CN110429954B - 一种基于混沌扩频的变换域水声通信方法 - Google Patents

一种基于混沌扩频的变换域水声通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于混沌扩频的变换域水声通信方法，包括以下步骤：S1：在发射端和接收端分别对环境信道进行采样获得环境噪声信号，对环境噪声信号进行FrFT处理得到环境谱向量；S2：通过改进型Logistic映射构造获得双混沌序列，对双混沌序列进行处理后通过FrFT得到伪随机相位；S3：环境谱向量与伪随机相位进行匹配后，经幅值调整得到FrFT域基函数，对FrFT域基函数进行IFrFT得到时域基函数；S4：在发射端将发射端的时域基函数进行基带映射得到扩频信号，将扩频信号发送到接收端；S5：在接收端通过接收端的时域共轭基函数对扩频信号进行相关解调得到信息信号。本方法具有更好的隐蔽性、抗干扰能力和抗多径等能力，能在很低的信噪比下实现可靠的通信。

Description

一种基于混沌扩频的变换域水声通信方法
本申请要求在2019年07月12日提交中国专利局、申请号为201910631771.3、发明名称为《一种基于混沌扩频的变换域水声通信方法》的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及水声通信领域，具体涉及一种基于混沌扩频的变换域水声通信方法。
背景技术
水声信道是复杂多变的，它是一个非常复杂的时变、频变、空变信道，主要表现在：信道带宽受限、多途分布严重、信道起伏快速且多变以及环境噪声较为恶劣。因此声波在海水中的传播过程异常复杂，是通信领域一大研究难点。经过多年的研究，人们对于水声通信的研究也慢慢丰富和完善起来。现在，人们对水声通信的要求不仅仅满足于普通的传输、探测、识别，比如军用通信中，还对信号传输过程中的保密性和抗截获性提出了很高的要求。
在水声领域，由于较强的多径效应，会使信号有很大衰减，因此扩频通信技术因其具有高速率的扩频码，且具有较强的抗干扰和抗多径能力，被广泛应用于混沌通信技术中。与传统的扩频通信类似，在混沌扩频通信中，都是使用扩频码对原始信号码元进行调制。但不同的是，混沌扩频中所使用的扩频码为混沌序列。混沌序列比传统的扩频通信中使用的伪随机序列具有随机性更强、数目众多、保密性更强等特点，这使得混沌扩频通信成为水声通信技术研究的热点之一。
基于水声信道复杂多变等问题，水声通信通常采用混沌水声通信技术，混沌水声通信系统存在隐蔽性低和抗干扰性低，在低功率下的水声通信可靠性差等问题。
有鉴于此，设计一种新型的水声通信方法是至关重要的。
发明内容
针对上述提到水声通信存在的隐蔽性低和抗干扰性低以及在低功率下的水声通信可靠性差等问题，本申请的实施例中提供一种基于混沌扩频的变换域水声通信方法，包括以下步骤：
S1：在发射端和接收端分别对环境信道进行采样获得环境噪声信号，对环境噪声信号进行FrFT处理得到环境谱向量；
S2：通过改进型Logistic映射构造获得双混沌序列，对双混沌序列进行处理后通过FrFT得到伪随机相位，其中，所述改进型Logistic映射采用
Figure GDA0002914720370000021
的映射方式；
S3：环境谱向量与伪随机相位进行匹配，经幅值调整得到FrFT域基函数，对FrFT域基函数进行IFrFT得到时域基函数；
S4：在发射端将发射端的时域基函数进行基带映射得到扩频信号，将扩频信号发送到接收端；
S5：在接收端通过接收端的时域共轭基函数对扩频信号进行相关解调得到信息信号。
在一些实施例中，步骤S1具体包括：
S11：在发射端和接收端分别对环境信道进行采样获得环境噪声信号；S12：将环境噪声信号进行FrFT获得FrFT域谱向量A′TX(p,u)，其中，p为变换域的阶数，u为FrFT域；S13：将FrFT域谱向量A′TX(p,u)进行门限判决得到环境谱向量。
