CN107332642A - 基于海洋哺乳类动物信号合成的低截获概率波形设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于海洋哺乳类动物声音信号合成的低截获概率通信波形设计方法，其包括以下步骤：提取出海洋哺乳类动物声音通信信号的包络，求得该信号包络的极值点，提取出极值点间的波形；产生N个基本小波函数的线性组合；最后将组合函数与极值点间的波形进行相关并取最值。将以上过程进行多次迭代，不断调整线性组合函数的权重。本发明利用高斯信号及其各阶导函数拟合海洋哺乳类动物的声音信号，实现了低截获概率通信，大大提高信息的保密能力。
Description
技术领域
本发明涉及低截获概率通信波形设计，尤其是涉及一种基于海洋哺乳类动物声音信号合成的低截获概率通信波形设计方法。
背景技术
水下低截获通信声呐着重在于信息的保密能力以及接收端的还原能力。虽然近些年低截获声呐通信系统发展较快，然而大部分是具有特性形式的信号。由于水声信道的特点使得相同声源级的信号并不能实现在不同距离上的低截获通信。基于此，提出了通过仿生信号作为信息载体的方法，与单纯的降低信噪比不同，仿生是利用海洋中所存在的生物信号作为调制波形。这种信号可以取自鲸鱼、海豚或者其它海洋哺乳类动物声音。海豚或者海洋哺乳类动物声音利用声信号来进行通信，其主要利用声音信号来进行通信。这种通信方式允许通信信号被检测到，但是识别时会被当作海洋生物噪声探测，达到低截获通信的目的，然而这种方法携带信息较少，并不利于实时通信。
水下声呐系统可以利用拟合仿生信号，即通过利用其他信号构造海豚或者海洋哺乳类动物声音信号的方法进行信息隐藏，截获端接收到信号后会被认为是生物噪声而增加了信号的保密能力，并且信息携带量有所增加，实现声呐的低截获通信。
针对传统的海洋低截获通信存在的问题，本发明提出拟合仿生信号的方法，这样可以大大提高信息的保密能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于海洋哺乳类动物信号合成的低截获概率波形设计方法。该方法利用高斯函数、高斯函数的导数或者椭球波函数等基本小波函数及其导函数跟海洋哺乳类动物声音信号的相似性，将高斯函数、高斯函数的导数或者椭球波函数等基本小波函数及其导函数作为拟合海洋哺乳类动物声音信号的基函数。拟合成的仿海洋哺乳类动物声音信号在被截获时，也会被当作海洋生物噪声处理，而从达到低截获概率通信的目的。而且拟合一个海洋哺乳类动物声音单脉冲需要多种高斯函数、高斯函数的导数或者椭球波函数等基本小波函数，所以可以把信息调制在这几个波形中。相比于基于时延差的信息携带方式来说，这种方法使信息携带量有所增加，并且编码的灵活性有所增强。
而要对海洋哺乳类动物声音信号进行拟合，首先要对海洋哺乳类动物的声音信号的时域、频域以及模糊函数进行分析。对海洋哺乳类动物声音信号的分析，将作为判定信号拟合效果的依据。
其次通过高斯函数、高斯函数的导数或者椭球波函数等基本小波函数及各阶导数进行海洋哺乳类动物声音信号的拟合，需要对高斯函数、高斯函数的导数或者椭球波函数等基本小波函数及其导函数进行分析。
一个高斯脉冲p(t)可以用下列表达式进行描述：
其中σ为标准差。
高斯函数、高斯函数的导数或者椭球波函数等基本小波函数具有各阶导函数形式，其表达式如下所示：
式中n表示求导的阶数。
高斯函数、高斯函数的导数或者椭球波函数等基本小波函数的求导阶数越高，则过零点的数目越多，且频率也越高。而且，高斯函数、高斯函数的导数或者椭球波函数等基本小波函数的各阶导函数之中，自相关性较强而互相关性较弱，这为拟合海洋哺乳类动物的声音信号提供了理论依据。声音脉冲串具有相似的特点，因此只要计算出声音脉冲串的包络，就可以用高斯函数、高斯函数的导数或者椭球波函数等基本小波函数及其各阶导函数进行拟合。
在许多情况下，单个脉冲所具备的特征并不能满足某些要求，所以本发明使用N个高斯函数、高斯函数的导数或者椭球波函数等基本小波函数的线性组合，每个高斯函数、高斯函数的导数或者椭球波函数等基本小波函数认为是N维空间中的基函数。高斯线性组合函数的权重则与最终拟合海洋哺乳类动物的声音信号的效果有关。
本发明用高斯函数、高斯函数的导数或者椭球波函数等基本小波函数拟合海洋哺乳类动物声音信号的过程如下：
步骤一：提取出海洋哺乳类动物声音信号的包络；
步骤二：求得该信号包络的极值点；
步骤三：提取出极值点间的波形；
步骤四：产生N个基本小波函数的线性组合；
步骤五：将组合函数与极值点间的波形进行相关并取最值；
步骤六：设定一个迭代值，将步骤三～步骤五的过程进行迭代,不断调整线性组合函数的权重。
