CN107395292B - 一种基于海洋生物信号分析的信息隐藏技术通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于海洋生物信号分析的信息隐藏技术通信方法，具体为：提取出海洋生物声音信号并建立库文件；求得海洋环境噪声库与海洋声信号传播特性库；根据已知的海洋生物声音信号库、海洋环境噪声库和海洋声信号传播特性库，建立发送端和接收端的海洋环境噪声模型和海洋声信号模型，对发送的海洋生物声音信号实现一定延迟与幅度的回音，并产生传输信号；将获得的传输信号在海洋环境中发送到接收端，接收端接收，并获得回音延迟与幅度的参数；接收端复原隐藏的信息序列。本发明提高了抵抗海洋环境噪声的能力、抵抗互干扰的能力，在保障一定抵抗海洋环境噪声的同时，达到了隐蔽通信的目的。
Description
技术领域
本发明涉及低截获概率通信隐蔽设计，特别涉及一种基于海洋生物信号分析的信息隐藏技术通信方法。
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。这种信号可以选取海洋生物的声音、鲸鱼等哺乳动物。海洋生物的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。
针对传统的海洋低截获通信存在的问题，本发明提出通过结合海洋生物声音与回音结合的隐蔽通信方法，即采用回音的延迟与幅度结合的方法实现隐蔽信息的隐藏，通过传递隐藏的声音信号，达到隐蔽信息传输的目的，这样可以大大提高了信息的保密能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于海洋生物信号分析的信息隐藏技术通信方法，提高抵抗海洋环境噪声的能力、抵抗互干扰的能力，在保障一定抵抗海洋环境噪声的同时达到隐蔽通信。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
基于海洋生物信号分析的信息隐藏技术通信方法，具体的步骤为：
步骤一：提取出海洋生物声音信号并建立库文件；
步骤二：求得海洋环境噪声库与海洋声信号传播特性库；
步骤三：根据已知的海洋生物声音信号库、海洋环境噪声库和海洋声信号传播特性库，建立发送端和接收端的海洋环境噪声模型和海洋声信号传播模型，对发送的海洋生物声音信号产生一定延迟及其对应幅度的回音，并产生传输信号；步骤四：将获得的传输信号在海洋环境中发送到接收端，接收端接收，并通过相干、非相干或者压缩感知的信号处理方法获得回音的延迟及其对应幅度的参数；
步骤五：接收端复原隐藏的信息序列。
优选地，回音的延迟及其对应幅度根据海洋环境动态变化，同时接收端的信号处理方法根据海洋环境噪声特性和海洋声信号传播特性实现对应信号特征的检测与分析。
采用上述技术方案后，本发明与背景技术相比，具有如下优点：
该方法首先提取出海洋生物声音通信信号，然后根据一定的规则分帧；根据海洋信息的先前建立的海洋传输模型的特征，建立不同海洋生物声音的延迟与多普勒模型，通过人为预置不同于海洋信道的延迟的回音，通过与原始发送信号的幅度与延迟量的关系，达到信息携带的目的。在接收端，通过对于接受信号的处理，得到原始信号的不同延迟与幅度的信息，得到其隐藏的通信信息。因为传输的量都为载波信号与不同的延迟量，其延迟的效果并不影响原始量的频域分布、时域效果，反而通过技术手段可以达到立体音的效果，实现时域、频域的信息隐藏。即使发送的信息被截获时，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。
本发明提出用了利用海洋环境噪声、海洋声信号传播特等参数来设计回音延迟的幅度与延迟大小，通过与海洋环境结合设计，提高了抵抗海洋环境噪声的能力，同时与海洋声信号传播特性结合，提高了抵抗互干扰的能力，在保障一定抵抗海洋环境噪声的同时，达到了隐蔽通信的目的。
附图说明
图1是本发明提供的海洋生物的声音信号的一个示例的时域、频域分析图及信号模糊函数图；
图2是本发明提供的海洋环境噪声环境与信道特性估计；
图3是本发明提供的不同回音的延迟与对应幅度的示意图；
图4是本发明提供的基于海洋生物信号分析的信息隐藏技术通信方法的工作流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为使本发明的目的、方案和优点更加清楚明白，本发明以海豚声音为例并结合说明书附图来进行说明，其他基本母小波都可以实现相同功能，都在该权利保护的范围之内。要对海洋生物的声音信号建立文件库进行拟合，首先要对海洋生物的声音信号的时域、频域以及模糊函数进行分析，如图1所示。对海洋生物的声音信号的分析，将作为判定信号传输的依据。通过信号的模糊度函数可以看出，海洋生物的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。
