CN106899357A - 一种模拟海豚哨声的伪装隐蔽水下通信装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟海豚哨声的伪装隐蔽水下通信装置，包括至少两个通信节点；每个通信节点由信号发送模块、信号接收模块及收发合置换能器组成，信号发送模块与信号接收模块又由存有海豚哨声数据库的SD卡等多个模块组成。本发明所述的模拟海豚哨声的伪装隐蔽水下通信方法简单，可靠性高，既能保证通信信息的隐蔽性与安全性，又能满足水下隐蔽通信系统的需求，同时本发明技术方案中所述装置便于实现，相较已经成型的水下通信装置拥有体积小，便于携带的特性。本发明主要应用于水声通信。

Description

一种模拟海豚哨声的伪装隐蔽水下通信装置

技术领域

本发明涉及一种模拟海豚哨声的伪装隐蔽水下通信装置，属于水声通信技术领域。

背景技术

经过几十年的发展，水下通信网络已具备一定规模，得到了较为广泛的应用。水声通信网络由大量的水下Modem节点组成，一般水下通信网络有以下几种用途：(1)信息中继传递(由于水下通信信道的复杂性，为保证两终端通信质量，通过两终端间水下节点进行信息接力传递)；(2)区域性监测(节点装置内部或外侧装有监测项的传感器，通过传感器获取数据，并将数据传输至主节点，主节点传递给岸基水听器或水面浮标等信息收集中心)；(3)其他(敌区水下通信数据采集、水下潜艇自校正网等)；在这几种用途中，节点的安全程度很不相同，特别是在敌区，节点的安全性得不到保证，为了保证通信质量，节点很难将低检测概率考虑在内，即使通过编码得到了低识别率，仍然可根据信号的衰减特性得知节点位置。

为了改变这一困境，一些研究人员提出利用模仿海豚哨声信号的LFM信号作为通信载波，实现水声通信功能，但其追求的目标是稳健和高速，并不是隐蔽通信的目的，若应用该种算法到Modem中，仍然无法减少暴露的可能性。

中国专利CN201420748311公开的一种利用鲸声的伪装隐蔽水下通信装置，采用采用鲸鱼叫声作为水下声通信发信方的发射波形，采用时延差编码对鲸鱼叫声信号进行匹配滤波处理，从而实现水下伪装隐蔽通信。

本发明利用海豚哨声使用一种利用双曲调频信号模仿海豚哨声信号的伪装隐蔽水下通信方法，在频域上贴近真实海豚哨声信号，在声音上模仿真实海豚哨声，若被敌方水听器接收到该信号，可以以自身信号与生物叫声信号太过接近而被排除，以达到仿生伪装隐蔽通信的目的。该算法不同于降低信号信噪比的隐蔽算法，借鉴仿生特性，允许信号被检测到，通过信号自身特点，在识别时被排除来达到隐蔽通信的效果，降低了节点暴露的可能性。利用匹配相关法进行信号解调，从而实现水下伪装隐蔽通信。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种模拟海豚哨声的伪装隐蔽水下通信装置，旨在解决水下通信节点在信息传输过程中，由于声源位置被确定从而引起的节点自身位置暴露的缺点，利用双曲调频信号模仿海豚哨声的水声通信算法来实现水下通信装置的伪装隐蔽。。

本发明的目的是这样实现的：包括至少两个通信节点，每个通信节点包括存有海豚哨声数据库的SD卡、信号发送算法调制控制模块、音频编解码器、功率放大器、收发合置换能器、信号调理器、信号接收算法解调控制模块，信号发送算法调制控制模块从存有海豚哨声数据库的SD卡中选取原始哨声信号及其中心频率组，根据所选取的中心频率组组成仿生信号，在仿生信号前面加入所选取的原始哨声信号后传输给音频编解码器，经音频编解码器的信号通过功率放大器进行功率放大后传输给收发合置换能器，收发合置换能器将接收到的原始哨声信号和仿生信号的混合信号转换成电信号后传输给信号调理器，信号调理器将调理后的信号传送至音频编解码器，音频编解码器将处理后的信号传输给信号接收算法解调控制模块。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述信号调理器包括前置放大器、带通滤波器、二阶放大器。

