CN112953652B - 基于分段时频轮廓时延调制的仿鲸目哨声通信方法 - Google Patents

基于分段时频轮廓时延调制的仿鲸目哨声通信方法 Download PDF

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CN112953652B CN202110111520.XA CN202110111520A CN112953652B CN 112953652 B CN112953652 B CN 112953652B CN 202110111520 A CN202110111520 A CN 202110111520A CN 112953652 B CN112953652 B CN 112953652B
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Abstract

本发明公开了基于分段时频轮廓时延调制的仿鲸目哨声通信方法。现有通信方法通过数学建模模拟真实海洋生物叫声信号，缺乏普适性，信号频带范围较宽，不利于在实际应用。本方法从鲸目动物的原始哨声信号出发，首先根据码元长度的要求对哨声信号的时频轮廓进行分段，然后在每个小段上利用不同的时延大小表征所要传输的信息，最后利用调制后的时频轮廓合成相应的仿生调制信号。在接收端解调时，根据每个码元段上的时延即可完成对通信数据的解调。本方法直接使用原始哨声信号作为通信信号，不需要对哨声信号进行数学建模，具有良好的普适性和仿生隐蔽性。鲸目动物哨声信号具有较好的时频特性和相关性，亦可取代传统的同步信号，增强水声通信的隐蔽性。

Description

基于分段时频轮廓时延调制的仿鲸目哨声通信方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体是水声隐蔽通信技术领域，涉及一种基于分段时频轮廓时延调制的仿鲸目哨声通信方法。
背景技术
传统陆地通信一般采用电磁波作为信息的载体，但是电磁波在水下环境衰耗很大，无法进行长距离通信，不适合作为水下通信的信息载体。在水下通信与定位中，常采用声音作为承载信息的载体。然而，由于水声通信信道的开放性和不可靠性，使得水声通信容易被窃听者截获，甚至遭到各种攻击。因此，如何保证通信的隐蔽性和安全性成为了水声通信中需要考虑的问题。
目前，隐蔽水声通信的研究大致可以分为三类：低检测概率通信、低识别概率通信和低截获概率通信。低检测概率通信是通过降低通信信号的发送功率，或者扩展信号的频谱，把信号隐藏在环境的背景噪声中，使窃听者难以侦测到通信信号，进而实现提高水声通信隐蔽性的目的，这是一种主动隐蔽的方法。低识别概率通信是利用海洋环境中的背景噪声，或是模拟背景噪声，将所需传输的信息加载到上述信号上，使通信信号被窃听者误判成环境背景噪声而过滤掉，达到隐蔽水声通信的目的，这也是一种主动隐蔽的方法。低截获概率通信是利用加密和编码等技术，使通信信号虽然被窃听者获取，但是无法被正确译码，从而提高了水声通信的隐蔽性，这是一种被动隐蔽的方法，窃听者可以获取信号，但是无法破译。
仿生水声通信技术是近些年发展起来的一种低识别概率通信，最早由美国海军研究室提出。按照调制方式，目前对仿生水声通信技术的研究大致可以分为三种：第一种是直接采用水下生物的原始声音作为通信信号进行通信，第二种是采用合成模拟的水下生物声音作为通信信号进行通信，第三种采用水下生物的原始声音或者合成模拟的水下生物声音对传统通信信号进行掩盖。申请号为201611079780.9和201610865813.6的发明专利分别公开了一种利用海豚通信信号调频调制的仿生通信方法和一种仿海豚主动脉冲信号建模方法，它们都通过数学建模的方式模拟真实哨声信号的时频轮廓，其局限性在于数学模型仅能模拟某些特定哨声信号，不具有普适性，同时建模过程中的误差也会降低信号的仿生性能，隐蔽性较差。申请号为201510676933.7中国专利公开了一种基于超宽带信号的仿海豚嘀嗒声水声通信方法，其局限在于嘀嗒信号的频带范围较大，而常规水声通信换能器的频带范围有限，该方法在实际使用中会受限。
