CN105871475A - 一种基于自适应干扰抵消的仿鲸鱼叫声隐蔽水声通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水声通信技术领域，具体涉及一种基于自适应干扰抵消的仿鲸鱼叫声隐蔽水声通信方法。本发明包括：选取合适的鲸鱼叫声信号，分析其时频特性，选择合适的时频区间用于扩频信号隐藏；将数字信源信息调制为直接序列扩频信号，扩频信号的频率范围需要在鲸鱼叫声信号的频带范围内；将步骤(2)产生的扩频信号与步骤(1)中选取的鲸鱼叫声信号相加，形成仿生通信信号等。本发明所述的基于自适应干扰抵消的仿鲸鱼叫声隐蔽水声通信方法，简单易行，可靠性高，既能保证通信信息的隐蔽性与安全性，又能很好的满足于水下隐蔽声通信系统需求。

Description

一种基于自适应干扰抵消的仿鲸鱼叫声隐蔽水声通信方法

技术领域

本发明属于水声通信技术领域，具体涉及一种基于自适应干扰抵消的仿鲸鱼叫声隐蔽水声通信方法。

背景技术

传统的隐蔽水声通信方法是将通信信号以“噪声”的形式引入到水声环境中，但这种方式存在一定的不足之处，就是被动声呐采用长时间积分探测仍可探测到这种“噪声”，因此该方法不具备绝对的安全性和隐蔽性。为提升传统隐蔽方法的隐蔽性，本发明从人耳听觉掩蔽效应角度出发，将低声源级的扩频信号隐藏在高声源级的鲸鱼叫声信号合适的时频分布区间，当通信信号被检测到时，会被当作海洋生物噪声而被排除，从而提高扩频信号的隐蔽特性。这种方法可以有效的保证传输信息的隐蔽性与安全性，且具有良好的通信效果。

公开的仿生伪装隐蔽通信方法中多是模拟海豚哨声和嘀嗒声等海豚叫声，将信息调制在这些叫声上，让探测方在识别这些信号时，把其当作海洋生物叫声而排除，从而实现伪装隐蔽通信目的，例如：中国专利说明书CN104967489A中公开的一种MSK信号嵌入海豚哨声信号的仿生水声通信方法，是将MSK信号嵌入到海豚哨声信号时频谱轮廓曲线中，实现仿海豚哨声信号；中国专利说明书CN105185382A公开的一种基于时频谱伸缩的仿海豚哨声水声通信方法，是将信息以海豚哨声信号时频谱轮廓曲线伸缩的方式加以调制，使得合成的编码信号符合海豚哨声信号的特点；中国专利说明书CN105391501A公开的一种基于时频谱平移的仿海豚哨声水声通信方法，是将信息调制在海豚哨声时频谱曲线的平移量上，然后在合成模拟的海豚哨声信号；中国专利说明书CN105227246A公开的一种利用分段LFM信号仿海豚哨声信号的水声通信方法，将信息调制在LFM信号上，通过LFM信号的组合来近似模拟海豚哨声信号；中国专利说明书CN103368660A中公开的一种基于差分Pattern时延差编码的仿生水声通信方法，是将海豚Whistles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。以上专利都是基于海豚哨声来进行仿生模拟通信，信息都调制在真实的哨声或者模拟的哨声中，而不是传统的扩频信号中。中国专利说明书CN104753561A中公开的一种抑制水声通信中多途干扰的直接序列扩频调制方法，是利用直接序列扩频调制来提高信息传输效率，而不是以隐蔽为主要目的。上述专利是通过模仿海豚叫声来提高通信的隐蔽性或者是通过方法的改进来提高通信的有效性，而不是基于人耳的听觉掩蔽效应，利用鲸鱼的叫声信号，来提高通信的隐蔽效果

发明内容

本发明的目的是提出一种实现仿生隐蔽水声通信的基于自适应干扰抵消的仿鲸鱼叫声隐蔽水声通信方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于自适应干扰抵消的仿鲸鱼叫声隐蔽水声通信方法，包括如下步骤：

