CN108880698B - 基于鲸类叫声脉冲时间长度的通信方法及装置 - Google Patents

基于鲸类叫声脉冲时间长度的通信方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于水下通信技术领域，为提高水声通信的隐蔽性，本发明采用的技术方案是，基于鲸类叫声脉冲时间长度的通信方法及装置，通信编码器从鲸类叫声脉冲库中选取相应时间长度的叫声脉冲，对通信息进行编码，然后，将带有编码信息的鲸类叫声脉冲传输给声源；声源鲸类叫声脉冲发向水中；通信解码器根据每个叫声脉冲的持续时间长度的大小，对通信信息进行解码，然后将解码出的通信信息通过通信信号输出器输出。本发明主要应用于水下隐蔽通信场合。

Description

基于鲸类叫声脉冲时间长度的通信方法及装置
技术领域
本发明属于通信技术领域，特别是一种基于鲸类叫声脉冲时间长度的通信方法及装置。
背景技术
水下隐蔽声波通信在军事应用中具有非常重要的作用。水下声波通信设备在进行通信时，必须向水中发射出声波信号，以传递通信信号给通信接收方。由于水下声波通信设备必须向水中发射出声波信号，而这些声波信号很容易被敌人的侦查系统探测和识别，所以水下隐蔽声波通信设备的隐蔽性与水下隐蔽声波通信设备所发出的声波信号有直接的关系。为了提高水声通信的隐蔽性，传统方法一般采用频率在跳变的线性调频信号作为载频波形来增加敌人的侦查系统解码通信信息的难度，但是，由于线性调频信号具有非常明显的特征，如它的频率线性变化、它的功率谱为矩形等，所以很容易引起敌人侦查系统的注意，一旦敌人的侦查系统注意到了这些信息，就能利用这些线性调频信号对水下声波通信设备进行定位或是摧毁。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种基于鲸类叫声脉冲时间长度的通信方法及装置。为此，本发明采用的技术方案是，基于鲸类叫声脉冲时间长度的通信方法，步骤如下：
第一步：通信信息发送端的编码方法如下：
持续时间最长的叫声脉冲的持续时间长度用M1表示，持续时间最短的叫声脉冲的持续时间长度用M2表示；
进一步地，在M1的基础上加上△T得到M3，即M3＝M1+△T；且在M2的基础上减去△T得到M4，即M4＝M2-△T；进一步地，△T代表一个时间长度，它的大小可根据实际应用需要进行设定；
进一步地，用M3减去M4获得M5，也就是M5＝M3-M4；
进一步地，将时间段M5平均等分成2K份，然后可知每份的时间长度M6为M6＝M5/2K；K是一个自然数；
进一步地，在通信信息发送端，用tp代表每个被发送的叫声脉冲的持续时间长度；当tp满足M4+0×M6<tp<M4+1×M6时，该叫声脉冲编码的通信信息为
Figure BDA0001686573910000011
当tp满足M4+1×M6<tp<M4+2×M6时，该叫声脉冲编码的通信信息为/>
Figure BDA0001686573910000012
当tp满足M4+2×M6<tp<M4+3×M6时，该叫声脉冲编码的通信信息为/>
Figure BDA0001686573910000013
依此类推，当tp满足M4+(2K-1)×M6<tp<M4+2K×M6时，该叫声脉冲编码的通信信息为/>
Figure BDA0001686573910000014
第二步：通信信息接收端的解码方法如下：
对通信接收机接收到的每个叫声脉冲进行短时能量谱计算；
进一步地，设定一个能量阈值ET，计算出短时能量谱中能量值都大于ET的时间长度，则该时间长度即为该叫声脉冲的持续时间长度tp；
进一步地，根据前述通信编码原理，判断tp所属的范围；更具体地，当tp满足M4+0×M6<tp<M4+1×M6时，通过该叫声脉冲解码出的通信信息为
Figure BDA0001686573910000021
当tp满足M4+1×M6<tp<M4+2×M6时，通过该叫声脉冲解码出的通信信息为/>
Figure BDA0001686573910000022
当tp满足M4+2×M6<tp<M4+3×M6时，通过该叫声脉冲解码出的通信信息为/>
Figure BDA0001686573910000023
依此类推，当tp满足M4+(2K-1)×M6<tp<M4+2K×M6时，通过该叫声脉冲解码出的通信信息为/>
Figure BDA0001686573910000024
基于鲸类叫声脉冲时间长度的通信装置，结构如下：
通信发射平台：
待传输的通信信息被传输到通信编码器，通信编码器通过现场可编程门阵列FPGA硬件芯片来实现，通信编码器根据前述通信信息发送端的编码方法，从鲸类叫声脉冲库中选取相应时间长度的叫声脉冲，对通信息进行编码，然后，将带有编码信息的鲸类叫声脉冲传输给声源；声源鲸类叫声脉冲发向水中；进一步地，鲸类叫声脉冲库由各种具有不同时间长度的鲸类产生的真实的叫声脉冲组成，鲸类叫声脉冲库存储在数据存储硬件芯片上；
通信接收平台的实现如下：
鲸类叫声脉冲信号被水听器接收到后，水听器将声信号转换成电信号，然后传输至短时能量谱计算器；
进一步地，短时能量谱计算器对接收到的信号进行短时能量谱计算后，获得每个叫声脉冲的短时能量谱，然后，再将每个叫声脉冲的短时能量谱传送至脉冲长度计算器；
进一步地，基于设定的能量阈值ET，脉冲长度计算器计算出每个叫声脉冲的持续时间长度tp，然后，再将tp传送至通信解码器；
进一步地，根据通信信息接收端的解码方法，通信解码器根据tp的大小，对通信信息进行解码，然后将解码出的通信信息通过通信信号输出器输出。
本发明的特点及有益效果是：
鲸类原始叫声脉冲丰富多样、持续时间长度各异，因此，本发明提出利用鲸类不同叫声脉冲的不同持续时间长度去进行通信信息编码，以携带通信信息。因而本发明提出的通信技术方案不易被察觉，能够有效保证水下通信设备的安全。
附图说明：
图1示出本发明中所述例子中宽吻海豚连续发出9个叫声脉冲的时频图。
图2示出本发明中所述的某一个鲸类叫声脉冲的时频图以及与它相对应的短时能量谱图。
图3示出本发明中所述的通信发射平台。
图4示出本发明中所述的通信接收平台。
图3中：1为待传输的通信信息；2为通信编码器；3为鲸类叫声脉冲库；4为声源。
图4中：5为水听器；6为短时能量谱计算器；7为脉冲长度计算器；8为通信解码器；9为通信信息输出器。
具体实施方式
与传统方法不同，本发明设计了一种基于鲸类叫声脉冲时间长度的通信方法及装置。鲸类原始叫声脉冲丰富多样、持续时间长度各异，因此，本发明提出利用鲸类不同叫声脉冲的不同持续时间长度去进行通信信息编码，以携带通信信息。
本发明提供一种基于鲸类叫声脉冲时间长度的通信方法及装置。
海洋中鲸类所发出的叫声脉冲非常丰富，其中一个很重要的特性是不同的叫声脉冲，通常具有不同的持续时间长度。图1给出了一个具体的例子；宽吻海豚(bottlenosedolphin)连续地发出了9个叫声脉冲，这些叫声脉冲的时频图如图1所示；从图1中可以看出，9个叫声脉冲中每个叫声脉冲的持续时间长度各不相同，且分别为T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8和T9。
第一步：通信信息发送端的编码方法如下：
持续时间最长的叫声脉冲的持续时间长度用M1表示，持续时间最短的叫声脉冲的持续时间长度用M2表示；
进一步地，在M1的基础上加上△T得到M3，即M3＝M1+△T；且在M2的基础上减去△T得到M4，即M4＝M2-△T；进一步地，△T代表一个时间长度，它的大小可根据实际应用需要进行设定；
进一步地，用M3减去M4获得M5，也就是M5＝M3-M4；
进一步地，将时间段M5平均等分成2K份，然后可知每份的时间长度M6为M6＝M5/2K；K是一个自然数；
进一步地，在通信信息发送端，用tp代表每个被发送的叫声脉冲的持续时间长度；当tp满足M4+0×M6<tp<M4+1×M6时，该叫声脉冲编码的通信信息为
Figure BDA0001686573910000031
当tp满足M4+1×M6<tp<M4+2×M6时，该叫声脉冲编码的通信信息为/>
Figure BDA0001686573910000032
当tp满足M4+2×M6<tp<M4+3×M6时，该叫声脉冲编码的通信信息为/>
Figure BDA0001686573910000033
依此类推，当tp满足M4+(2K-1)×M6<tp<M4+2K×M6时，该叫声脉冲编码的通信信息为/>
Figure BDA0001686573910000034
第二步：通信信息接收端的解码方法如下：
对通信接收机接收到的每个叫声脉冲进行短时能量谱计算，如图2所示；
进一步地，设定一个能量阈值ET，计算出短时能量谱中能量值都大于ET的时间长度，则该时间长度即为该叫声脉冲的持续时间长度tp；
进一步地，根据前述通信编码原理，判断tp所属的范围；更具体地，当tp满足M4+0×M6<tp<M4+1×M6时，通过该叫声脉冲解码出的通信信息为
Figure BDA0001686573910000041
当tp满足M4+1×M6<tp<M4+2×M6时，通过该叫声脉冲解码出的通信信息为/>
Figure BDA0001686573910000042
当tp满足M4+2×M6<tp<M4+3×M6时，通过该叫声脉冲解码出的通信信息为/>
Figure BDA0001686573910000043
依此类推，当tp满足M4+(2K-1)×M6<tp<M4+2K×M6时，通过该叫声脉冲解码出的通信信息为/>
Figure BDA0001686573910000044
第三步：通信编解码的实现如下：
通信发射平台的实现如下：
待传输的通信信息1被传输到通信编码器2，通信编码器通过现场可编程门阵列FPGA硬件芯片来实现；通信编码器2根据本发明中所述通信信息发送端的编码方法，从鲸类叫声脉冲库3中选取相应时间长度的叫声脉冲，对通信息进行编码，然后，将带有编码信息的鲸类叫声脉冲传输给声源4；声源4将鲸类叫声脉冲发向水中；进一步地，鲸类叫声脉冲库3由各种具有不同时间长度的鲸类产生的真实的叫声脉冲组成，鲸类叫声脉冲库中的数据可以存储在数据存储硬件芯片上，如先入先出FIFO存储器芯片、第二代双速率内存DDR2等；
通信接收平台的实现如下：
鲸类叫声脉冲信号被水听器5接收到后，水听器5将声信号转换成电信号，然后传输至短时能量谱计算器6；
进一步地，短时能量谱计算器6对接收到的信号进行短时能量谱计算后，获得每个叫声脉冲的短时能量谱，然后，再将每个叫声脉冲的短时能量谱传送至脉冲长度计算器7；
进一步地，基于设定的能量阈值ET，脉冲长度计算器7计算出每个叫声脉冲的持续时间长度tp，然后，再将tp传送至通信解码器8；通信解码器通过现场可编程门阵列FPGA硬件芯片来实现；
进一步地，根据本发明中所述通信信息接收端的解码方法，通信解码器8根据tp的大小，对通信信息进行解码，然后将解码出的通信信息通过通信信号输出器9输出。
本发明提供一种基于鲸类叫声脉冲时间长度的通信方法及装置。
海洋中鲸类所发出的叫声脉冲非常丰富，其中一个很重要的特性是不同的叫声脉冲，通常具有不同的持续时间长度。图1给出了一个具体的例子；宽吻海豚(bottlenosedolphin)连续地发出了9个叫声脉冲，这些叫声脉冲的时频图如图1所示；从图1中可以看出，9个叫声脉冲中每个叫声脉冲的持续时间长度各不相同，且分别用T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8和T9表示。
第一步：通信信息发送端的编码方法如下：
持续时间最长的叫声脉冲的持续时间长度用M1表示，持续时间最短的叫声脉冲的持续时间长度用M2表示；
进一步地，在M1的基础上加上△T得到M3，即M3＝M1+△T；且在M2的基础上减去△T得到M4，即M4＝M2-△T；进一步地，△T代表一个时间长度，它的大小可根据实际应用需要进行设定；
进一步地，用M3减去M4获得M5，也就是M5＝M3-M4；
进一步地，将时间段M5平均等分成2K份，然后可知每份的时间长度M6为M6＝M5/2K；
进一步地，在通信信息发送端，用tp代表每个被发送的叫声脉冲的持续时间长度；当tp满足M4+0×M6<tp<M4+1×M6时，该叫声脉冲编码的通信信息为
Figure BDA0001686573910000051
当tp满足M4+1×M6<tp<M4+2×M6时，该叫声脉冲编码的通信信息为/>
Figure BDA0001686573910000052
当tp满足M4+2×M6<tp<M4+3×M6时，该叫声脉冲编码的通信信息为/>
Figure BDA0001686573910000053
依此类推，当tp满足M4+(2K-1)×M6<tp<M4+2K×M6时，该叫声脉冲编码的通信信息为/>
Figure BDA0001686573910000054
进一步地，给出一个具体的实例如下：假设M1＝2秒，M2＝0.5秒，△T＝0.1秒，K＝3，则M3＝2.1秒，M4＝0.4秒，M5＝1.7秒，M6＝1.7/23秒；进一步地，当0.4<tp<0.4+0.2125时，该叫声脉冲编码的通信信息为000；当0.4+0.2125<tp<0.4+2×0.2125时，该叫声脉冲编码的通信信息为001；当0.4+2×0.2125<tp<0.4+3×0.2125时，该叫声脉冲编码的通信信息为010；当0.4+3×0.2125<tp<0.4+4×0.2125时，该叫声脉冲编码的通信信息为011；当0.4+4×0.2125<tp<0.4+5×0.2125时，该叫声脉冲编码的通信信息为100；当0.4+5×0.2125<tp<0.4+6×0.2125时，该叫声脉冲编码的通信信息为101；当0.4+6×0.2125<tp<0.4+7×0.2125时，该叫声脉冲编码的通信信息为110；当0.4+7×0.2125<tp<0.4+8×0.2125时，该叫声脉冲编码的通信信息为111。
第二步：通信信息接收端的解码方法如下：
对通信接收机接收到的每个叫声脉冲进行短时能量谱计算，如图2所示；
进一步地，设定一个能量阈值ET，计算出短时能量谱中能量值都大于ET的时间长度，则该时间长度即为该叫声脉冲的持续时间长度tp；
进一步地，根据前述通信编码原理，判断tp所属的范围；更具体地，当tp满足M4+0×M6<tp<M4+1×M6时，通过该叫声脉冲解码出的通信信息为
Figure BDA0001686573910000061
当tp满足M4+1×M6<tp<M4+2×M6时，通过该叫声脉冲解码出的通信信息为/>
Figure BDA0001686573910000062
当tp满足M4+2×M6<tp<M4+3×M6时，通过该叫声脉冲解码出的通信信息为/>
Figure BDA0001686573910000063
依此类推，当tp满足M4+(2K-1)×M6<tp<M4+2K×M6时，通过该叫声脉冲解码出的通信信息为/>
Figure BDA0001686573910000064
进一步地，与本发明中前述具体实例对应，当接收到的叫声脉冲的持续时间长度tp满足0.4<tp<0.4+0.2125时，该叫声脉冲解码出的通信信息为000；当0.4+0.2125<tp<0.4+2×0.2125时，该叫声脉冲解码出的通信信息为001；当0.4+2×0.2125<tp<0.4+3×0.2125时，该叫声脉冲解码出的通信信息为010；当0.4+3×0.2125<tp<0.4+4×0.2125时，该叫声脉冲解码出的通信信息为011；当0.4+4×0.2125<tp<0.4+5×0.2125时，该叫声脉冲解码出的通信信息为100；当0.4+5×0.2125<tp<0.4+6×0.2125时，该叫声脉冲解码出的通信信息为101；当0.4+6×0.2125<tp<0.4+7×0.2125时，该叫声脉冲解码出的通信信息为110；当0.4+7×0.2125<tp<0.4+8×0.2125时，该叫声脉冲解码出的通信信息为111。
第三步：通信编解码的实现如下：
通信发射平台的实现如下：
待传输的通信信息1被传输到通信编码器2，通信编码器2根据本发明中所述通信信息发送端的编码方法，从鲸类叫声脉冲库3中选取相应时间长度的叫声脉冲，对通信息进行编码，然后，将带有编码信息的鲸类叫声脉冲传输给声源4；声源4将鲸类叫声脉冲发向水中；进一步地，鲸类叫声脉冲库3由各种具有不同时间长度的鲸类产生的真实的叫声脉冲组成；
通信接收平台的实现如下：
鲸类叫声脉冲信号被水听器5接收到后，水听器5将声信号转换成电信号，然后传输至短时能量谱计算器6；
进一步地，短时能量谱计算器6对接收到的信号进行短时能量谱计算后，获得每个叫声脉冲的短时能量谱，然后，再将每个叫声脉冲的短时能量谱传送至脉冲长度计算器7；
进一步地，基于设定的能量阈值ET，脉冲长度计算器7计算出每个叫声脉冲的持续时间长度tp，然后，再将tp传送至通信解码器8；