使用变换域谱分析环境噪声和干扰，对信号选取“干净”的变换域谱进行重构，能够有效将环境噪声信号分离出去。
在一些实施例中，步骤S2具体包括：
S21：设置四组长度相等的改进型Logistic映射得到四组混沌序列如下：
Figure GDA0002914720370000031
其中，四组改进型Logistic映射的初值分别为a0,b0,c0,d0，λ是Logistic参数；
S22：根据四组混沌序列构建双混沌序列如下：
Figure GDA0002914720370000032
S23：将双混沌序列经过m次迭代后产生k组混沌序列S(m)＝[s1(m),s2(m)...sk(m)]，其中si(m)为混沌序列集S(m)中第i组混沌序列，m＝n+1；
S24：k组混沌序列经过带通滤波器后得到带限的混沌序列组R(m)＝[r1(m),r2(m)...rk(m)]，其中ri(m)为带限的混沌序列组R(m)中第i组带限混沌序列；
S25：将混沌序列组R(m)＝[r1(m),r2(m)...rk(m)]进行FrFT得到伪随机相位RTX(p,u)。
利用混沌序列良好的自相关性、抗干扰能力和抗多径等性质，构建分数阶傅里叶变换系统基函数，使其比传统的由伪随机码产生的基函数具有更好的隐蔽性、抗干扰能力和抗多径等能力。
在一些实施例中，步骤S3具体包括：
S31：将FrFT域谱向量A′TX(p,u)和伪随机相位RTX(p,u)相乘并经幅度调整后得到BTX(p,u)＝cB′TX(p,u)＝cA′TX(p,u)RTX(p,u)；
S32：将BTX(p,u)进行IFrFT得到时域基函数bTX(t)。
在一些实施例中，步骤S5具体包括：
S51：在接收端对接收端的时域基函数bTX(t)求共轭得到时域共轭基函数
Figure GDA0002914720370000041
S52：将时域共轭基函数
Figure GDA0002914720370000042
中的序列分别与接收到的扩频信号进行移位相乘相加得到信息信号。
利用变换域谱进行重新分配提高了传输的正确率，降低了误码率，能在很低的信噪比下实现可靠的通信。
在一些实施例中，步骤S12中的FrFT域谱向量A′TX(p,u)的最优阶次选择步骤如下：
S121：在范围p＝(0,4]内以步长d作为间距得到不同阶次的FrFT系统；
S122：在不同阶次的FrFT系统中对环境噪声信号进行最优阶次分析，得到最优阶的阶数p。
在一些实施例中，最优阶次分析采用基于FrFT域二维搜索图的峰均比进行最优阶的阶数判断。
在一些实施例中，最优阶的阶数判断步骤如下：
S1221：在范围p＝(0,4]内以步长d作为间距分别对环境信号的FrFT域二维搜索图进行分析；
S1222：在FrFT域二维搜索图中选取峰均比最大时的阶数p作为最优阶的阶数p。
本申请的实施例中提供一种基于混沌扩频的变换域水声通信方法，包括以下步骤：S1：在发射端和接收端分别对环境信道进行采样获得环境噪声信号，对环境噪声信号进行FrFT处理得到环境谱向量；S2：通过改进型Logistic映射构造获得双混沌序列，对双混沌序列进行处理后通过FrFT得到伪随机相位；S3：环境谱向量与伪随机相位进行匹配，经幅值调整得到FrFT域基函数，对FrFT域基函数进行IFrFT得到时域基函数；S4：在发射端将发射端的时域基函数进行基带映射得到扩频信号，将扩频信号发送到接收端；S5：在接收端通过接收端的时域共轭基函数对扩频信号进行相关解调得到信息信号。本申请基于混沌扩频的分数阶傅里叶变换系统利用混沌序列良好的自相关性、抗干扰能力和抗多径等性质，构建分数阶傅里叶变换系统基函数，使其比传统的由伪随机码产生的基函数具有更好的隐蔽性、抗干扰能力和抗多径等能力；使用变换域谱重新分配的方法提高了传输的正确率，降低了误码率，能在很低的信噪比下实现可靠的通信，且能一定程度上抑制水声环境对通信的恶劣影响，从而达到加强混沌水声通信系统的隐蔽性和抗干扰性的目的。该方案可用于水声通信中的保密通信、隐蔽通信和抗截获通信等领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的实施例的海洋噪声的频谱；