发送端

(1)选取合适的鲸鱼叫声信号，分析其时频特性，选择合适的时频区间用于扩频信号隐藏；

选取频率低、声源级高的鲸鱼叫声信号作为掩蔽声音，选取在同一频带内的直接序列扩频信号作为被掩蔽声音，

归一化鲸鱼叫声信号用w(n)表示，其短时傅立叶谱为F_w(t,f)，其中t表示时间，f表示频率，

A_max＝max(F_w(t,f))

A_max为短时傅立叶变换后的最大幅度，令α为掩蔽门限系数，求出当F_w(t,f)＞α×A_max时，对应的w(n)信号的时间范围[t₁,t₂]和频率范围[f_L,f_H]，其中t₁为时间范围的起始时刻，t₂为时间范围的结束时刻，f_L为频率范围的最低频率，f_H为频率范围的最高频率，得到作为被掩蔽声音的直接序列扩频信号带宽B＝f_H-f_L，载波频率f_c＝(f_L+f_H)/2；

(2)将数字信源信息调制为直接序列扩频信号，扩频信号的频率范围需要在鲸鱼叫声信号的频带范围内；

首先通过扩频码序列产生器产生一组伪码c(t)，将信源信号a(t)与扩频码c(t)作模2加运算形成调制码，然后采用BPSK调制方式，控制载波cos(2πf_ct)，其中f_c为扩频信号的载波频率，即可得到扩频信号s₁(t)：

s₁(t)＝Aa(t)c(t)cos(2πf_ct)

其中，A是信源信号的幅度，并且保证a(t)的码元宽度T_b是扩频吗c(t)码元宽度T_c的整数倍；使扩频信号信号的频带宽度小于调整后的鲸鱼叫声信号的频带宽度；

(3)将步骤(2)产生的扩频信号与步骤(1)中选取的鲸鱼叫声信号相加，形成仿生通信信号，鲸鱼叫声信号既作为同步信号，又作为扩频信号的掩蔽信号；

掩蔽强度MS为归一化鲸鱼叫声功率与归一化扩频信号功率之比的对数，单位为分贝，即

MS＝10log(P_whale/P_DSSS)

其中，P_whale为鲸鱼叫声信号的功率，P_DSSS为扩频信号的功率，在给定掩蔽强度与鲸鱼叫声时，推算出扩频信号幅度衰减系数β，归一化扩频信号用s(n)表示，其长度应在时间范围[t₁,t₂]，合成后的含扩频信号的鲸鱼叫声信号，即仿生通信信号m(n)为：

$m\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}w\left(n\right)+\mathrm{\β}\×s\left(n\right)& n\∈\[t_1,t_2\]\\ w\left(n\right)& else\end{array}\right.;$

(4)将步骤(3)产生的通信信号发送到水声信道中，并在接收端接收信号；

接收端：

(5)利用步骤(1)中选取的鲸鱼叫声信号对接收信号进行同步；

同步时，将接受信号与步骤(1)中选取的鲸鱼叫声信号作拷贝相关处理，找到最大峰值的位置，即可确定通信信号的起始时间。

(6)基于步骤(1)选取的鲸鱼叫声信号，采用基于递推最小二乘法RLS的自适应干扰抵消法，在时域实现鲸鱼叫声信号和扩频信号的分离；

把原始扩频信号提取出来，提取得到的扩频信号s_extract(t)；

输入的参考信号为原始的鲸鱼叫声信号w(n)，滤波器的权系数矢量为l(n)，接收到的含有鲸鱼叫声的扩频信号x(n)＝w(n)+s(n)，期望得到的纯净的扩频信号为s_extract(n)，自适应相干抵消的处理过程如下：

首先，设置初始的l(n)＝0，定义中间量P(0)＝δ^-1L，L是N×N单位阵，δ为正值；

对于n＝0,1,2,3...，计算：

滤波：y(n)＝w^T(n)l(n)；

做差：s_extract(n)＝x(n)-y(n)；

求中间量：

系数更新：l(n)＝l(n-1)+P(n)w(n)w^T(n)s_extract(n)

重复上述过程，进行迭代运算，得到不含有鲸鱼叫声的离散扩频信号s_extract(n)，若将其表示为连续信号，则可以表示为s_extract(t)；

(7)对步骤(6)中得到的扩频信号进行解扩、解调，恢复信源信息；

直接序列扩频信号的解扩采用外差式解扩法，在接收机中，实现扩频信号的解扩是由混频器和中频滤波器组成的相关器完成的；参与混频的两个信号，一个是分离出的扩频信号s_extract(t)，另一个接收本地参考振荡信号cos[2π(f_c+f_IF)t]受本地参考扩频码c_r(t)调制形成的本地参考信号c_r(t)cos[2π(f_c+f_IF)t]，其中，f_IF是中频频率；

混频的过程就是这两个已调信号在时域上相乘的过程，即

s_extract(t)c_r(t)cos[2π(f_c+f_IF)t]

当发射端扩频码c(t)与本地参考扩频码c_r(t)完全同步时，

c(t)c_r(t)＝1

则输出信号就是被解扩且含有信息的中频带通信号a(t)cos(2πf_IFt)；

解调时采用相干解调法，通过本地振荡器产生一个与中频载波同频同相的本地相干载波参考信号cos(2πf_IFt)，将上述获得的已调信号通过乘法器，再通过低通滤波器，经过抽样判决后，得到解调信号，即得到原始信源信号a(t)。

本发明的有益效果在于：

上述的基于自适应干扰抵消的仿鲸鱼叫声隐蔽水声通信方法中，步骤1中使用的鲸鱼叫声信号可以是各类鲸鱼的叫声信号，分析其时频特性，选择合适的时频区间用于扩频信号的隐藏。对信源信息与扩频码组成的调制码通过BPSK调制方式，形成直接序列扩频信号，并保证扩频信号的频率范围在鲸鱼叫声信号频率范围内。根据高声源级的鲸鱼叫声信号可以掩盖低声源级的扩频信号的特点，把鲸鱼叫声信号与扩频信号相加，形成仿生通信信号。其中，鲸鱼叫声既作为同步信号，又作为扩频信号的掩蔽信号。在信号传输过程中，即使通信信号被检测到，含有数据的通信信号会被当作海洋生物叫声信号排除，从而提高扩频信号的隐蔽性，实现隐蔽通信。在接收端，对同步后的通信信号，采用自适应干扰抵消法在时域分离出扩频信号，再对扩频信号解扩、解调，恢复原始信源信息。本发明所述的基于自适应干扰抵消的仿鲸鱼叫声隐蔽水声通信方法，简单易行，可靠性高，既能保证通信信息的隐蔽性与安全性，又能很好的满足于水下隐蔽声通信系统需求。

附图说明

图1为鲸鱼叫声信号掩盖扩频信号的仿生水声通信原理图；

图2为信源信号调制原理图；

图3为自适应滤波器原理图；

图4为扩频信号解扩原理图；

图5为已调信号相干解调原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明公开了一种基于自适应干扰抵消的仿鲸鱼叫声隐蔽水声通信方法。本发明从仿生伪装角度出发，利用人耳听觉掩蔽效应实现隐蔽通信。在发射端，将信源信息调制为直接序列扩频信号，并与真实的鲸鱼叫声信号混合，形成仿生通信信号，送入水声信道。其中鲸鱼的叫声信号既作为通信信号中的同步信号，又作为扩频信号的掩蔽信号。在接收端，采用自适应干扰抵消法在时域上实现鲸鱼叫声信号和扩频信号的分离。该技术从仿生伪装角度出发，在实现宽距离范围隐蔽水声通信的同时，借助仿生伪装思想，提升了传统低信噪比条件下扩频隐蔽通信的效果。

基于自适应干扰抵消的仿鲸鱼叫声隐蔽水声通信方法，包括：

发送端：

步骤1：选取合适的鲸鱼叫声信号，分析其时频特性，选择合适的时频区间用于扩频信号隐藏；

步骤2：将数字信源信息调制为直接序列扩频信号，扩频信号的频率范围需要在鲸鱼叫声信号的频带范围内；

步骤3：将步骤2产生的扩频信号与步骤1中选取的鲸鱼叫声信号相加，形成仿生通信信号，鲸鱼叫声信号既作为同步信号，又作为扩频信号的掩蔽信号；

步骤4：将步骤3产生的通信信号发送到水声信道中，并在接收端接收信号；

接收端：

步骤5：利用步骤1中选取的鲸鱼叫声信号对接收信号进行同步；

步骤6：基于步骤1选取的鲸鱼叫声信号，采用基于递推最小二乘法(RLS)的自适应干扰抵消法，在时域实现鲸鱼叫声信号和扩频信号的分离；

步骤7：基于步骤6得到的扩频信号，进行解扩、解调，恢复信源信息。

鲸鱼叫声信号是低频信号，而扩频信号具有良好的隐蔽性，基于人耳听觉掩蔽效应，

将通信信息调制为扩频信号，且其频带宽度小于鲸鱼叫声信号的带宽，将鲸鱼叫声信号与扩频信号混合，发送到水声信道中进行通信，从仿生角度实现通信的隐蔽性。

发送端：

步骤1：选取合适的鲸鱼叫声信号，分析其时频特性，选择合适的时频区间用于扩频信号隐藏；

由于人耳的听觉掩蔽效应可知，若两个信号频率相近，那么较强的信号将掩盖较弱的信号。本专利中，选取频率低、声源级高的鲸鱼叫声信号作为掩蔽声音，选取在同一频带内的直接序列扩频信号作为被掩蔽声音。

归一化鲸鱼叫声信号用w(n)表示，其短时傅立叶谱为F_w(t,f)，其中t表示时间，f表示频率，令

A_max＝max(F_w(t,f)) (1)

A_max为短时傅立叶变换后的最大幅度。令α为掩蔽门限系数，求出当F_w(t,f)＞α×A_max时，对应的w(n)信号的时间范围[t₁,t₂]和频率范围[f_L,f_H]，其中t₁为时间范围的起始时刻，t₂为时间范围的结束时刻，f_L为频率范围的最低频率，f_H为频率范围的最高频率。则可以得到作为被掩蔽声音的直接序列扩频信号带宽B＝f_H-f_L，载波频率f_c＝(f_L+f_H)/2。

步骤2：将数字信源信息调制为直接序列扩频信号，扩频信号的频率范围需要在鲸鱼叫声信号的频带范围内；

首先通过扩频码序列产生器产生一组伪码c(t)，将信源信号a(t)与扩频码c(t)作模2加运算形成调制码，然后采用BPSK调制方式，控制载波cos(2πf_ct)，其中f_c为扩频信号的载波频率，即可得到扩频信号s₁(t)：

s₁(t)＝Aa(t)c(t)cos(2πf_ct) (2)

其中，A是信源信号的幅度，并且保证a(t)的码元宽度T_b是扩频吗c(t)码元宽度T_c的整数倍。同时，为实现隐蔽通信、达到信号掩盖的效果，要使扩频信号信号的频带宽度小于调整后的鲸鱼叫声信号的频带宽度。

步骤3：将步骤2产生的扩频信号与步骤1中选取的鲸鱼叫声信号相加，形成仿生通信信号，鲸鱼叫声信号既作为同步信号，又作为扩频信号的掩蔽信号；

定义掩蔽强度MS为归一化鲸鱼叫声功率与归一化扩频信号功率之比的对数，单位为分贝，即

MS＝10log(P_whale/P_DSSS) (3)

其中，P_whale为鲸鱼叫声信号的功率，P_DSSS为扩频信号的功率。在给定掩蔽强度与鲸鱼叫声时，可以推算出扩频信号幅度衰减系数β，归一化扩频信号用s(n)表示，其长度应在时间范围[t₁,t₂]。合成后的含扩频信号的鲸鱼叫声信号，即仿生通信信号m(n)为：

$m\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}w\left(n\right)+\mathrm{\β}\×s\left(n\right)& n\∈\[t_1,t_2\]\\ w\left(n\right)& else\end{array}\right.---\left(4\right)$

步骤4：将步骤3产生的通信信号发送到水声信道中，并在接收端接收信号；

接收端：

步骤5：利用步骤1中选取的鲸鱼叫声信号对接收信号进行同步；

同步时，将接受信号与步骤1中选取的鲸鱼叫声信号作拷贝相关处理，找到最大峰值的位置，即可确定通信信号的起始时间。

步骤6：基于步骤1选取的鲸鱼叫声信号，采用基于递推最小二乘法(RLS)的自适应干扰抵消法，在时域实现鲸鱼叫声信号和扩频信号的分离；

本专利采用自适应干扰抵消法，把原始扩频信号提取出来，提取得到的扩频信号s_extract(t)。

自适应相干抵消法的自适应滤波算法为基于递归技术寻找最优权的递归最小二乘RLS算法。若输入的参考信号为原始的鲸鱼叫声信号w(n)，滤波器的权系数矢量为l(n)，接收到的含有鲸鱼叫声的扩频信号x(n)＝w(n)+s(n)，期望得到的纯净的扩频信号为s_extract(n)，则该自适应相干抵消器的处理过程如下：

首先，设置初始的l(n)＝0，或者根据一些先验知识确定其初始值，定义中间量P(0)＝δ^-1L，L是N×N单位阵，δ为很小的正值。

对于n＝0,1,2,3...，计算：

滤波：y(n)＝w^T(n)l(n)；

做差：s_extract(n)＝x(n)-y(n)；

求中间量：

系数更新：l(n)＝l(n-1)+P(n)w(n)w^T(n)s_extract(n)

通过多次重复上述过程，进行迭代运算，最终可以得到不含有鲸鱼叫声的离散扩频信号s_extract(n)，若将其表示为连续信号，则可以表示为s_extract(t)，

步骤7：对步骤6中得到的扩频信号进行解扩、解调，恢复信源信息。

直接序列扩频信号的解扩采用外差式解扩法。在接收机中，实现扩频信号的解扩是由混频器和中频滤波器组成的相关器完成的。参与混频的两个信号，一个是分离出的扩频信号s_extract(t)，另一个接收本地参考振荡信号cos[2π(f_c+f_IF)t]受本地参考扩频码c_r(t)调制形成的本地参考信号c_r(t)cos[2π(f_c+f_IF)t]，其中，f_IF是中频频率。

混频的过程就是这两个已调信号在时域上相乘的过程，即

s_extract(t)c_r(t)cos[2π(f_c+f_IF)t] (5)

混频后，信号经过中频滤波器，可以有效地抑制噪声干扰等带外分量。

当发射端扩频码c(t)与本地参考扩频码c_r(t)完全同步时，有

c(t)c_r(t)＝1 (6)

则输出信号就是被解扩且含有信息的中频带通信号a(t)cos(2πf_IFt)。

解调时采用相干解调法。通过本地振荡器产生一个与中频载波同频同相的本地相干载波参考信号cos(2πf_IFt)，将上述获得的已调信号通过乘法器，再通过低通滤波器，经过抽样判决后，得到解调信号，即得到原始信源信号a(t)。

Claims (1)

1.一种基于自适应干扰抵消的仿鲸鱼叫声隐蔽水声通信方法，其特征在于：

发送端

(1)选取合适的鲸鱼叫声信号，分析其时频特性，选择合适的时频区间用于扩频信号隐藏；

选取频率低、声源级高的鲸鱼叫声信号作为掩蔽声音，选取在同一频带内的直接序列扩频信号作为被掩蔽声音，

归一化鲸鱼叫声信号用w(n)表示，其短时傅立叶谱为F_w(t,f)，其中t表示时间，f表示频率，

A_max＝max(F_w(t,f))

A_max为短时傅立叶变换后的最大幅度，令α为掩蔽门限系数，求出当F_w(t,f)＞α×A_max时，对应的w(n)信号的时间范围[t₁,t₂]和频率范围[f_L,f_H]，其中t₁为时间范围的起始时刻，t₂为时间范围的结束时刻，f_L为频率范围的最低频率，f_H为频率范围的最高频率，得到作为被掩蔽声音的直接序列扩频信号带宽B＝f_H-f_L，载波频率f_c＝(f_L+f_H)/2；

(2)将数字信源信息调制为直接序列扩频信号，扩频信号的频率范围需要在鲸鱼叫声信号的频带范围内；

首先通过扩频码序列产生器产生一组伪码c(t)，将信源信号a(t)与扩频码c(t)作模2加运算形成调制码，然后采用BPSK调制方式，控制载波cos(2πf_ct)，其中f_c为扩频信号的载波频率，即可得到扩频信号s₁(t)：

s₁(t)＝Aa(t)c(t)cos(2πf_ct)

其中，A是信源信号的幅度，并且保证a(t)的码元宽度T_b是扩频吗c(t)码元宽度T_c的整数倍；使扩频信号信号的频带宽度小于调整后的鲸鱼叫声信号的频带宽度；

(3)将步骤(2)产生的扩频信号与步骤(1)中选取的鲸鱼叫声信号相加，形成仿生通信信号，鲸鱼叫声信号既作为同步信号，又作为扩频信号的掩蔽信号；

掩蔽强度MS为归一化鲸鱼叫声功率与归一化扩频信号功率之比的对数，单位为分贝，即

MS＝10log(P_whale/P_DSSS)

其中，P_whale为鲸鱼叫声信号的功率，P_DSSS为扩频信号的功率，在给定掩蔽强度与鲸鱼叫声时，推算出扩频信号幅度衰减系数β，归一化扩频信号用s(n)表示，其长度应在时间范围[t₁,t₂]，合成后的含扩频信号的鲸鱼叫声信号，即仿生通信信号m(n)为：

$m\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}w\left(n\right)+\mathrm{\β}\×s\left(n\right)& n\∈\[t_1,t_2\]\\ w\left(n\right)& else\end{array}\right.;$

(4)将步骤(3)产生的通信信号发送到水声信道中，并在接收端接收信号；

接收端：

(5)利用步骤(1)中选取的鲸鱼叫声信号对接收信号进行同步；

同步时，将接受信号与步骤(1)中选取的鲸鱼叫声信号作拷贝相关处理，找到最大峰值的位置，即可确定通信信号的起始时间。

(6)基于步骤(1)选取的鲸鱼叫声信号，采用基于递推最小二乘法RLS的自适应干扰抵消法，在时域实现鲸鱼叫声信号和扩频信号的分离；

把原始扩频信号提取出来，提取得到的扩频信号s_extract(t)；

输入的参考信号为原始的鲸鱼叫声信号w(n)，滤波器的权系数矢量为l(n)，接收到的含有鲸鱼叫声的扩频信号x(n)＝w(n)+s(n)，期望得到的纯净的扩频信号为s_extract(n)，自适应相干抵消的处理过程如下：

首先，设置初始的l(n)＝0，定义中间量P(0)＝δ^-1L，L是N×N单位阵，δ为正值；

对于n＝0,1,2,3...，计算：

滤波：y(n)＝w^T(n)l(n)；

做差：s_extract(n)＝x(n)-y(n)；

求中间量：

系数更新：l(n)＝l(n-1)+P(n)w(n)w^T(n)s_extract(n)

重复上述过程，进行迭代运算，得到不含有鲸鱼叫声的离散扩频信号s_extract(n)，若将其表示为连续信号，则可以表示为s_extract(t)；

(7)对步骤(6)中得到的扩频信号进行解扩、解调，恢复信源信息；

直接序列扩频信号的解扩采用外差式解扩法，在接收机中，实现扩频信号的解扩是由混频器和中频滤波器组成的相关器完成的；参与混频的两个信号，一个是分离出的扩频信号s_extract(t)，另一个接收本地参考振荡信号cos[2π(f_c+f_IF)t]受本地参考扩频码c_r(t)调制形成的本地参考信号c_r(t)cos[2π(f_c+f_IF)t]，其中，f_IF是中频频率；

混频的过程就是这两个已调信号在时域上相乘的过程，即

s_extract(t)c_r(t)cos[2π(f_c+f_IF)t]

当发射端扩频码c(t)与本地参考扩频码c_r(t)完全同步时，

c(t)c_r(t)＝1

则输出信号就是被解扩且含有信息的中频带通信号a(t)cos(2πf_IFt)；

解调时采用相干解调法，通过本地振荡器产生一个与中频载波同频同相的本地相干载波参考信号cos(2πf_IFt)，将上述获得的已调信号通过乘法器，再通过低通滤波器，经过抽样判决后，得到解调信号，即得到原始信源信号a(t)。