其中步骤一具体为对海洋哺乳类动物声音原始信号求Hilbert变换，然后求得其解析式，其幅度变化即为对应的原始信号的包络变化；
原始信号x(t)的希尔伯特变换为：
得到的解析表达式为：
则得到解析表达式的幅度为：
其幅度变化即为对应的原始信号的包络变化。
其中步骤二具体为通过对于原始信号求微分，通过微分函数为零，求得一系列的解，其对应的位置即为一系列不同的极值点；
设函数x(t)在变量的一个邻域内有定义，若对于该邻域内已于该变量都恒存在：x(t)＜f(x0)或者x(t)＞f(x0)，则分别称为改点为最大值或者最小值，如该函数x(t)在该点处可导，则在该点处取得极值，则：x'(t)＝0成立。
其中步骤四中的基本小波函数为高斯函数、椭球波函数或者扁长椭球波函数。
对于最终拟合出的仿海洋哺乳类动物声音信号，分析该信号的抗噪声性能，保证拟合后的信号正常通信，可以符合通信要求。
本发明提出用高斯函数、高斯函数的导数或者椭球波函数等基本小波函数及其导函数来拟合海洋哺乳类动物声音信号，并将最终的拟合信号应用于低截获概率通信波形设计中。
采用上述技术方案后，本发明具有如下优点：
本发明利用了高斯函数、高斯函数的导数或者椭球波函数等基本小波函数与海洋哺乳类动物声音信号的相似性，将高斯函数、高斯函数的导数或者椭球波函数等基本小波函数及其导函数作为拟合海洋哺乳类动物声音信号的基函数，使得拟合成的仿海洋哺乳类动物声音信号在被截获时，也会被当作海洋生物噪声处理，而从达到低截获概率通信的目的。并且将信息调制在拟合海洋哺乳类动物声音信号的几个高斯函数、高斯函数的导数或者椭球波函数等基本小波函数中，使得携带信息有所增多，编码的灵活性有所增强。
附图说明
图1是海豚声音信号的时域、频域分析图及信号模糊函数图。
图2是本发明提供的高斯函数、高斯函数的导数或者椭球波函数等基本小波函数的各阶导函数时域图。
图3是本发明提供的高斯函数、高斯函数的导数或者椭球波函数等基本小波函数自相关及与其他阶数导函数的互相关特性图。
图4是本发明提供的高斯函数、高斯函数的导数或者椭球波函数等基本小波函数构造海豚声音信号的拟合流程图；
图5为海豚原始信号的包络图；
图6为高斯函数、高斯函数的导数或者椭球波或者扁长椭球波函数等基本小波函数的线性组合图；
图7为海豚信号与重构信号的相关特性图。
具体实施方法
为使本发明的目的、方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施，并参照附图，对本发明做进一步说明。
对海洋哺乳类动物声音信号进行拟合，首先要对海洋哺乳类动物声音信号的时域、频域以及模糊函数进行分析。
海洋哺乳类动物声音进行通信时发出的是声音脉冲串，通过对信号的模糊度函数，可以分析出其速度分辨率和距离分辨率。本实施例以海豚为例，见图1，通过信号的模糊度函数可以看出，海豚声音信号的距离分辨力较低，但是其速度分辨力较高，虽然距离分辨力不高，但是若只是作为低截获通信是绰绰有余的。以上对海豚声音信号的分析，将作为判定信号拟合效果的依据。
本发明实施例是通过高斯函数、高斯函数的导数或者椭球波函数等基本小波函数及各阶导数进行海豚声音信号的拟合，因此还需要对高斯函数、高斯函数的导数或者椭球波函数等基本小波函数及其导函数进行分析。
一个高斯脉冲p(t)可以用下列表达式进行描述：
其中σ为标准差。
高斯函数、高斯函数的导数或者椭球波函数等基本小波函数具有各阶导函数形式，其表达式如下所示：
式中n表示求导的阶数。
本发明分析高斯函数、高斯函数的导数或者椭球波函数等基本小波函数的前15阶导函数，如图2所示。显然，求导阶数越高，过零点的数目就越多，并且其频率越高。
高斯脉冲的n阶导数的幅度谱为：
设当f＝fM时|xn(f)|取最大值，则fM称为最大峰值发射频率，fM可通过对上式求导并令其为零求出：
取高斯函数、高斯函数的导数或者椭球波函数等基本小波函数的自相关及与剩下15阶导数的互相关可以得到如图3所示结果。高斯函数、高斯函数的导数或者椭球波函数等基本小波函数的各阶导函数之中，自相关性较强而互相关性较弱，这为拟合海豚的声音信号提供了理论依据。声音脉冲串具有相似的特点，因此只要计算出声音脉冲串的包络，就可以用高斯函数、高斯函数的导数或者椭球波函数等基本小波函数及其各阶导函数进行拟合。
在许多情况下，单个脉冲所具备的特征并不能满足某些要求，所以本发明使用N个高斯函数、高斯函数的导数或者椭球波函数等基本小波函数的线性组合，每个高斯函数、高斯函数的导数或者椭球波函数等基本小波函数认为是N维空间中的基函数。高斯线性组合函数的权重则与最终拟合海豚声音信号的效果有关。用数学式表达：
其中，Si为权重系数。gi(t)表示第i阶导数。
F(f)为f(t)的傅立叶变换。