图2为本发明的实施例的阶数p＝1.3时水声环境噪声的FrFT域谱；
图3为本发明的实施例的阶数p＝1.5时水声环境噪声的FrFT域谱；
图4为本发明的实施例的阶数p＝1.7时水声环境噪声的FrFT域谱；
图5为本发明的实施例的阶数p＝1.9时水声环境噪声的FrFT域谱；
图6是本发明的实施例的基于混沌扩频的变换域水声通信方法的流程示意图；
图7为本发明的实施例的基于混沌扩频的变换域水声通信方法的步骤S1的流程示意图；
图8为本发明的实施例的带通滤波后混沌信号的FrFT域二维搜索图；
图9为本发明的实施例的LFM信号的FrFT域二维搜索图；
图10为本发明的实施例的基于混沌扩频的变换域水声通信方法的步骤S12的流程示意图；
图11为本发明的实施例的基于混沌扩频的变换域水声通信方法的步骤S122的流程示意图；
图12为本发明的实施例的基于混沌扩频的变换域水声通信方法的步骤S2的流程示意图；
图13为本发明的实施例的基于混沌扩频的变换域水声通信方法的步骤S3的流程示意图；
图14为本发明的实施例的基于混沌信号的基函数的示意图；
图15为本发明的实施例的基于混沌信号的基函数时域图；
图16为本发明的实施例的基于混沌信号的基函数相关图；
图17为本发明的实施例的基于混沌信号的基函数的模糊函数的示意图；
图18为本发明的实施例的基于混沌信号的基函数的距离模糊图；
图19为本发明的实施例的基于混沌信号的基函数的速度模糊图；
图20为本发明的实施例的发送信号的帧结构；
图21为本发明的实施例的基于混沌扩频的变换域水声通信方法的步骤S5的流程示意图；
图22为本发明的实施例的近距离低信噪比实验信噪比为3dB时的实验结果；
图23为本发明的实施例的近距离低信噪比实验信噪比为-8dB时的实验结果；
图24为本发明的实施例的远距离低信噪比实验信噪比为-14dB时的实验结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在厦门市某海域对一段时间内的海洋噪声进行采样，采样频率设为600KHZ，得到其频谱如图1所示。由图1可以看出海洋噪声频谱很宽，且在频域上无明显聚焦性，当使用传统的基于傅里叶变换的变换域通信系统进行分析时，难以将不可用频段与可用频段分离，也就难以起到躲避干扰的效果。故对水声环境噪声进行FrFT域的分析，得到不同阶数情况下的FrFT谱分别如图2、3、4、5所示。
图2、3、4、5分别表示当分数阶傅里叶变换的阶数p＝[1.3 1.5 1.7 1.9]时，水声环境噪声采样在相应分数阶傅里叶域的谱图。由图可知，分数阶傅里叶变换对水声环境噪声有着更好的聚焦性，水声环境噪声的FrFT谱在某些谱段上十分集中，这就使得在FrFT谱上对不可用谱段的剔除工作变得更加容易且效果更好。故本申请的实施例的提出一种基于混沌扩频的变换域水声通信方法，如图6所示，包括以下步骤：
S1：在发射端和接收端分别对环境信道进行采样获得环境噪声信号，对环境噪声信号进行FrFT处理得到环境谱向量。
在本实施例中，如图7所示，步骤S1具体包括：
S11：在发射端和接收端分别对环境信道进行采样获得环境噪声信号。
S12：将环境噪声信号进行FrFT获得FrFT域谱向量A′TX(p,u)，其中，p为变换域的阶数，u为FrFT域。
为得到信号在FrFT谱上与干扰和噪声的最优分离，需对信号的FrFT域二维搜索图进行分析。图8、9为带通滤波后混沌信号及LFM信号的FrFT域二维搜索图。
在本实施例中，如图10所示，步骤S12中的FrFT域谱向量A′TX(p,u)的最优阶次选择步骤如下：