因此，保证实际可实施性条件下设计具有较高隐蔽性的仿生通信方法是非常必要的。
发明内容
本发明的目的是针对水声信道具有开放性的特点，提出一种基于分段时频轮廓时延调制的仿鲸目哨声通信方法，具有良好的隐蔽特性。
本发明方法具体步骤是：
步骤(1)对选取的鲸目动物哨声信号提取时频轮廓：
首先对原始哨声信号做短时傅里叶变换：
Figure BDA0002919208350000021
swhistle[·]为选取鲸目动物的原始哨声信号，w[·]表示窗函数，n和n′均表示采样时刻，f表示原始哨声信号频率；
根据短时傅里叶变换的结果，取每段窗函数中信号能量最大的频率作为当前窗函数中信号起始时刻频率，即第i段窗函数中信号的起始时刻频率fwhistle[i]＝argmax|Si[f]|；
然后利用自适应卡尔曼滤波算法对提取的每段窗函数中起始时刻频率做平滑处理，得到原始哨声信号swhistle[n]的整个时频轮廓fwhistle[n]。
步骤(2)对原始数据集和原始哨声信号进行预处理，包括：
(2-1)对原始数据集a＝{a1,a2,…,aP}预编码，ap为a中第p个数据，p＝1,2,…,P，P为原始数据集长度；根据需要调制的阶数M对原始数据预编码，得到一组M进制预编码数据集b＝{b1,b2,…,bK}，预编码数据集长度
Figure BDA0002919208350000022
Figure BDA0002919208350000023
表示向上取整；
(2-2)对原始哨声信号分段：将原始哨声信号的时频轮廓均匀划分为K段，形成K个不同的码元信号，每个码元信号的时长Tsym＝Twhistle/K，Twhistle表示整个哨声信号的持续时间。
步骤(3)在发送端，基于时延对预编码数据集b进行仿生调制：
(3-1)时延计算：将每个码元信号的时频轮廓进一步划分为M个时延子段，每个时延子段的持续时间为T0＝Tsym/M；预编码数据集b＝{b1,b2,…,bK}中每个数据bk分别对应M个不同大小时延中的一个，k＝1,2,…,K，数据bk的时延τk＝bkT0；
(3-2)频率搬移：在原始哨声信号时频轮廓的基础上对频率进行搬移，使对应时延段的频率偏离原始的时频轮廓；对第k个码元，将时延τk开始的时频轮廓子段整体进行频移，得到调制后的频率
Figure BDA0002919208350000031
其中，Δf表示频率的偏移量；
(3-3)合成仿生调制信号
Figure BDA0002919208350000032
其中，A[n]表示哨声信号随时间变化的包络大小，fs表示信号的采样率，q表示q时刻。
步骤(4)将选取的鲸目动物的原始哨声信号swhistle[n]作为同步信号，在同步信号和仿生调制信号之间插入时长Tprotect的保护间隔，满足
Figure BDA0002919208350000033
其中，Smax表示能够到达接收端的最长多径信号的传播距离，S0表示直达路径信号的传播距离，v表示水中的有效声速；同步信号、保护时间间隔、仿生调制信号组成仿生通信发送帧信号。
步骤(5)将仿生通信发送帧信号通过发送换能器发射，经过水声信道h[n]后，在接收换能器中接收。
步骤(6)在接收端，对接收信号进行同步与均衡，包括：
(6-1)信号同步：将接收的仿生通信信号与本地原始哨声信号进行相关，将相关峰开始时刻加上同步信号和保护间隔的持续时间，得到仿生调制信号的开始时刻；
(6-2)信道均衡：使用虚拟时间反转镜技术对水声信道进行均衡：同步信号swhistle[n]经过水声信道以后变成s′whistle[n]，首先将接收的同步信号s′whistle[n]与本地原始哨声信号swhistle[n]进行拷贝相关，得到信道估计的结果
Figure BDA0002919208350000034
然后根据估计出的结果对信道进行均衡，得到均衡后的仿生调制信号
Figure BDA0002919208350000035