2.信号接收算法解调控制模块通过比对所接收到信号的同步头与存有海豚哨声数据库的SD卡中的海豚哨声数据库，判断出所接收到的信号属于哪一条叫声，并对原始哨声信号进行帧同步定位，定位后找到仿生信号，对所找到的仿生信号进行分割，然后对每一段信号进行同中心频率的升调双曲调频信号及降调双曲调频信号的匹配相关，信号接收算法解调控制模块通过比较每一段信号与升调双曲调频信号及降调双曲调频信号的匹配相关结果，来判断接收到的仿生信号的极性，依此方法对每一段仿生信号进行匹配相关，最后得到信号发送算法调制控制模块所发送的原始数据；

确定各分段双曲调频信号的中心频率以及解调方式的步骤如下：

(1)将原始哨声信号进行短时傅里叶变换，并以码元长度t_m为间隔，分割原始哨声信号；

(2)将每一段原始哨声信号的中心频率提取出作为每段双曲调频信号的中心频率f₁、f₂、f₃、……f_n；

(3)经过步骤(1)中分割后的信号，形式为升调双曲调频信号或降调双曲调频信号，将分割后的信号与同中心频率的升调双曲调频信号和降调调频信号做匹配相关计算，并将计算出的峰值的大小进行比较，若与升调双曲调频信号相关结果大于与降调调频信号，则得出第一段解调结果。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用一种采用双曲调频信号仿海豚哨声的伪装隐蔽水下通信方法，在频域上模仿海豚哨声频谱，能克服像其他常规通信方法中声脉冲信号易被识别和定位的缺陷。拥有隐蔽性强，通信距离远、通信速率可调、以及高可靠性等优越性能。(1)应用分段双曲调频信号模仿海豚哨声信号在频域上贴近真实海豚哨声信号，在声音上模仿真实海豚哨声，提高发信方的隐蔽性；(2)不同于降低信号信噪比的隐蔽算法，借鉴仿生特性，允许信号被检测到，通过信号自身特点，在识别时被排除来达到隐蔽通信的效果，降低了节点暴露的可能性；(3)采用匹配相关加对比判决等手段降低了信号解调的难度，提供了一种更简单的实现方法；(4)伪装隐蔽水声通信装置上设计一个大容量SD卡存储器，作为哨声信号样本数据库存储媒介，实现海量参考哨声样本的伪装隐蔽通信算法，提高通信速率和隐蔽性，本发明能充分利用分段双曲调频信号特性，能有效克服多普勒效应，并具有很强的抗多途性能，拥有隐蔽性强、通信距离远、高速率和高可考虑。

附图说明

图1为本发明中所述的通信系统的通用模型图；

图2为本发明中所述的通信信号帧结构形式与信号示意图；

图3为本发明中所述的频率搬移示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明旨在解决水下通信节点在信息传输过程中，由于声源位置被确定从而引起的节点自身位置暴露的缺点，利用海豚哨声，使用一种利用分段双曲调频仿海豚哨声信号的伪装隐蔽水下通信方法，利用频率搬移对收集到的仿生信号进行分段处理，而后通过常规扩频通信信号解调方法将信号解调，从而实现水下伪装隐蔽通信。

