CN107888372B - 基于混沌振子阵元水下声纳通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于混沌振子阵元水下声纳通信系统，它包括接收模块、调制模块、换能模块提取模块和还原模块，接收模块通过声电传感器、模数转换器将声呐声波转换成数字电信号；调制模块利用混沌阵元传感器构造阵列；换能模块将声纳发射超声波转换成晶体震动，推动声呐周围的水就产生的超声波的辐射；提取模块利用非线性系统混沌判据方法，对弱信号进行参数估计；还原模块运用混沌判据，实现对含有信息的噪声进行解析，运用杜芬方程解出具体的原信息。本发明的一种基于混沌振子阵元水下声纳通信系统，以具体硬件电路实现杜芬系统理论中的混沌现象对信号进行处理，可实现对55KHz的信号进行探测，优点是不易暴露、无法破译、抗噪性能突出。
Description
技术领域
本发明涉及声呐通信领域，尤其涉及一种基于混沌振子阵元水下声纳通信系统。
背景技术
传统的水下通信系统的输入端把要传输的信号通过传感器转换成电信号，然后经编码使信息数字化，把数字量的信号经水声换能器转换为声信号在水中传播。输出端把接收到的声信号经过水听器转换、破译、解码输送到电接收机，还原出相应信号。传统水下声纳通信的缺点是探测波短，容易暴露位置，由于水中环境复杂，信号容易丢失，在传播过程中受噪声影响大。比较直接的因素有传播衰减、多路径效应、混响干扰、海洋噪声、自噪声、目标反射特征或辐射噪声强度等，它们大多与海洋环境因素有关。例如，声波在传播途中受海水介质不均匀分布和海面、海底的影响和制约，会产生折射、散射、反射和干涉，会产生声线弯曲、信号起伏和畸变，造成传播途径的改变，以及出现声阴区，严重影响声纳的作用距离和测量精度。
自1990年美国海军实验室的Pecora和Carroll发现在一定条件下混沌系统可以实现同步之后，利用混沌和混沌同步实现保密通信已经成为近年来保密通信技术的研究热点。由于混沌现象是非线性系统中出现的确定性的、类随机的过程。它是非周期的、有界的、但不收敛的过程，并对初始条件极为敏感。其中根据混沌序列对初始条件的敏感性，可用于多址通信；它的类噪声特性可提高通信系统的保密性；它的可准确再生，可以用于混沌掩盖和信号恢复。
混沌保密通信的基本思想是利用混沌信号作为载波，将传输信号隐藏在混沌载波之中，或者通过符号动力学分析赋予不同的波形以不同的信息序列，在接收端利用混沌的属性或同步特性解调出所传输的信息。
西安理工大学任海鹏提出一种基于混杂系统产生混沌信号的水声定位方法。与相应的混沌匹配滤波相结合，可以有效减小多径干扰和噪声影响。与传统方法和现有混沌定位方法相比，该方法可以有效抵抗多径效应，提高定位精度，同时具有良好的环境兼容性。但是其只是在理论上进行研究，并没有在实际硬件领域实现实用性的突破。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足而提供一种基于混沌振子阵元水下声纳通信系统，以具体硬件电路实现杜芬系统理论中的混沌现象对信号进行处理，可实现对高达55KHz的信号进行探测，还原模块运用混沌判据，实现对含有信息的噪声进行解析得出有用的原信息，运用杜芬方程解出具体的原信息。优点是不易暴露、无法破译、抗噪性能突出，产品技术水平高，具有很强的创新性，可应用于潜艇声纳通信、海洋生物研究、海底科研数据传输。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现。
一种基于混沌振子阵元水下声纳通信系统，它包括接收模块、调制模块、换能模块、提取模块和还原模块；所述接收模块连接调制模块，所述调制模块连接提取模块，所述提取模块分别连接换能模块和还原模块；
所述接收模块通过声电传感器、模数转换器将声呐声波转换成数字电信号，将即原始信号和混沌信号一起输入到混沌振子中；
