CN107612629A - 一种基于环境感知的隐蔽水声通信方法 - Google Patents

Abstract

一种基于环境感知的隐蔽水声通信方法，涉及水声通信。待发送的信息在传输之前，首先对于环境进行探测感知，根据干扰的不同类型与不同的谱分布，结合系统的需求，具体确定设计的变换域类型，通过水声变换域通信系统实现谱探测感知的类型与参数选择，实现隐蔽信息的发送和接收；选择系统的基函数；信息序列波形设计防护；水声变换域通信；信息信号的信息提取。实现信息序列波形设计，保证隐蔽信息和信息同步发送，载体信号一般选择海洋生物信号，保证信息发送的透明性和远距离传输。同时，基于环境感知的隐蔽水声通信，既能够获得高鲁棒性的隐蔽信息加密，抵御较强的攻击，又能够在任意载体信号提高隐蔽信息通信量。

Description

一种基于环境感知的隐蔽水声通信方法

技术领域

本发明涉及水声通信，尤其是涉及一种基于环境感知的隐蔽水声通信方法。

背景技术

隐蔽水声通信在水下军事活动的远程遥控中和海洋安全监控中都有广泛应用，可以为海洋环境监测、海洋资源探测、水下目标探测、海洋科研等提供多种服务。随着海洋开发和水声通信技术的发展，水声通信存在多种不安全性的因素，让敌方有从海洋入侵的可乘之机，不利于我国海洋军事活动，新的军事形势下对隐蔽水声通信提出可更高的要求。

目前，军事潜艇作战和反潜作战、水雷战和反水雷战等水声通信广泛使用隐蔽通信。美国海军研究所和水下作战中心对隐蔽水声通信做了很多研究，其中，美国麻省理工学院构成一款水声通信网络，AquaNodes；Woods Hole海洋研究所利用DSP技术，研制一种水声通信调制解调器，ATM850；日本的冲绳电器公司开发一台具有隐蔽水声通信功能的水下机器人。一些西方发达国家在声呐研究领域中，引入低截获技术，设计一种隐蔽的主动自导系统。在主动声自导机制下，实现了鱼雷隐蔽攻击。这种低截获技术主要利用带宽、扩频机制、伪随机信号和仿真序列等技术手段设计主动隐蔽性信号的波形。国内学者从我国军事需求出发，初步研究了低截获声呐、鱼雷隐蔽探测等方面。2009年，海洋工程大学分析了鱼雷隐蔽性，研究低截获声呐信号的特征；2014年西北工业大学实验室采用Costas编码技术设计了低截获声呐波形。现阶段研究和设计的声呐信号主要包括线性调频信号(LineFrequency Modulation，LFM)、编码调相脉冲(Pulse Code Modulation，PCM)、伪随机信号(Pseudo-Random，PR)、信息曲调频信号(Hyperbolic Frequency Modulation，HFM)、脉间调制信号(Interpulse Modulated signal，IM)、仿生序列(Bionic Sequence，BS)等。这些技术一定程度上保证了水下通信的隐蔽性，保证通信信息的安全性。

然而，传统的隐蔽通信技术降低通信机发射功率达到隐蔽通信目的，由于受水声信道影响，限制了隐蔽通信距离。另外，低信噪比隐蔽水声通信技术，可以通过多次积分方法检测出通信信号存在，测量目标的距离方位，对于高隐蔽性的军事活动，此状况是不允许的。尤其，当特殊紧急的军事中，对于意外环境干扰篡改的信息，即便提取到隐蔽信息，也难以决策信息内容的正确性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的隐蔽通信中，降低信噪比时，导致通信距离短；隐蔽信息受海域复杂环境的干扰，无法确定信息内容是否被篡改或破坏；载体信号源的信息嵌入量低等问题，提供可克服隐蔽水声通信的上述缺陷，需要探究透明性强，鲁棒性高的隐蔽技术和新型波形设计结构的一种基于环境感知的隐蔽水声通信方法。

本发明包括以下步骤：

1)待发送的信息在传输之前，首先对于环境进行探测感知，根据干扰的不同类型与不同的谱分布，结合系统的需求，具体确定设计的变换域类型，通过水声变换域通信系统实现谱探测感知的类型与参数选择，实现隐蔽信息的发送和接收；