第一步：确定通信系统的通用模型。

利用海豚哨声的伪装隐蔽水下通信方法的通用模型由至少两个通信节点组成，但不仅限于两个节点，可由多个节点组成。

以两个节点为例对本发明进行详细的描述：如图1所示，它主要由1、2两个通信节点组成；每个通信节点由第3信号发送模块3与第5信号接收模块5及第7收发合置换能器7组成，或由第6信号发送模块6与第4信号接收模块4及第8收发合置换能器8组成；其中第3信号发送模块3由第17信号发送算法调制控制模块17、第18音频编解码器18、第19功率放大器19，第33存有海豚哨声数据库的SD卡33组成；同样的，第6信号发送模块6由第28信号发送算法调制控制模块28、第27音频编解码器27、第26功率放大器26，第36存有海豚哨声数据库的SD卡36组成；第4信号接收模块4由第23信号调理器23、第24音频编解码器24、第25信号接收算法解调控制模块25，第35存有海豚哨声数据库的SD卡35组成；同样地，第5信号接收模块5由第22信号调理器22、第21音频编解码器21、第20信号接收算法解调控制模块20，第34存有海豚哨声数据库的SD卡34组成；其中，第3信号发送模块3与第7收发合置换能器7组成完整的信号发射装置；同样地，第4信号发送模块4与第8收发合置换能器8组成完整的信号发射装置；第4信号接收模块4与第8收发合置换能器8组成完整的信号接收装置；同样地，第5信号接收模块5与第7收发合置换能器7组成完整的信号接收装置；其中第22信号调理器22或第23信号调理器23又都由前置放大器、带通滤波器、二阶放大器组成。

第17信号发送算法调制控制模块17根据具体使用环境，从第33存有海豚哨声数据库的SD卡33中选取哨声信号及其中心频率组，然后将原始二进制信息码元进行极性转换变成双极性码，根据从第33存有海豚哨声数据库的SD卡33中选取的中心频率数组组成仿生信号，在仿生信号前面加入原始哨声信号后，发送给第18音频编解码器18，并通过第19功率放大器19经过功率放大后传输给第7收发合置换能器7，第7收发合置换能器7再将经过放大后的原始哨声信号与仿生信号的组合发送出去；

第8收发合置换能器8接收到声音信号后，将混合信号(原始哨声信号29与分段双曲调频仿生信号30的信号组合)转换成电信号后发送给第23信号调理器23；

第23信号调理器23对采集到的电信号进行前置当大、带通滤波、二阶放大操作后，将调理后的信号传送至第24音频编解码器24，通过第24音频编解码器24将调理后的信号传输给第25信号接收算法解调控制模块25；

第25信号接收算法解调控制模块25接收到信号后，通过比对接收到信号的同步头与第35存有海豚哨声数据库的SD卡35中的海豚哨声数据库，判断出属于接收到的信号属于哪一条叫声，然后对原始哨声信号进行帧同步定位，定位后找到仿生信号，对仿生信号进行分割，然后对每一段信号进行同中心频率的升调双曲调频信号及降调双曲调频信号的匹配相关，判断接收到的仿生信号的极性，依此方法对每一段仿生信号进行匹配相关，而后恢复出第17信号发送算法调制控制模块17所发送的信息。

第28信号发送算法调制控制模块28根据具体使用环境，从第36存有海豚哨声数据库的SD卡36中选取哨声信号及其中心频率组，然后将原始二进制信息码元进行极性转换变成双极性码，根据从第36存有海豚哨声数据库的SD卡36中选取的中心频率数组组成仿生信号，在仿生信号前面加入原始哨声信号后，发送给第27音频编解码器27，并通过第26功率放大器26经过功率放大后传输给第8收发合置换能器8，第8收发合置换能器8再将经过放大后的原始哨声信号与仿生信号的组合发送出去(原始哨声信号31与分段双曲调频仿生信号32的信号组合)；

第7收发合置换能器7接收到声音信号后，将混合信号转换成电信号后发送给第22信号调理器22；

第22信号调理器22对采集到的电信号进行前置当大、带通滤波、二阶放大操作后，将调理后的信号传送至第21音频编解码器21，通过第21音频编解码器21将调理后的信号传输给第20信号接收算法解调控制模块20；

第20信号接收算法解调控制模块20接收到信号后，通过比对接收到信号的同步头与第34存有海豚哨声数据库的SD卡34中的海豚哨声数据库，判断出属于接收到的信号属于哪一条叫声，然后对原始哨声信号进行帧同步定位，定位后找到仿生信号，对仿生信号进行分割，然后对每一段信号进行同中心频率的升调双曲调频信号及降调双曲调频信号的匹配相关，判断接收到的仿生信号的极性，依此方法对每一段仿生信号进行匹配相关，而后恢复出第28信号发送算法调制控制模块28所发送的信息。