其中，rTD[n]表示接收到的仿生调制信号，δ[n]表示环境噪声信号，h′[n]表示虚拟时间反转信道，
Figure BDA0002919208350000036
*表示卷积运算。
步骤(7)基于每段码元信号中的时延对预编码数据集b进行解调：
(7-1)将均衡后的仿生调制信号均匀划分，得到K段码元信号，第k段调制码元信号
Figure BDA0002919208350000041
其中，B[n]表示调制码元信号随时间变化的包络，相应的原始哨声信号
Figure BDA0002919208350000042
(7-2)将调制码元信号rTD,k[n]与原始哨声信号sk[n]相乘，得到对应的相干信号zTD,k[n]，
Figure BDA0002919208350000043
(7-3)对zTD,k[n]做低通滤波，去除高频信号分量；
(7-4)计算频率搬移量在每个时延子段的能量，做相应能量补偿，具体为：
a.由原始哨声信号求得每个时延子段信号的能量分别为e＝{e1,e2,…,eM}；
b.以能量最大的时延子段的能量为基准计算补偿系数，即
Figure BDA0002919208350000044
其中，emax＝max{e1,e2,…,eM}，表示该段信号中能量最大的时延段对应的能量，得到该段信号的补偿系数为c＝{c1,c2,…,cM}；
c.将每个时延子段信号的能量分别乘上相应的能量补偿系数；
(7-5)根据频率搬移量在每段码元信号中能量最大时对应的时延大小对预编码数据bk进行解调，得到解调结果
Figure BDA0002919208350000045
其中，
Figure BDA0002919208350000046
表示第k个预编码数据的解调结果；
(7-6)对每段码元信号重复(7-2)～(7-5)，解调得到M进制预编码数据集
Figure BDA0002919208350000047
步骤(8)对数据
Figure BDA0002919208350000048
做与步骤(2-1)的逆操作，译码得到原始数据
Figure BDA0002919208350000049
本发明利用海洋中鲸目动物的原始哨声信号作为信息的载体，哨声信号的频率随时间呈现出规则性变化，具有良好的时频特性，通过短时傅里叶变换得到原始哨声信号的时频轮廓，在时频轮廓的基础上对信息进行调制解调。与已有的仿生隐蔽水声通信技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明直接选取采集得到的鲸目动物原始哨声信号作为信息的载体，并没有像其他现有的技术中对哨声信号进行建模，一方面避免了信号建模过程中误差造成的仿生性能损失，另一方面也解决了数学建模仅适用于特定信号的问题，更具有普适性。
(2)本发明按照码元长度对原始哨声信号的时频轮廓进行分段，利用不同的时延段对每个码元进行表征，仅在相应的时延段对时频轮廓进行变化，有效地保证了调制信号的仿生性能，使通信信号具有良好的隐蔽性。
(3)与现有的技术中采用鲸目动物嘀嗒信号进行仿生通信相比，本发明采用鲸目动物原始哨声信号作为通信信号，其频率范围相对较窄，更适用于实际的换能器；其良好的相关特性也可取代传统同步信号，进一步提高了通信信号的仿生隐蔽性。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为真实的原始宽吻海豚哨声信号时频图；
图3为提取得到的原始宽吻海豚哨声信号时频图；
图4为利用频率搬移表征时延的原理图；
图5为发送的仿生调制信号的时频图；
图6为仿生通信发送帧信号结构图；
图7为虚拟时间反转镜技术的原理图；
图8为每个码元信号时延位置的示意图。
具体实施方式
以下结合附图并举实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提出一种基于分段时频轮廓时延调制的仿鲸目哨声通信方法，其流程图如图1所示，具体通过以下步骤实现：
步骤(1)对选取的鲸目动物哨声信号的时频轮廓进行提取：
选取鲸目动物原始哨声信号swhistle[n]，时频图如图2所示。首先对原始哨声信号做短时傅里叶变换：
Figure BDA0002919208350000051
w[n]表示窗函数，n和n′均表示采样时刻，f表示信号的频率。
根据短时傅里叶变换的结果，取每段窗函数中信号能量最大的频率作为当前窗函数中信号起始时刻的频率，对第i段窗函数中的信号，它的起始时刻的频率fwhistle[i]＝argmax|Si[f]|。
然后利用自适应卡尔曼滤波算法对提取的每段窗函数中起始时刻的频率做平滑处理，得到原始哨声信号swhistle[n]的整个时频轮廓fwhistle[n]如图3所示。
步骤(2)对原始数据和原始哨声信号进行预处理，包括：
(2-1)对原始数据集a＝{a1,a2,…,aP}预编码，ap为a中第p个数据，p＝1,2,…,P，P为原始数据集长度(本实施例中P＝16)；根据需要调制的阶数M对原始数据预编码(本实施例中M＝4)，得到一组M进制预编码数据集b＝{b1,b2,…,bK}，预编码数据集长度
Figure BDA0002919208350000061
Figure BDA0002919208350000062
表示向上取整(本实施例中
Figure BDA0002919208350000063
(2-2)对原始哨声信号分段：将原始哨声信号的时频轮廓均匀划分为8段，形成8个不同的码元信号，每个码元信号的时长Tsym＝Twhistle/8，Twhistle表示整个哨声信号的持续时间(本实施例中Twhistle＝0.5280s，Tsym＝0.5280/8＝0.0660s)。
步骤(3)在发送端，基于时延对预编码数据b进行仿生调制：
(3-1)时延计算：将每个码元信号的时频轮廓进一步划分为4个时延子段，每个时延子段的持续时间为T0＝0.0660/4＝0.0165s；预编码数据集b＝{b1,b2,…,b16}中每个数据bk分别对应4个不同大小时延中的一个，k＝1,2,…,16，数据bk的时延τk＝bkT0；
(3-2)频率搬移：如图4所示，在原始哨声信号时频轮廓的基础上对频率进行搬移，使对应时延段的频率偏离原始的时频轮廓；
对第k个码元，将时延τk开始的时频轮廓子段整体进行频移，得到调制后的频率
Figure BDA0002919208350000064
其中，Δf表示频率的偏移量(本实施例中Δf＝200Hz)；
(3-3)合成如图5所示的仿生调制信号
Figure BDA0002919208350000065
其中，A[n]表示哨声信号随时间变化的包络大小，fs表示信号的采样率(本实施例中fs＝60.6kHz)。
步骤(4)将选取的鲸目动物的原始哨声信号swhistle[n]作为同步信号，在同步信号和仿生调制信号之间插入一段时间的保护间隔，保护间隔的时长Tprotect满足
Figure BDA0002919208350000066
其中，Smax表示能够到达接收端的最长多径信号的传播距离，S0表示直达路径信号的传播距离，v表示水中的有效声速(本实施例中v＝1480m/s)；同步信号、保护时间间隔、仿生调制信号组成如图6所示的仿生通信发送帧信号。
步骤(5)将仿生通信发送帧信号通过发送换能器发射，经过水声信道h[n]后，在接收换能器中接收。
步骤(6)在接收端，对接收信号进行同步与均衡，包括：
(6-1)信号同步：将接收的仿生通信信号与本地原始哨声信号进行相关，根据相关峰的时刻推算出仿生调制信号的起始时刻；
(6-2)信道均衡：使用如图7所示的虚拟时间反转镜技术对水声信道进行均衡；假设步骤(4)中的同步信号swhistle[n]经过水声信道以后变成s′whistle[n]，首先将接收的同步信号s′whistle[n]与本地原始哨声信号swhistle[n]进行拷贝相关，得到信道估计的结果
Figure BDA0002919208350000076
然后根据估计出的结果对信道进行均衡，得到均衡后的仿生调制信号