同时海洋环境与海洋声信号传播特性都在影响着发送信号的设计，因此有必要产生在发送信号之前实现对不同区域与不同状况下的海洋声信号传播库的特性参数库文件，划分在不同海洋情况下的设计参数规则，如冲击响应特性，不同距离下的延迟分布与信号的衰减特性，请参阅图2。
在许多情况下，海洋具有很大的时变特性，海洋环境与信息隐藏的参数也应该与海洋环境相一致，因此，其回音的延迟与对应的幅度应该根据海洋环境实现动态变化，以达到与海洋环境适应的程度。通过得到的海洋生物信号库文件与海洋环境噪声库、海洋声信号传播特性库文件，选择在不同海洋环境下的海洋生物原始声音信号文件。通过设计不同回音延迟的参数与在此参数下的幅度值参数，如图3，通过参数设计实现信息的隐藏，两个参数可以实现两维的调制，如调幅与调相，或者延迟实现一维的调制，达到信息携带与隐藏的目的，因为用的是已有的声音信号，即使被拦截也不容易被侦测到信息的携带。
其虽然设计好了不同的回音的延迟参数与幅度，但都有一定的调节空间，其调节的依据需要根据已有的声音评估指标或者威尔逊相关系数来评估，得到的声音质控制在一定的可接受范围。根据信道特性的延迟与不同的幅度关系，建立回音与信道特性回音与幅度的方法设计，达到在抵抗一定海洋环境噪声的同时，能够抵抗海洋环境的互干扰。
接收到的信号根据一定的算法如相干检测、非相干检测或者压缩感知等算法，检测出延迟参数与幅度参数，实现隐藏信息的解调。接收端的处理技术应该根据海洋环境噪声特性、信号特性等特征实现对应信号特征的检测与分析。
在许多情况下，单个回音或者单个声音信号所具备的特征并不能满足某些要求，所以本发明使用N个声音信号或者回音的线性组合，每个函数、认为是N维空间中的基函数。用数学式表达：
其中，Si为权重系数。gi(t)表示第i个函数。
F(f)为f(t)的傅立叶变换。
综上所述，本发明用海洋生物信号与回音设计的隐蔽通信系统过程如下，请参阅图4：
步骤一：提取出海洋生物的声音信号库文件；
步骤二：生成海洋环境噪声与海洋声信号传播的特性库文件；
步骤三：根据库文件的特征实现一定延迟与幅度的回音设计；
步骤四：可以产生N个函数或者不同回音函数的线性组合；
步骤五：将获得的传输信号进行传输并在接收端接收对应的信号；
步骤六：通过一定的算法如相干、非相干、或者压缩感知算法实现回音的参数检测，回复隐蔽通信的信息。
对于最终恢复出的海洋生物的声音信号，分析该信号的抗噪声性能，保证生产后的信号正常通信，可以符合通信要求。
采用上述技术方案后，本发明与背景技术相比，具有如下优点：
该方法首先提取出海洋生物声音通信信号，然后根据一定的规则分帧；根据海洋信息的先前建立的海洋传输模型的特征，建立不同海洋生物声音的延迟与多普勒模型，通过人为预置不同于海洋信道的延迟的回音，通过与原始发送信号的幅度与延迟量的关系，达到信息携带的目的。在接收端，通过对于接受信号的处理，得到原始信号的不同延迟与幅度的信息，得到其隐藏的通信信息。因为传输的量都为载波信号与不同的延迟量，其延迟的效果并不影响原始量的频域分布、时域效果，反而通过技术手段可以达到立体音的效果，实现时域、频域的信息隐藏。即使发送的信息被截获时，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。
本发明提出用了利用海洋环境噪声、海洋声信号传播特等参数来设计回音延迟的幅度与延迟大小，通过与海洋环境结合设计，提高了抵抗海洋环境噪声的能力，同时与海洋声信号传播特性结合，提高了抵抗互干扰的能力，在保障一定抵抗海洋环境噪声的同时，达到了隐蔽通信的目的。
本发明以海豚声音为例进行说明，其他基本母小波都可以实现相同功能，都在该权利保护的范围之内。以海豚声音信号及其不同的回音函数作为基函数产生传输的海洋生物的声音信号，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。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (1)
1.一种基于海洋生物信号分析的信息隐藏技术通信方法，其特征在于，具体的步骤为：
步骤一：提取出海洋生物声音信号并建立库文件；
步骤二：求得海洋环境噪声库与海洋声信号传播特性库；
步骤三：根据已知的海洋生物声音信号库、海洋环境噪声库和海洋声信号传播特性库，建立发送端和接收端的海洋环境噪声模型和海洋声信号传播模型，对发送的海洋生物声音信号产生一定延迟及该延迟对应的幅度的回音，并产生传输信号，所述回音的延迟及该延迟对应的幅度根据海洋环境动态变化；
步骤四：将获得的传输信号在海洋环境中发送到接收端，接收端接收，接收端根据海洋环境噪声特性和海洋声信号传播特性实现对应信号特征的检测与分析，通过相干、非相干或者压缩感知的信号处理方法获得回音的延迟及其对应幅度的参数；
步骤五：接收端复原隐藏的信息序列。
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