S121：在范围p＝(0,4]内以步长d作为间距得到不同阶次的FrFT系统；
S122：在不同阶次的FrFT系统中对环境噪声信号进行最优阶次分析，得到最优阶的阶数p。
在本实施例中，最优阶次分析采用基于FrFT域二维搜索图的峰均比进行最优阶的阶数判断。
在本实施例中，如图11所示，最优阶的阶数判断步骤如下：
S1221：在范围p＝(0,4]内以步长d作为间距分别对环境信号的FrFT域二维搜索图进行分析；
S1222：在FrFT域二维搜索图中选取峰均比最大时的阶数p作为最优阶的阶数p。
S13：将FrFT域谱向量A′TX(p,u)进行门限判决得到环境谱向量。
S2：通过改进型Logistic映射构造获得双混沌序列，对双混沌序列进行处理后通过FrFT得到伪随机相位，其中，所述改进型Logistic映射采用
Figure GDA0002914720370000081
的映射方式。
在本实施例中，如图12所示，步骤S2具体包括：
S21：设置四组长度相等的改进型Logistic映射得到四组混沌序列如下：
Figure GDA0002914720370000082
其中，四组改进型Logistic映射的初值分别为a0,b0,c0,d0，λ是Logistic参数；
S22：根据四组混沌序列构建双混沌序列如下：
Figure GDA0002914720370000083
S23：将所述双混沌序列经过m次迭代后产生k组混沌序列S(m)＝[s1(m),s2(m)...sk(m)]，其中si(m)为混沌序列集S(m)中第i组混沌序列，m＝n+1；
S24：所述k组混沌序列经过带通滤波器后得到带限的混沌序列组R(m)＝[r1(m),r2(m)...rk(m)]，其中ri(m)为带限的混沌序列组R(m)中第i组带限混沌序列；
S25：将所述混沌序列组R(m)＝[r1(m),r2(m)...rk(m)]进行FrFT得到伪随机相位RTX(p,u)。
S3：环境谱向量与伪随机相位进行匹配，经幅值调整得到FrFT域基函数，对FrFT域基函数进行IFrFT得到时域基函数。
在本实施例中，如图13所示，步骤S3具体包括：
S31：将FrFT域谱向量A′TX(p,u)和伪随机相位RTX(p,u)相乘并经幅度调整后得到BTX(p,u)＝cB′TX(p,u)＝cA′TX(p,u)RTX(p,u)；
S32：将BTX(p,u)进行IFrFT得到时域基函数bTX(t)。如图14、15、16所示，经过系统基函数产生过程，混沌信号的相关性产生了一定的畸变，但其仍具有随机性和良好的自相关性。由图17、18、19可知，基于混沌信号产生的基函数具有很好的距离分辨力，其速度分辨率相比原始混沌信号有一定的减弱，旁瓣较大，但仍具有明显的峰值。说明基于混沌信号的基函数仍具有较强的抗干扰和抗多径能力，其模糊图符合“图钉型”满足低截获通信的需要。
S4：在发射端将发射端的时域基函数进行基带映射得到扩频信号，将扩频信号发送到接收端。
因为海洋信道环境复杂且多变，水声通信领域的研究存在着许多困难，仅仅依靠仿真很难对水声信道进行很好的模拟，故本研究安排了海试实验，在厦门市五缘湾附近海域的岸边搭建实验环境，对实值混沌扩频通信系统进行了海试实验分析。本发明使用基于实值混沌信号的直接扩频序列作为声呐波形，实验总体参数如下表1所示，发送信号的帧结构如图20所示。
表1海试实验总体参数
Figure GDA0002914720370000091
Figure GDA0002914720370000101
设发射数据序列号：1,2,3,4,1,2,3,4,1,2,3,4,1,2,3,4,1,2,3,4。
S5：在接收端通过接收端的时域基函数对扩频信号进行相关解调得到信息信号。
在本实施例中，如图21所示，步骤S5具体包括：
S51：在接收端对接收端的时域基函数bTX(t)求共轭得到时域共轭基函数