见图4的流程图，本发明用高斯函数、高斯函数的导数或者椭球波函数等基本小波函数拟合海豚声音信号的过程如下：
步骤一：提取出海豚声音信号的包络；
一个信号x(t)的希尔伯特变换为：
于是得到的解析表达式为：
则得到解析表达式的幅度为：
就是原始信号的包络，如图5所示。
步骤二：求得该信号包络的极值点；
设函数x(t)在变量的一个邻域内有定义，若对于该邻域内已于该变量都恒存在：
x(t)＜f(x0)或者x(t)＞f(x0)，则分别称为改点为最大值或者最小值。如果该函数x(t)在该点处可导，则在该点处取得极值，则：x'(t)＝0成立。
步骤三：提取出极值点间的波形；
步骤四：产生N个高斯函数、高斯函数的导数或者椭球波或者扁长椭球波函数等基本小波函数的线性组合；见图6。
步骤五：将高斯组合函数与极值点间的波形进行相关并取最值；见图7。
步骤六：设定一个迭代值，将步骤三～步骤五的过程进行迭代,不断调整高斯线性组合函数的权重。一般情况下，以相关值大于0.9以上，其性能就基本可以达到预设要求。高斯线性组合函数的权重则与最终的拟合效果有关。
对于最终拟合出的仿海豚声音信号，分析该信号的抗噪声性能，保证拟合后的信号正常通信，可以符合通信要求。
本发明以高斯函数为例进行说明，其他基本母小波都可以实现相同功能，都在保护的范围之内。以高斯信号及其导函数作为基函数重构了海洋哺乳类动物声音信号，实现了低截获概率通信，保证了信号的保密性，而且携带信息有所增多，通信质量满足要求，应用于低截获概率通信波形设计中，具有很好的实用性和良好的性能。
Claims (4)
1.基于海洋哺乳类动物信号合成的低截获概率波形设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：提取出海洋哺乳类动物声音信号的包络；
步骤二：求得该信号包络的极值点；
步骤三：提取出极值点间的波形；
步骤四：产生N个基本小波函数及其导函数的线性组合；
步骤五：将组合函数与极值点间的波形进行相关并取最值；
步骤六：设定一个迭代值，重复步骤三～步骤五的过程进行迭代，不断调整线性组合函数的权重。
2.如权利要求1所述的基于海洋哺乳类动物信号合成的低截获概率波形设计方法，其特征在于：所述步骤一具体为先对海洋哺乳类动物声音原始信号求Hilbert变换，然后求得其解析式，其幅度变化即为对应的原始信号的包络变化；
原始信号x(t)的希尔伯特变换为：
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得到的解析表达式为：
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则得到解析表达式的幅度为：
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<mo>+</mo>
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<mo>^</mo>
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<mo>(</mo>
<mi>t</mi>
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</mrow>
</msqrt>
</mrow>
其幅度变化即为对应的原始信号的包络变化。
3.如权利要求1所述的基于海洋哺乳类动物信号合成的低截获概率波形设计方法，其特征在于：所述步骤二具体为通过对于海洋哺乳类动物声音原始信号求微分，通过微分函数为零，求得一系列的解，其对应的位置即为一系列不同的极值点；
设函数x(t)在变量的一个邻域内有定义，若对于该邻域内已于该变量都恒存在：x(t)＜f(x0)或者x(t)＞f(x0)，则分别称为改点为最大值或者最小值，如该函数x(t)在该点处可导，则在该点处取得极值，则：x'(t)＝0成立。
4.如权利要求1所述的基于海洋哺乳类动物信号合成的低截获概率波形设计方法，其特征在于：所述步骤四中的所述基本小波函数为高斯函数、椭球波函数或者扁长椭球波函数。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Yan Huahua Inventor after: Huang Qinghua Inventor after: Chen Youe Inventor before: Huang Qinghua Inventor before: Miao Yongchun |
|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |