CN112669875B - 一种基于FSK调制的仿鲸目whistle叫声的伪装通信信号识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于FSK调制的仿鲸目whistle叫声的伪装通信信号识别方法，通过检测未知鲸目动物whistle叫声中是否存在固定的码元宽度τ；当检测出码元宽度τ之后，检测跳频值f_FSK；针对目前对仿生隐蔽水声通信信号识别技术研究较少的现状，本发明专利中找出了基于FSK调制的仿鲸目动物whistle叫声信号与真实鲸目动物whistle叫声信号存在的区别，仿whistle叫声信号存在固定的码元宽度τ和跳频值f_FSK，而真实whistle叫声信号的频率随着时间连续变化。本发明中提出的识别方法，能够有效地检测出基于FSK调制的仿鲸目动物whistle叫声的伪装通信信号中的码元宽度τ和跳频值f_FSK。

Description

一种基于FSK调制的仿鲸目whistle叫声的伪装通信信号识别 方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别是一种基于FSK调制的仿鲸目whistle叫声的伪装通信信号识别方法。

背景技术

仿生隐蔽水声通信技术是指通过仿生技术，利用或模拟海洋中广泛存在的鲸目动物叫声作为通信信号，当仿生通信信号被敌方探测到时，会被当作真实的鲸目叫声而被忽略，从而达到隐蔽通信的目的。在军事上，使用仿生隐蔽水声通信技术对保障信息安全传输，保护水下目标安全具有重要意义。一种基于FSK调制的仿鲸目whistle叫声的伪装通信方法被提出[1]，其将真实鲸目动物whistle叫声时频谱轮廓按固定的时间宽度进行分段，每一个分段即为一个码元，再对每个码元上的时频谱加减固定的频率跳变值来生成FSK信号，使用FSK信号模拟鲸目动物whistle叫声，进而实现伪装隐蔽通信的目的。这种方法产生的仿鲸目whistle叫声与真实的whistle叫声差别很小，当我方截取到未知的鲸目动物whistle叫声信号难以判断是真实的whistle叫声信号还是经FSK调制携带通信信息的伪装隐蔽通信信号，以致将其当作背景噪声过滤。

同时，目前对仿生隐蔽水声通信信号识别技术研究较少。传统的通信信号识别方法，最大似然比假设检验方法和基于特征提取的模式识别方法，在未知原始鲸/海豚叫声的前提下，不能对基于FSK调制的仿鲸目whistle叫声的伪装通信信号进行识别。因此亟需提出针对基于FSK调制的仿鲸目whistle叫声的伪装通信信号的识别方法，确保我方水下军事安全。

针对基于FSK调制的仿鲸目whistle叫声的伪装通信方法[1]，本专利提出一种识别方法，通过检测识别未知鲸目动物whistle叫声信号时频谱中是否存在固定的时间长度值和固定的频率跳变值，来实现对基于FSK调制的仿鲸目whistle叫声的伪装通信信号的识别。

参考文献：

[1]Jongmin Ahn1,Honjun Lee1,Y ongchul Kim1.Biomimetic FSK UnderwaterCommunications using Dolphin Whistle[A].Proceedings of Symposium onUltrasonic Electronics[C].JAPAN:Doshisha University,2018.

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于FSK调制的仿鲸目whistle叫声的伪装通信信号识别方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于FSK调制的仿鲸目whistle叫声的伪装通信信号识别方法，包括以下步骤：

(1)检测未知鲸目动物whistle叫声中是否存在固定的码元宽度τ；具体如下：

(101)截获一段时长为T_r(0.5s≤T_r≤30s)的未知鲸目动物whistle叫声信号，并利用短时傅里叶变换(Short Time Fourier Transform，STFT)对截取到的未知鲸目动物whistle叫声信号进行处理得到时频谱图；

(102)处理得到的时频谱图中共有N个采样点；T_i和T_i+1为N个采样点中任意相邻的两个采样点，采样点T_i对应的频率为f_i，采样点T_i+1对应的频率为f_i+1，i＝1，2，...，N-1；