Figure GDA0002914720370000102
S52：将时域共轭基函数
Figure GDA0002914720370000103
中的序列分别与接收到的扩频信号进行移位相乘相加得到信息信号。
分别在近距离和远距离的情况下进行实验，为表现通信系统的隐蔽通信效果，在接收端均为信噪比很低的情况下进行接收，其近距离与远距离低信噪比实验参数分别如表2、表3所示，得到如图22、23、24所示的试验结果。
实验1：近距离低信噪比实验
表2近距离低信噪比实验参数
参数 取值
通信距离 20米
中心频率 22KHZ
采样频率 307.2KHZ
信噪比 3dB/-8dB
速率 25bps
(2)实验2：远距离低信噪比实验
表3远距离低信噪比实验参数
参数 取值
通信距离 1000米
中心频率 22KHZ
采样频率 307.2KHZ
信噪比 -14dB
速率 25bps
实验在不同通信距离(20米和1000米)的情况下，对扩频声呐信号进行收发实验，观察其时域和频域波形，并对信号进行解码。由图24所示，当接收端信噪比为-14dB时，接收到的信号完全淹没在噪声之中，不易于被侦测到，因此有很好的隐蔽效果，观察接收信号的频谱，在原信号频带内亦无明显特征，因此在频域上也有很好的隐蔽性。图24(d)中四种线形不同的部分代表四种不同混沌扩频码的相关图，图中四种信号峰值清晰，能很好地检测出峰值位置，并且解码完全正确。
本实验证明了本文中提出的扩频通信系统和实值混沌扩频序列在低信噪比条件下的通信可靠性，实验值与仿真理论值相近，符合理论结果。
本申请的实施例中提供一种基于混沌扩频的变换域水声通信方法，包括以下步骤：S1：在发射端和接收端分别对环境信道进行采样获得环境噪声信号，对环境噪声信号进行FrFT处理得到环境谱向量；S2：通过改进型Logistic映射构造获得双混沌序列，对双混沌序列进行处理后通过FrFT得到伪随机相位；S3：环境谱向量与伪随机相位进行匹配，经幅值调整得到FrFT域基函数，对FrFT域基函数进行IFrFT得到时域基函数；S4：在发射端将发射端的时域基函数进行基带映射得到扩频信号，将扩频信号发送到接收端；S5：在接收端通过接收端的时域共轭基函数对扩频信号进行相关解调得到信息信号。本申请基于混沌扩频的分数阶傅里叶变换系统利用混沌序列良好的自相关性、抗干扰能力和抗多径等性质，构建分数阶傅里叶变换系统基函数，使其比传统的由伪随机码产生的基函数具有更好的隐蔽性、抗干扰能力和抗多径等能力；使用变换域谱重新分配的方法提高了传输的正确率，降低了误码率，能在很低的信噪比下实现可靠的通信，且能一定程度上抑制水声环境对通信的恶劣影响，从而达到加强混沌水声通信系统的隐蔽性和抗干扰性的目的。该方案可用于水声通信中的保密通信、隐蔽通信和抗截获通信等领域。
本申请是基于国家自然科学基金61671394和中央高校基本科研业务费专项资金资助(20720170044)的研究成果。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (8)

1.一种基于混沌扩频的变换域水声通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在发射端和接收端分别对环境信道进行采样获得环境噪声信号，对所述环境噪声信号进行FrFT处理得到环境谱向量；
S2：通过改进型Logistic映射构造获得双混沌序列，对所述双混沌序列进行处理后通过FrFT得到伪随机相位，其中，所述改进型Logistic映射采用
Figure FDA0002930230190000011
的映射方式；
S3：所述环境谱向量与所述伪随机相位进行匹配后，经幅值调整得到FrFT域基函数，对所述FrFT域基函数进行IFrFT得到时域基函数；
S4：在所述发射端将所述发射端的时域基函数进行基带映射得到扩频信号，将所述扩频信号发送到所述接收端；