所述调制模块利用混沌阵元传感器构造阵列；
所述换能模块利用晶体或压电陶瓷的压电效应，将声纳发射超声波转换成晶体震动，推动声呐周围的水就产生的超声波的辐射；
所述提取模块利用非线性系统混沌判据方法，对弱信号进行参数估计，实现弱信号幅值和频率的直接估计；
所述还原模块运用混沌判据，实现对含有信息的噪声进行解析，运用杜芬方程解出具体的原信息。
进一步的，所述接收模块接收信号的频率为小于55KHz。
进一步的，所述接收信号的信噪比大于-70dB。
进一步的，所述提取模块中设置有混沌信号检测电路模块。
进一步的，所述混沌信号检测电路模块包括信号输入端模块、放大和积分电路模块、乘法器电路模块、反馈放大电路模块和基准信号输入端模块，所述信号输入端模块与放大和积分电路模块连接，放大和积分电路模块与乘法器电路模块连接，乘法器电路模块分别与基准信号输入端模块和反馈放大电路模块连接，反馈放大电路模块与信号输入端模块连接。
本发明的一种基于混沌振子阵元水下声纳通信系统，以具体硬件电路实现杜芬系统理论中的混沌现象对信号进行处理，可实现对55KHz的信号进行探测，优点是不易暴露、无法破译、抗噪性能突出。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的混沌信号检测电路模块的结构示意图；
图中：1、接收模块；2、调制模块；3、换能模块；4、提取模块；5、还原模块；41、混沌信号检测电路模块；411、供电端模块；412、信号输入端模块；413、放大和积分电路模块；414、乘法器电路模块；415、反馈放大电路模块；416、基准信号输入端模块。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但不局限于说明书上的内容。
如图所示：一种基于混沌振子阵元水下声纳通信系统，它包括接收模块1、调制模块2、换能模块3、提取模块4和还原模块5。
接收模块1通过声电传感器、模数转换器将声呐声波转换成数字电信号，即为原始信号和混沌信号一起输入到混沌振子中。
调制模块2利用混沌阵元传感器构造阵列。
换能模块3利用晶体或压电陶瓷的压电效应，声纳发射超声波时就把超声波振荡电压加在晶体薄片的两个端面上，晶体的厚度会随着超声波振荡电压而变化，产生超声波震动，晶体震动推动周围的水就产生的超声波的辐射。
提取模块4利用非线性系统混沌判据方法，利用混沌方法对弱信号进行参数估计，实现弱信号幅值和频率的直接估计。
还原模块5运用混沌判据，实现对含有信息的噪声进行解析，运用杜芬方程解出具体的原信息。
接收模块1连接调制模块2、调制模块2连接提取模块4，提取模块4分别连接换能模块3和还原模块5。
在提取模块4中设置有混沌信号检测电路模块41，混沌信号检测电路模块41包括供电端模块411、信号输入端模块412、放大和积分电路模块413、乘法器电路模块414、反馈放大电路模块415和基准信号输入端模块416，供电端模块411依次连接信号输入端模块412、放大和积分电路模块413、乘法器电路模块414、反馈放大电路模块415和基准信号输入端模块416，所述信号输入端模块412与放大和积分电路模块413连接，放大和积分电路模块413与乘法器电路模块414连接，乘法器电路模块414分别与基准信号输入端模块416和反馈放大电路模块415连接，反馈放大电路模块415与信号输入端模块412连接。
供电端模块411为整个混沌系统提供电源，信号输入端模块412接收被测量的输入信号，信号经过放大和积分电路模块413将正弦周期信号放大，采用乘法器电路模块414对输入信号与基准信号输入端模块416输入的基准信号相乘，后经反馈放大电路模块415将输出信号回送至基准信号输入端模块416，经过振荡耦合后形成混沌输出。如果输入信号和基准信号输入是同频率信号，那么输出端的状态就是混沌的，如果频率不相同，输出信号就是非混沌状态，采用这种方法检测声波振动信号的状态。