(103)从N个采样点中第一个采样点开始，依次求T_i和T_i+1对应的频率差值Δf_i＝|f_i+1-f_i|，到第N个采样点结束；

(104)真实鲸目动物whistle叫声频率随时间连续变化，基于FSK调制的仿鲸目动物whistle叫声频率在相邻的码元之间存在固定的频率跳变值；设频率差值的阈值为ΔF；当Δf_i≥ΔF时，即可判断此时频率发生了跳变，记录此时跳变点为Th_j，Th_j＝T_i，频率跳变值fh_j，fh_j＝Δf_i；

(105)统计频率跳变点Th_j的总数N_h，计算N_h与采样点总数N的比值；设比例阈值为p，用于判断截取的未知鲸目动物whistle叫声是伪装的还是真实的whistle叫声；当

时，未知鲸目动物whistle信号为仿whistle信号；当

时，未知鲸目动物whistle信号为真实whistle信号；

(106)记相邻两个跳变点之间的时间差为τs_m；

(2)当检测出码元宽度τ之后，检测跳频值f_FSK，具体如下：

(201)求出一段未知whistle时频谱上所有的频率跳变值fh_j；

(202)统计频率跳变值fh_j的分布规律；

(203)当检测出大量的频率跳变值fh_j，根据拉依达准则剔除偏离频率区间的频率跳变值fh_j，则

其中，f_FSK为跳频值，N_h为频率跳变点的总数，σ为频率范围，-100Hz≤σ≤100Hz；

(204)当检测到未知鲸目动物whistle叫声信号中固定的码元宽度τ和跳频值f_FSK，则表示该段whistle叫声中存在着人为的频率跳变，即能够判断其为基于FSK调制的仿鲸目whistle叫声的伪装通信信号。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明专利提出的识别方法能够有效地判断未知鲸目动物whistle叫声信号是否是基于FSK调制的仿鲸目动物whistle叫声的伪装通信信号。针对目前对仿生隐蔽水声通信信号识别技术研究较少的现状，本发明专利中找出了基于FSK调制的仿鲸目动物whistle叫声信号与真实鲸目动物whistle叫声信号存在的区别，仿whistle叫声信号存在固定的码元宽度τ和跳频值f_FSK，而真实whistle叫声信号的频率随着时间连续变化。本发明中提出的识别方法，能够有效地检测出基于FSK调制的仿鲸目动物whistle叫声的伪装通信信号中的码元宽度τ和跳频值f_FSK。

(2)本发明中提出的识别方法具有很强的通用性。该识别方法对鲸目动物的种类没有要求，无论是哪种鲸目动物whistle叫声信号，当采用基于FSK调制编码生成仿whistle信号时都会存在固定的码元宽度τ和跳频值f_FSK。本识别方法通过检测码元宽度τ和跳频值f_FSK，都能准确判断截获的鲸目动物whistle叫声信号是否为基于FSK调制的仿鲸目动物whistle叫声的伪装通信信号。

附图说明

图1为本发明中宽吻海豚whistle叫声波形图。

图2为本发明中宽吻海豚whistle叫声时频谱图。

图3为本发明中基于FSK调制的仿宽吻海豚whistle叫声信号时频谱图。

图4为本发明中单个宽吻海豚whistle叫声时频图。

图5为本发明中基于FSK调制的仿鲸目动物whistle叫声的伪装通信信号识别流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。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。

鲸目动物whistle信号是一段长时扫频信号，其频率随时间连续变化，是鲸目动物通信时的主要信号。以宽吻海豚whistle叫声为例，图1中给出宽吻海豚whistle叫声波形图，图2中给出宽吻海豚whistle叫声时频谱图。

FSK调制使用真实鲸目动物whistle叫声时频谱轮廓按固定的时间宽度进行分段，每一个分段即为一个码元，再对每个码元上的时频谱加减固定的频率跳变值来生成FSK信号，使用FSK信号模拟鲸目动物whistle叫声。基于FSK调制的仿鲸目whistle叫声的伪装通信方法如下：

第一步，确定FSK调制码元宽度τ，码元宽度τ是一个固定值；

进一步地，将一段时长为T_real的真实鲸目动物whistle叫声时频谱根据码元宽度τ分为M段，M＝T_real/τ；

进一步地，选择跳频值f_FSK，对第k段(k＝1，2，...，M)鲸目动物whistle叫声的频率f_k进行调制。f_k随着时间变化而连续变化；

进一步地，基于FSK调制仿鲸目动物whistle叫声波形表达式为：

其中，f_FsK表示跳频值，f_k为第k段鲸目动物whistle叫声频的频率。则(f_k-f_FSK)/2表示码元的值为1，(f_k-f_FSK)/2表示码元的值为0，以宽吻海豚为例，基于FSK调制的仿宽吻海豚whistle叫声的伪装通信信号时频谱图如图3所示，真实whistle叫声时频谱101，τ为码元宽度102，f_FSK为频率跳变值103，n_k为编码信号中第k个码元104，f_k为第k个码元使用的真实whistle叫声频率105，码元值1的仿whistle叫声信号时频谱106，码元值0的仿whistle叫声信号时频谱107。

通过分析基于FSK调制的仿鲸目whistle叫声的伪装通信信号编码方法得，码元宽度τ和跳频值f_FSK是固定的值。在截获一段时长为T_r的未知鲸目动物whistle叫声后，对其时频谱进行分析，通过判断其是否存在固定的码元宽度τ和跳频值f_FSK，来判断截获的whistle叫声信号是否为基于FSK调制的仿鲸目动物whistle叫声信号。

本实施例中针对基于FSK调制的仿鲸目动物whistle叫声信号的识别方法如下：

第一步，检测未知鲸目动物whistle叫声中是否存在固定的码元宽度τ。

(101)在截获一段时长为T_r＝1s的未知鲸目动物whistle叫声后，利用短时傅里叶变换(Short Time Fourier Transform，STFT)对其进行处理得到时频谱图。STFT公式如下所示：

w[t]代表whistle叫声信号，h(t)代表长度为L的短时窗口，N_FFT代表FFT变换点数，Δt代表时间间隔，f_α代表在α*Δt的频率。以真实的宽吻海豚whistle叫声为例，图4表示经STFT处理后单个宽吻海豚whistle叫声时频谱图。从图4可得，真实的宽吻海豚whistle叫声信号是一个扫频信号，其频率随时间连续变化；

(102)由图3得，以基于FSK调制的仿宽吻海豚whistle叫声信号为例，码元值1的仿whistle叫声信号时频谱106和码元值0的仿whistle叫声信号的时频谱107，随着时间不是连续变化，会在不同的码元之间产生频率的跳变，跳变的频率值为f_FSK；

(103)一段时长为T_r＝1s的未知鲸目动物whistle叫声经STFT处理后一共有N＝1024个采样点。T_i和T_i+1为N个采样点中任意相邻的两个采样点，采样点T_i对应的频率为f_i，采样点T_i+1对应的频率为f_i+1，i＝1，2，...，1023；

(104)从这N个采样点中第一个采样点开始，依次求T_i和T_i+1对应的频率差值Δf_i＝|f_i+1-f_i|，到第1023个采样点结束；

(105)真实鲸目动物whistle叫声频率随时间连续变化，基于FSK调制的仿鲸目动物whistle叫声频率在相邻的码元之间存在固定的频率跳变值。设频率差值的阈值为ΔF＝100Hz。当Δf_i≥ΔF时，即可判断此时频率发生了跳变，记录此时跳变点为Th_j，Th_j＝T_i，频率跳变值fh_j，fh_j＝Δf_i；

(106)统计频率跳变点Th_j的总数N_h，计算其与采样点总数N的比值。设比例阈值为p＝0.1，用来判断截取的未知鲸目动物whistle叫声是伪装的还是真实的whistle叫声。由基于FSK调制的仿鲸目whistle叫声的伪装通信编码方法可知，伪装的whistle叫声信号时频谱中存在大量的频率跳变点。而真实的whistle叫声，因噪声等因素的影响，可能会在时频谱上存在少量的频率跳变点。当