S5：在所述接收端通过所述接收端的时域共轭基函数对所述扩频信号进行相关解调得到信息信号。
2.根据权利要求1所述的基于混沌扩频的变换域水声通信方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：
S11：在所述发射端和所述接收端分别对环境信道进行采样获得所述环境噪声信号；
S12：将所述环境噪声信号进行FrFT获得FrFT域谱向量A'TX(p,u)，其中，p为变换域的阶数，u为FrFT域；
S13：将所述FrFT域谱向量A'TX(p,u)进行门限判决得到环境谱向量。
3.根据权利要求1所述的基于混沌扩频的变换域水声通信方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
S21：设置四组长度相等的改进型Logistic映射得到四组混沌序列如下：
Figure FDA0002930230190000021
其中，四组改进型Logistic映射的初值分别为a0,b0,c0,d0，λ是Logistic参数；
S22：根据所述四组混沌序列构建双混沌序列如下：
Figure FDA0002930230190000022
S23：将所述双混沌序列经过m次迭代后产生k组混沌序列S(m)＝[s1(m),s2(m)...sk(m)]，其中si(m)为混沌序列集S(m)中第i组混沌序列，m＝n+1；
S24：所述k组混沌序列经过带通滤波器后得到带限的混沌序列组R(m)＝[r1(m),r2(m)...rk(m)]，其中ri(m)为带限的混沌序列组R(m)中第i组带限混沌序列；
S25：将所述混沌序列组R(m)＝[r1(m),r2(m)...rk(m)]进行FrFT得到伪随机相位RTX(p,u)。
4.根据权利要求1所述的基于混沌扩频的变换域水声通信方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
S31：将所述FrFT域谱向量A'TX(p,u)和所述伪随机相位RTX(p,u)相乘并经幅度调整后得到BTX(p,u)＝cB'TX(p,u)＝cA'TX(p,u)RTX(p,u)；
S32：将所述BTX(p,u)进行IFrFT得到时域基函数bTX(t)。
5.根据权利要求1所述的基于混沌扩频的变换域水声通信方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：
S51：在所述接收端对所述接收端的时域基函数bTX(t)求共轭得到时域共轭基函数
Figure FDA0002930230190000023
S52：将所述时域共轭基函数
Figure FDA0002930230190000024
中的序列分别与接收到的所述扩频信号进行移位相乘相加得到信息信号。
6.根据权利要求2所述的基于混沌扩频的变换域水声通信方法，其特征在于，所述步骤S12中的FrFT域谱向量A'TX(p,u)的最优阶次选择步骤如下：
S121：在范围p＝(0,4]内以步长d作为间距得到不同阶次的FrFT系统；
S122：在不同阶次的所述FrFT系统中对所述环境噪声信号进行最优阶次分析，得到最优阶的阶数p。
7.根据权利要求6所述的基于混沌扩频的变换域水声通信方法，其特征在于，所述最优阶次分析采用基于FrFT域二维搜索图的峰均比进行最优阶的阶数判断。
8.根据权利要求7所述的基于混沌扩频的变换域水声通信方法，其特征在于，所述最优阶的阶数判断步骤如下：
S1221：在范围p＝(0,4]内以步长d作为间距分别对环境信号的FrFT域二维搜索图进行分析；
S1222：在所述FrFT域二维搜索图中选取峰均比最大时的阶数p作为最优阶的阶数p。
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