2)选择系统的基函数；

在步骤2)中，所述选择系统的基函数的具体方法可为：根据选定的变换域，其变换域可以为DCT域、稀疏域、小波域等不同的变换域，结合环境探测的设计，可以生成不同的基函数，结合系统的需求，选择系统的基函数。

3)信息序列波形设计防护；

在步骤3)中，所述信息序列波形设计防护的具体方法可为：采用子采样方法将载体信号分为相同的两个子信号，利用生成的子信号和隐蔽信息，通过离散分数随机变换方法生成隐蔽信息对应的验证信息，保证信息的透明性，波形设计的基函数在嵌入信息后，并不改变原载体信号的波形。

4)水声变换域通信；

在步骤4)中，所述水声变换域通信的具体方法可为：发射端，一个采样器对通信工作频带的水声环境采样，并输入谱估计器，计算功率谱密度，估计和定位存在的干扰频段；比较估计的水声信号功率谱密度与设置的门限值，剔除整个通信频带中已被干扰部分的信号用于通信传输；对频谱分量进行调整，保证每次发送信号的能量相等，不受频率分量的多少干扰；调整后的频率分量进行变换域变换得到水声波形的基本函数，包含所有的频率分量；并将变换后的波形信号和待发送的数据进行调制，并将信号发射出去；接收端，进行相关接收，判决输出接收到的隐蔽信息。

5)信息信号的信息提取。

在步骤5)中，所述信息信号的信息提取的具体方法可为：对载体信号子采样，生成两个相同部分的载体子信号，采用离散分数随机变换，将子信号和隐蔽信息逐步生成相应的验证信息；发送端，对载体信号子采样，生成载体子信号，嵌入隐蔽信息，并将得到新的载体信号进行重构，获得信息序列波；接收端，对接收到的信息序列波形进行子采样得到载体信号，分别提取出隐蔽信号。

本发明由环境感知模块实现环境的探测与变换域谱参数的探测感知，结合系统需求与性能参数，实现基函数的产生，同时信息序列结合变换域特征与系统环境要求，设计信息序列，通过调制模块实现信息与基函数的调制，通过信道发送；接收端通过基函数，结合相干或者非相干操作，实现信息序列的还原，实现变换域隐蔽通信。本质上，载体信号可以选用任意信号，为了确保隐蔽通信的鲁棒性和更远通信距离，载体信号可以从海洋生物信号选择，如：鲸鱼、海豚等。通过变换域通信，完成水声信号的发送和接收。

本发明的有益效果是：本发明实现信息序列波形设计，保证隐蔽信息和信息同步发送，载体信号一般选择海洋生物信号(如：鲸鱼、海豚)，保证信息发送的透明性和远距离传输。同时，基于环境感知的隐蔽水声通信，既能够获得高鲁棒性的隐蔽信息加密，抵御较强的攻击，又能够在任意载体信号提高隐蔽信息通信量。

附图说明

图1是本发明实施例的整体框架图；

图2是本发明实施例的信息序列波形设计示意图；

图3是本发明实施例的水声变换域通信示意图；

图4是本发明实施例的信息提取示意图。

具体实施方式

1、一种基于环境感知的隐蔽水声通信方法

参见图1，本发明主要包括环境感知模块，基函数产生模块、信息序列产生模块、变换域通信模块、调制模块等模块。由环境感知模块实现环境的探测与变换域谱参数的探测感知，结合系统需求与性能参数，实现基函数的产生，同时信息序列结合变换域特征与系统环境要求，设计信息序列，通过调制模块实现信息与基函数的调制，通过信道发送；接收端通过基函数，结合相干或者非相干操作，实现信息序列的还原，实现变换域隐蔽通信。

2、基函数产生模块机制

通过不同的变换，其变换域的特征各不相同，根据干扰类型与谱的分布，设计相应的谱类型与变换类型，确定变换的谱参数。

根据选择的变换域类型与谱参数，生产相对应的基函数，同时根据一定的相干时间或者相干带宽等参数，设计不同变换域的选择与设计。

实现水声信号的变换域通信。发送端，主要包括水声环境采样器、谱估计、幅度调整、变换域变换、波形基函数存储、数据调制等模块；接收端，主要包括共轭计算、相关接收、判决输出等模块。