时，未知鲸目动物whistle信号为仿whistle信号。当

时，未知鲸目动物whistle信号为真实whistle信号；

(107)记相邻两个跳变点之间的时间差为τs_m，

τs_m＝|Th_j-Th_j+1| (3)

统计τs_m的分布规律，若τs_m近似为min{τs_m}的整数倍，则码元宽度τ＝min{τs_m}。

第二步，当检测出码元宽度τ之后，检测跳频值f_FSK，方法如下：

(201)求出一段未知whistle时频谱上所有的频率跳变值fh_j；

(202)统计频率跳变值fh_j的分布规律。真实的鲸目动物whistle叫声频率随着时间连续变化，其因噪声等因素的影响，可能会存在少量随机分布的频率跳变值fh_j。而基于FSK调制的伪whistle叫声时频谱中会存在大量分布在某一频率区间内的频率跳变值fh_j；

(203)当检测出大量的频率跳变值fh_j，根据拉依达准则剔除偏离频率区间的频率跳变值fh_j，则跳频值f_FSK为，

其中，f_FSK为跳频值，N_h为频率跳变点的总数，σ为频率范围，-100Hz≤σ≤100Hz。

(204)真实的鲸目动物whistle叫声信号是一个扫频信号，其频率随着时间连续变化。当检测到未知鲸目动物whistle叫声信号中固定的码元宽度τ和跳频值f_FSK，则意味着该段whistle叫声中存在着人为的频率跳变，即可判断其为基于FSK调制的仿鲸目whistle叫声的伪装通信信号。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于FSK调制的仿鲸目whistle叫声的伪装通信信号识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)检测未知鲸目动物whistle叫声中是否存在固定的码元宽度τ；具体如下：

(101)截获一段时长为T_r(0.5s≤T_r≤30s)的未知鲸目动物whistle叫声信号，并利用短时傅里叶变换(Short Time Fourier Transform，STFT)对截取到的未知鲸目动物whistle叫声信号进行处理得到时频谱图；

(102)处理得到的时频谱图中共有N个采样点；T_i和T_i+1为N个采样点中任意相邻的两个采样点，采样点T_i对应的频率为f_i，采样点T_i+1对应的频率为f_i+1，i＝1，2，...，N-1；

(103)从N个采样点中第一个采样点开始，依次求T_i和T_i+1对应的频率差值Δf_i＝|f_i+1-f_i|，到第N个采样点结束；

(104)真实鲸目动物whistle叫声频率随时间连续变化，基于FSK调制的仿鲸目动物whistle叫声频率在相邻的码元之间存在固定的频率跳变值；设频率差值的阈值为ΔF；当Δf_i≥ΔF时，即可判断此时频率发生了跳变，记录此时跳变点为Th_j，Th_j＝T_i，频率跳变值fh_j，fh_j＝Δf_i；

(105)统计频率跳变点Th_j的总数N_h，计算N_h与采样点总数N的比值；设比例阈值为p，用于判断截取的未知鲸目动物whistle叫声是伪装的还是真实的whistle叫声；当

时，未知鲸目动物whistle信号为仿whistle信号；当

时，未知鲸目动物whistle信号为真实whistle信号；

(106)记相邻两个跳变点之间的时间差为τs_m；

τs_m＝|Th_j-Th_j+1|

统计τs_m的分布规律，若τs_m近似为min{τs_m}的整数倍，则码元宽度τ＝min{τs_m}；

(2)当检测出码元宽度τ之后，检测跳频值f_FSK，具体如下：

(201)求出一段未知whistle时频谱上所有的频率跳变值fh_j；

(202)统计频率跳变值fh_j的分布规律；

(203)当检测出大量的频率跳变值fh_j，根据拉依达准则剔除偏离频率区间的频率跳变值fh_j，则

其中，f_FSK为跳频值，N_h为频率跳变点的总数，σ为频率范围，-100Hz≤σ≤100Hz；

(204)当检测到未知鲸目动物whistle叫声信号中固定的码元宽度τ和跳频值f_FSK，则表示该段whistle叫声中存在着人为的频率跳变，即能够判断其为基于FSK调制的仿鲸目whistle叫声的伪装通信信号。

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