right)$

其中，f_r0表示第r次谐波的中心频率，N表示第r次谐波的长度。

f′_r[n]＝f_r0+a(f_r[n]-f_r0)(2)

在式(2)中，a是谐波频率压缩或扩展的系数，当a＞1时，信号频率范围扩展，当a＜1时，信号频率范围压缩。

若将哨声信号频率的压缩扩展系数的范围设置为A,即压缩或扩展系数a根据调制参数的大小在1/A～A的范围内变化，其具体可以表示为：

$a=\frac{(A-\frac{1}{A})*m}{M}+\frac{1}{A}---\left(3\right)$

其中，m表示调制参数，M表示调制参数能够取得的最大值。

步骤3：根据步骤2中伸缩调制后的时频谱轮廓曲线f′_r[n]合成仿生通信信号。

海豚哨声信号是一个调频谐波信号，可以通过一组加权叠加的调频正弦信号表示为：

$s\[n\]=\underset{r=1}{\overset{R}{\Σ}}{a}_r\[n\]sin(2{\mathrm{\π\φ}}_r\[n\])---\left(4\right)$

其中，R是谐波次数，a_r[n]表示第r次谐波时第n点的幅度，φ_r[n]表示第r次谐波第n点的相位。由公式(4)可知，若要实现哨声信号合成，需要知道各次谐波中每个采样点的幅度和相位。

(A)瞬时频率相位转化

连续时间信号的瞬时频率可以表示为对相位的求导，所以相应的，对每一个采样点相位的估计可以表示为对瞬时频率的积分。根据伸缩调制后的海豚哨声信号时频谱轮廓曲线，可以得到哨声信号第r次谐波在每个采样点的频率值f′_r[n]。因此，可以将第r次谐波在每个采样点的相位表示为：

图2是通过瞬时频率积分得到的相位的结果，可以看出相位连续，随时间的变化单调递增。

(B)能量幅度转化

假设仿真所使用的哨声信号样本库中的真实哨声信号在L个数据范围内是平稳的。采用窗长度为L的短时傅里叶变换，则哨声信号x[n]的短时傅里叶变换可以表示为：

$X\[w,m\]=\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}x\[n\]w\[n-m\]\exp (-jwn)---\left(6\right)$

其中，w[n]表示宽度为L的窗函数。短时傅里叶变换结果X[w,m]是时间m和频率w的时频函数，当m固定不变，X[w,m]是关于频率w的标准傅里叶变换结果。采用海豚哨声信号时频谱轮廓提取方法，可以得到该哨声信号时频谱轮廓f_r[n]。用X_m[ω]表示第m个时间段傅里叶变换的结果。则在短时傅里叶变换所得的每一个时间段内的能力值e_r[m]可以表示为：

e_r[m]＝X_m[f_r[(m-1)*L+1]](7)

令每个数据块第一个采样点幅度为：

$a_r\[m\]=2\sqrt{e_r\[m\]}/L---\left(8\right)$

采用插值的方法，可以获得该数据块每一个采样点的值，最终得到第r次谐波在每个采样点上的幅度值a_r[n]。

图3即为哨声信号短时谱轮廓能量转化为每个采样点幅度的结果。

将所述每个采样点的幅度和相位带入公式(4)，进行仿生通信信号的合成，可以得到如图4所示的仿生信号合成时域波形和时频图。合成的仿生信号与原哨声信号相比，信号时频谱轮廓形状相似，只进行了频率上的伸缩。

为简明起见，仅以时频谱基波轮廓曲线合成仿生信号进行以下说明。

步骤4：在所述仿生通信信号前添加原始哨声信号作为同步信号，所述同步信号与所述仿生通信信号之间插入零序列作为保护间隔，形成一帧信号。具体形式如图5和图6所示，其中，在图5中对仿生调制信号进行了压缩调制，频率压缩系数是0.6；在图6中对仿生调制信号进行了扩展调制，频率扩展系数是1.6。

步骤5：将所述帧信号经过功率放大后通过换能器发射出去。

在信号的接收端：

步骤6：使用满足仿生信号频率范围的水听器接收信号。

步骤7：使用同步信号对接收信号相关处理，可以获得清晰的相关峰。由相关峰位置时刻加上保护间隔的长度确定信号开始的时刻，从所述接收信号中提取仿生通信信号；

步骤8：从步骤7中得到的接收仿生通信信号中提取时频谱轮廓曲线。

步骤9：将步骤8中所提取的时频谱轮廓曲线与步骤2中所述原始海豚哨声信号时频谱轮廓曲线进行比较，解调调制十进制信息。提取的接收仿生信号时频谱轮廓曲线和原始哨声信号时频谱轮廓曲线如图7所示。

由于仿生调制信号的中心频率不变，可以首先根据已知的中心频率值f_r0确定中心频率点的位置。将中心频率两侧的点与原始哨声信号时频谱轮廓曲线比较，进行步骤2的逆运算，获得对应点的压缩或扩展系数。根据各点压缩或扩展系数加权平均的结果，可以解码调制信息。

需要注意的是，中心频率点附近的采样点频率值的变化幅度很小，在解调时容易产生误差。在取点计算压缩扩展系数时，应当从与中心频率点相隔一段距离处开始取点，并依次选取远离中心频率点的采样点进行解码计算。

步骤10：采用步骤1的逆变换，将十进制信息转化二进制信息，实现信息解码。

以上实施例用以说明而非限制本发明的技术方案。不脱离本发明精神和范围的任意修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围之中。

Claims (2)

1.一种基于时频谱伸缩的仿海豚哨声水声通信方法，其特征在于：

发送端，

(1)将传输二进制信息转化为十进制信息；

(2)提取真实海豚哨声信号时频谱轮廓曲线，根据步骤(1)中所述十进制信息对所述轮廓曲线进行伸缩变换，实现信息调制；

(3)将步骤(2)中调制后的轮廓曲线合成仿生通信信号；

(4)在所述仿生通信信号前添加原始哨声信号作为同步信号，所述同步信号与所述仿生通信信号之间插入零序列作为保护间隔，形成一帧信号；

(5)将所述帧信号经过功率放大后通过换能器送入水声信道；

接收端，

(6)使用水听器接收信号；

(7)对接收信号进行同步，由同步信号的相关峰位置时刻加上保护间隔的长度确定信号开始的时刻，从所述接收信号中提取仿生通信信号；

(8)从步骤(7)中所述仿生通信信号中提取时频谱轮廓曲线；

(9)将步骤(8)所述提取的时频谱轮廓曲线与步骤(2)中所述真实海豚哨声信号时频谱轮廓曲线对比，获得十进制调制信息；

(10)将步骤(9)所示十进制信息转化为二进制信息，实现信息解码。

2.根据权利要求1所述的一种基于时频谱伸缩的仿海豚哨声水声通信方法，其特征在于：所述步骤(1)中所述将二进制信息转化为十进制信息和步骤(10)中所述将十进制信息转化为二进制信息，均采用格雷码映射的方法。