进一步地，根据本发明中所述通信信息接收端的解码方法，通信解码器8根据tp的大小，对通信信息进行解码，然后将解码出的通信信息通过通信信号输出器9输出。

Claims (2)

1.一种基于鲸类叫声脉冲时间长度的通信方法，其特征是，步骤如下：
第一步：通信信息发送端的编码方法如下：
持续时间最长的叫声脉冲的持续时间长度用M1表示，持续时间最短的叫声脉冲的持续时间长度用M2表示；
进一步地，在M1的基础上加上△T得到M3，即M3＝M1+△T；且在M2的基础上减去△T得到M4，即M4＝M2-△T；进一步地，△T代表一个时间长度，它的大小可根据实际应用需要进行设定；
进一步地，用M3减去M4获得M5，也就是M5＝M3-M4；
进一步地，将时间段M5平均等分成2K份，然后可知每份的时间长度M6为M6＝M5/2K；K是一个自然数；
进一步地，在通信信息发送端，用tp代表每个被发送的叫声脉冲的持续时间长度；当tp满足M4+0×M6<tp<M4+1×M6时，该叫声脉冲编码的通信信息为
Figure FDA0001686573900000011
当tp满足M4+1×M6<tp<M4+2×M6时，该叫声脉冲编码的通信信息为/>
Figure FDA0001686573900000012
当tp满足M4+2×M6<tp<M4+3×M6时，该叫声脉冲编码的通信信息为/>
Figure FDA0001686573900000013
依此类推，当tp满足M4+(2K-1)×M6<tp<M4+2K×M6时，该叫声脉冲编码的通信信息为/>
Figure FDA0001686573900000014
第二步：通信信息接收端的解码方法如下：
对通信接收机接收到的每个叫声脉冲进行短时能量谱计算；
进一步地，设定一个能量阈值ET，计算出短时能量谱中能量值都大于ET的时间长度，则该时间长度即为该叫声脉冲的持续时间长度tp；
进一步地，根据前述通信编码原理，判断tp所属的范围；更具体地，当tp满足M4+0×M6<tp<M4+1×M6时，通过该叫声脉冲解码出的通信信息为
Figure FDA0001686573900000015
当tp满足M4+1×M6<tp<M4+2×M6时，通过该叫声脉冲解码出的通信信息为/>
Figure FDA0001686573900000016
当tp满足M4+2×M6<tp<M4+3×M6时，通过该叫声脉冲解码出的通信信息为/>
Figure FDA0001686573900000017
依此类推，当tp满足M4+(2K-1)×M6<tp<M4+2K×M6时，通过该叫声脉冲解码出的通信信息为/>
Figure FDA0001686573900000018
2.一种基于鲸类叫声脉冲时间长度的通信装置，其特征是，结构如下：
通信发射平台：
待传输的通信信息被传输到通信编码器，通信编码器通过现场可编程门阵列FPGA硬件芯片来实现，通信编码器根据权利要求1所述通信信息发送端的编码方法，从鲸类叫声脉冲库中选取相应时间长度的叫声脉冲，对通信息进行编码，然后，将带有编码信息的鲸类叫声脉冲传输给声源；声源鲸类叫声脉冲发向水中；进一步地，鲸类叫声脉冲库由各种具有不同时间长度的鲸类产生的真实的叫声脉冲组成，鲸类叫声脉冲库存储在数据存储硬件芯片上；
通信接收平台的实现如下：
鲸类叫声脉冲信号被水听器接收到后，水听器将声信号转换成电信号，然后传输至短时能量谱计算器；
进一步地，短时能量谱计算器对接收到的信号进行短时能量谱计算后，获得每个叫声脉冲的短时能量谱，然后，再将每个叫声脉冲的短时能量谱传送至脉冲长度计算器；
进一步地，基于设定的能量阈值ET，脉冲长度计算器计算出每个叫声脉冲的持续时间长度tp，然后，再将tp传送至通信解码器；
进一步地，根据权利要求1所述通信信息接收端的解码方法，通信解码器根据tp的大小，对通信信息进行解码，然后将解码出的通信信息通过通信信号输出器输出。
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一种利用海豚叫声的仿生水声通信方法;刘凇佐;乔钢;尹艳玲;;物理学报(第14期);全文 *

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