将混沌信号用于主动声呐探测有很多优点，首先，由于混沌信号具有类噪声特性，将信息信号隐藏或叠加到混沌信号上发送后，一般会以为是噪声信号，目标很难觉察到声纳的存在，也不易被敌方侦察声纳所截获，隐蔽性好。只有通过混沌同步解调，才可以得到发送的信息信号。其次，混沌信号与海洋背景噪声类似，不会干扰海洋生物发出的生物波，故不会扰乱海洋生物的习性；再次，海洋中的多径效应明显、噪声复杂，混沌信号与相应的混沌匹配滤波可以降低多径干扰和噪声干扰，提高精度，接收信号在-70dB的信噪比环境中仍然能够保证良好的接收灵明度和分辨率。
本发明的一种基于混沌振子阵元水下声纳通信系统，以具体硬件电路实现杜芬系统理论中的混沌现象对信号进行处理，可实现对55KHz的信号进行探测，还原模块运用混沌判据，实现对含有信息的噪声进行解析得出有用的原信息，运用杜芬方程解出具体的原信息。优点是不易暴露、无法破译、抗噪性能突出，产品技术水平高，具有很强的创新性，可应用于潜艇声纳通信、海洋生物研究、海底科研数据传输。
显然，本发明的上述实施方式仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (3)
1.一种基于混沌振子阵元水下声纳通信系统，其特征在于：它包括接收模块(1)、调制模块(2)、换能模块(3)、提取模块(4)和还原模块(5)；所述接收模块(1)连接调制模块(2)，所述调制模块(2)连接提取模块(4)，所述提取模块(4)分别连接换能模块(3)和还原模块(5)；
所述接收模块(1)通过声电传感器、模数转换器将声呐声波转换成数字电信号，将即原始信号和混沌信号一起输入到混沌振子中；
所述调制模块(2)利用混沌阵元传感器构造阵列；
所述换能模块(3)利用晶体和压电陶瓷的压电效应，将声纳发射超声波转换成晶体震动，推动声呐周围的水就产生的超声波的辐射；
所述提取模块(4)利用非线性系统混沌判据方法，对弱信号进行参数估计，实现弱信号幅值和频率的直接估计；
所述还原模块(5)运用混沌判据，实现对含有信息的噪声进行解析，运用杜芬方程解出具体的原信息；
所述提取模块(4)中设置有混沌信号检测电路模块(41)，所述混沌信号检测电路模块(41)包括信号输入端模块(412)、放大和积分电路模块(413)、乘法器电路模块(414)、反馈放大电路模块(415)和基准信号输入端模块(416)，所述信号输入端模块(412)与放大和积分电路模块(413)连接，放大和积分电路模块(413)与乘法器电路模块(414)连接，乘法器电路模块(414)分别与基准信号输入端模块(416)和反馈放大电路模块(415)连接，反馈放大电路模块(415)与信号输入端模块(412)连接；
供电端模块(411)为整个混沌系统提供电源，信号输入端模块(412)接收被测量的输入信号，信号经过放大和积分电路模块(413)将正弦周期信号放大，采用乘法器电路模块(414)对输入信号与基准信号输入端模块(416)输入的基准信号相乘，后经反馈放大电路模块(415)将输出信号回送至基准信号输入端模块(416)，经过振荡耦合后形成混沌输出。
2.根据权利要求1所述的基于混沌振子阵元水下声纳通信系统，其特征在于：所述接收模块(1)接收信号的频率为小于55KHz。
3.根据权利要求1所述的基于混沌振子阵元水下声纳通信系统，其特征在于：接收信号的信噪比大于-70dB。
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| GR01 | Patent grant | ||
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