根据环境的特征与要求，设计相对应的信息序列及其类型，其信息序列可以为扩频序列、BPSK、QPSK序列及其为变换域变换的信息序列；接收端，对接收到的信息序列波形进行子采样得到两个载体信号，分别提取出基函数与信息序列。

3、信息序列波形设计

参见图2和3，信息序列波形设计对载体信号进行采样，得到相同的两部分子信号，利用离散余弦变换(DCT)求子信号的离散余弦变换系数矩阵，作为压缩感知域的稀疏基，嵌入隐蔽信息。

信息生成的具体过程如下：

(1)信息分帧：假设原始水声信号S＝{x(n)|1≤n≤L}，每一帧采样点个数为N，信号被分成N_f帧；

(2)小波包分解：选择适合水声信号的小波基，分别对每一帧进行三级小波包分解，得到非等宽子带的小波包系数为f_b(j),j＝1,2,…,n_b，n_b为子带b中小波包个数；

(3)根据离散分数随机变换(DFRNT)的核矩阵原理，生成DFRNT核矩阵，并对分解的小波包进行DFRNT变换，计算对应的DFRNT系数矩阵；

(4)将加密后的隐蔽信息嵌入到系数矩阵，得到信息的小波包集合，生成载入隐蔽信息的信号；

参见图2，将生成的加密处理后的隐蔽信息，生成一个待发射的信息序列波形，具体过程如下：

(1)用子采样算法对载体信号I进行下采样，得到两个相同部分的子信号I₁和I₂；

(2)对子信号I₁进行离散余弦变换(DCT)，得到对应的离散余弦变换(DCT)系数矩阵X₁；

(3)将隐蔽信息嵌入到子信号I₁的DCT域；

根据压缩感知原理，通过修改相同位置的测量值大小，在X₁系数矩阵嵌入隐蔽信息为W₁，嵌入策略为：

其中，thd为预先设置的阈值；β为收缩系数。

注意：本发明中载体信号可以为任意信号。对于复杂的海域环境，为了兼顾信号传输距离和信号的透明性，最佳的载体信号一般为海洋生物声信号，如：鲸鱼、海豚等。

4、水声变换域通信

水声变换域通信模块：发射端，一个采样器对通信工作频带的水声环境采样，并输入谱估计器，计算功率谱密度，估计和定位存在的干扰频段；比较估计的水声信号功率谱密度与设置的门限值，剔除整个通信频带中已被干扰部分，将那些“干净”的信号用于通信传输；产生基本波形的频率分量后，选择相位值进行频谱相位编码；对频谱分量进行调整，保证每次发送信号的能量相等，不受频率分量的多少干扰；调整后的频率分量进行变换域变换得到水声波形的基本函数，包含所有的频率分量；并将变换后的波形信号和待发送的数据进行调制，并将信号发射出去。接收端，进行相关接收，判决输出接收到的隐蔽信息。

参见图1和3，水声变换域通信的发送端和接收端，分别由水声环境采样器、门限剔除与谱估计、幅度调整、变换域变换等模块组成。

水声环境频谱探测与估计：在发送端，采用采样器对通信工作频带的水声环境采样，用于估计水声环境谱。通过计算水声环境采样的功率谱密度，估计和定位出干扰频段。

门限判决与谱估计：预先设置的门限值与计算得到的功率谱密度值相比较，确定整个水声环境通信频带中哪些部分受到干扰，哪些部分无干扰，可用于水声信号传输。然后，大于门限值的频带谱值，设置为0，不大于门限值的频带谱值，设置为1，构造一个理想的0和1矩形谱向量。

幅度调整：为了实现发送端和接收端的信息可靠检测和估计，用线性反馈移位寄存器产生相位值序列，分配给门限处理得到的基本波形频率分量，对频谱相位进行编码。无论采用多少频率分量，通过幅度调整，保证发射信号的能量谱相同。

变换域变换：得到频域下的波形基函数，经过逆傅里叶变换可以得到时域下的基函数。为了确保基函数的时域类似海洋环境噪声波形，采用相位随机分布的多个子载波进行叠加。最后，数据调制到基函数上，并将信号发射出去。

5、信号提取和验证

参见图4，接收端，接收到相关的信号后，需要从载体信号中，将隐蔽信号和验证信息提取出来，并用验证信息校验接收到的隐蔽信号是否被篡改。

信息提取的具体步骤如下：

(1)对于载体信号I′，用相应的子采样算法，将信息序列波形信号划分出载体子信号I′₁；

(2)对子信号I′₁进行DCT变换，计算出DCT系数矩阵X′₁；

(3)从X′₁提取出对应的隐蔽信息。

隐蔽信息W′₁提取过程为：

其中，thd1为预先设置提取信息的阈值，通过信息嵌入时的阈值推导得出。

对于本发明的变换处理部分，不仅仅局限于实施部分的DCT变换或者小波变换，还包括所有的FFT变换等所有类型的变换域变换，环境感知部分，除了FFT域、DCT域、小波域等，还包括所有的变换域方法。

本发明同时保护所有基于变换域的简单或者复杂，或者加入信号处理模块：如交织、白化、编码等操作的所有信号处理的全部或者部分操作的系统变换，基于变换域的环境探测生成序列的方法，都在本专利的保护范围内。同时本发明不仅仅局限于水声领域，其无线领域同样受到保护。其区别仅仅是天线的形式发生了改变，其技术的本质并未发生改变。

Claims (5)

1.一种基于环境感知的隐蔽水声通信方法，其特征在于包括以下步骤：

1)待发送的信息在传输之前，首先对于环境进行探测感知，根据干扰的不同类型与不同的谱分布，结合系统的需求，具体确定设计的变换域类型，通过水声变换域通信系统实现谱探测感知的类型与参数选择，实现隐蔽信息的发送和接收；

2)选择系统的基函数；

3)信息序列波形设计防护；

4)水声变换域通信；

5)信息信号的信息提取。

2.如权利要求1所述一种基于环境感知的隐蔽水声通信方法，其特征在于在步骤2)中，所述选择系统的基函数的具体方法为：根据选定的变换域，其变换域为DCT域、稀疏域、小波域不同的变换域，结合环境探测的设计，生成不同的基函数，结合系统的需求，选择系统的基函数。

3.如权利要求1所述一种基于环境感知的隐蔽水声通信方法，其特征在于在步骤3)中，所述信息序列波形设计防护的具体方法为：采用子采样方法将载体信号分为相同的两个子信号，利用生成的子信号和隐蔽信息，通过离散分数随机变换方法生成隐蔽信息对应的验证信息，保证信息的透明性，波形设计的基函数在嵌入信息后，并不改变原载体信号的波形。

4.如权利要求1所述一种基于环境感知的隐蔽水声通信方法，其特征在于在步骤4)中，所述水声变换域通信的具体方法为：

发射端，一个采样器对通信工作频带的水声环境采样，并输入谱估计器，计算功率谱密度，估计和定位存在的干扰频段；比较估计的水声信号功率谱密度与设置的门限值，剔除整个通信频带中已被干扰部分的信号用于通信传输；对频谱分量进行调整，保证每次发送信号的能量相等，不受频率分量的多少干扰；调整后的频率分量进行变换域变换得到水声波形的基本函数，包含所有的频率分量；并将变换后的波形信号和待发送的数据进行调制，并将信号发射出去；

接收端，进行相关接收，判决输出接收到的隐蔽信息。

5.如权利要求1所述一种基于环境感知的隐蔽水声通信方法，其特征在于在步骤5)中，所述信息信号的信息提取的具体方法为：对载体信号子采样，生成两个相同部分的载体子信号，采用离散分数随机变换，将子信号和隐蔽信息逐步生成相应的验证信息；发送端，对载体信号子采样，生成载体子信号，嵌入隐蔽信息，并将得到新的载体信号进行重构，获得信息序列波；接收端，对接收到的信息序列波形进行子采样得到载体信号，分别提取出隐蔽信号。