第二步：确定各分段双曲调频信号中心频率。

分段双曲调频仿海豚哨声信号示意图如图2所示，37为原始哨声信号，38为保护间隔，39为分段双曲调频仿生信号，40为原始哨声信号频谱示意图，41为分段双曲调频仿生信号频谱示意图；一帧完整信号由一原始哨声信号37、保护间隔38、及仿生信号39组成；

进一步地，仿生信号39是由一系列类似于如图3中双曲调频信号42、双曲调频信号43组成的，其中每段双曲调频信号的中心频率f₁、f₂、f₃、……f_n都是由原始哨声信号37决定的；

进一步地，我们将原始哨声信号37进行短时傅里叶变换，并以码元长度t_m为间隔，分割原始哨声信号37；

进一步地，我们将每一段原始哨声信号的中心频率提取出，即为f₁、f₂、f₃、……f_n，存入系统中；

进一步地，码元长度t_m的大小决定了信息传输速率，因此，码元长度t_m的大小，可根据实际的应用需要进行选择；

第三步：确定分段双曲调频仿海豚哨声信号解调方式。

解调过程如图3所示，42为中心频率最高的双曲调频信号，43为中心频率第二高的降调双曲调频信号，其中44为升调双曲调频信号，45为降调双曲调频信号，46为匹配相关后比较判决结果；对接收到的信号以码元长度t_m为间隔进行切割，切割后变成如图3中42、43所示双曲调频信号；

进一步地，将分割后的信号与同中心频率的升调双曲调频信号和降调调频信号做匹配相关计算，并将计算结果进行比较判决，得出第一段解调结果；

进一步地，按照上一步的方法，对每段接收的信号都进行处理后，即可得发射端发送的原始数据。

Claims (3)

1.一种模拟海豚哨声的伪装隐蔽水下通信装置，其特征在于：包括至少两个通信节点，每个通信节点包括存有海豚哨声数据库的SD卡、信号发送算法调制控制模块、音频编解码器、功率放大器、收发合置换能器、信号调理器、信号接收算法解调控制模块，信号发送算法调制控制模块从存有海豚哨声数据库的SD卡中选取原始哨声信号及其中心频率组，根据所选取的中心频率组组成仿生信号，在仿生信号前面加入所选取的原始哨声信号后传输给音频编解码器，经音频编解码器的信号通过功率放大器进行功率放大后传输给收发合置换能器，收发合置换能器将接收到的原始哨声信号和仿生信号的混合信号转换成电信号后传输给信号调理器，信号调理器将调理后的信号传送至音频编解码器，音频编解码器将处理后的信号传输给信号接收算法解调控制模块。

2.根据权利要求1所述的一种模拟海豚哨声的伪装隐蔽水下通信装置，其特征在于：所述信号调理器包括前置放大器、带通滤波器、二阶放大器。

3.根据权利要求1或2所述的一种模拟海豚哨声的伪装隐蔽水下通信装置，其特征在于：信号接收算法解调控制模块通过比对所接收到信号的同步头与存有海豚哨声数据库的SD卡中的海豚哨声数据库，判断出所接收到的信号属于哪一条叫声，并对原始哨声信号进行帧同步定位，定位后找到仿生信号，对所找到的仿生信号进行分割，然后对每一段信号进行同中心频率的升调双曲调频信号及降调双曲调频信号的匹配相关，信号接收算法解调控制模块通过比较每一段信号与升调双曲调频信号及降调双曲调频信号的匹配相关结果，来判断接收到的仿生信号的极性，依此方法对每一段仿生信号进行匹配相关，最后得到信号发送算法调制控制模块所发送的原始数据；

确定各分段双曲调频信号的中心频率以及解调方式的步骤如下：

(1)将原始哨声信号进行短时傅里叶变换，并以码元长度t_m为间隔，分割原始哨声信号；

(2)将每一段原始哨声信号的中心频率提取出作为每段双曲调频信号的中心频率f₁、f₂、f₃、……f_n；

(3)经过步骤(1)中分割后的信号，形式为升调双曲调频信号或降调双曲调频信号，将分割后的信号与同中心频率的升调双曲调频信号和降调调频信号做匹配相关计算，并将计算出的峰值的大小进行比较，若与升调双曲调频信号相关结果大于与降调调频信号，则得出第一段解调结果。