Figure BDA0002919208350000071
其中，*表示卷积运算，rTD[n]表示接收到的仿生调制信号，δ[n]表示环境噪声信号，
Figure BDA0002919208350000072
表示虚拟时间反转信道。
步骤(7)基于每段码元信号中的时延对预编码数据b进行解调：
(7-1)仿生调制信号分段：将均衡后的仿生调制信号均匀划分，得到8段码元信号。第k段调制码元信号
Figure BDA0002919208350000073
其中，B[n]表示调制码元信号随时间变化的包络，相应的原始哨声信号
Figure BDA0002919208350000074
(7-2)将调制码元信号rTD,k[n]与原始哨声信号sk[n]相乘，得到相应的相干信号zTD,k[n]，
Figure BDA0002919208350000075
(7-3)对相干信号zTD,k[n]做低通滤波，去除高频信号分量；
(7-4)计算频率搬移量在每个时延子段的能量，做相应能量补偿，具体为：
a.由原始哨声信号求得每个时延子段信号的能量分别为e＝{e1,e2,e3,e4}；
b.以能量最大的时延子段的能量为基准计算补偿系数，即
Figure BDA0002919208350000081
其中，emax＝max{e1,e2,e3,e4}，表示该段信号中能量最大的时延段对应的能量，得到该段信号的补偿系数为c＝{c1,c2,c3,c4}；
c.将每个时延子段信号的能量分别乘上相应的能量补偿系数；
(7-5)数据解调：根据图8所示的频率搬移量在每段码元信号中能量最大时对应的时延大小对预编码数据bk进行解调，得到相应的解调结果
Figure BDA0002919208350000082
其中，
Figure BDA0002919208350000083
表示第k个预编码数据的解调结果；
(7-6)对每段码元信号重复(7-2)～(7-5)，解调得到M进制预编码数据集
Figure BDA0002919208350000084
步骤(8)对数据
Figure BDA0002919208350000085
做与步骤(2-1)的逆操作，译码得到原始数据
Figure BDA0002919208350000086
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于分段时频轮廓时延调制的仿鲸目哨声通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)对选取的鲸目动物哨声信号提取时频轮廓fwhistle[n]；
步骤(2)对原始数据集和原始哨声信号进行预处理，包括：
(2-1)对原始数据集a＝{a1,a2,…,aP}预编码，ap为a中第p个数据，p＝1,2,…,P，P为原始数据集长度；根据需要调制的阶数M对原始数据预编码，得到一组M进制预编码数据集b＝{b1,b2,…,bK}；
(2-2)将原始哨声信号的时频轮廓均匀划分为K段，形成K个不同的码元信号，每个码元信号的时长Tsym＝Twhistle/K，Twhistle表示整个哨声信号的持续时间；
步骤(3)在发送端，基于时延对预编码数据集b进行仿生调制：
(3-1)时延计算：将每个码元信号的时频轮廓进一步划分为M个时延子段，每个时延子段的持续时间为T0＝Tsym/M；预编码数据集b＝{b1,b2,…,bK}中每个数据bk分别对应M个不同大小时延中的一个，k＝1,2,…,K，数据bk的时延τk＝bkT0；
(3-2)频率搬移：在原始哨声信号时频轮廓的基础上对频率进行搬移，使对应时延段的频率偏离原始的时频轮廓；对第k个码元，将时延τk开始的时频轮廓子段整体进行频移，得到调制后的频率
Figure FDA0003531743400000011
其中，Δf表示频率的偏移量；
(3-3)合成仿生调制信号
Figure FDA0003531743400000012
其中，A[n]表示哨声信号随时间变化的包络大小，fs表示信号的采样率，q表示q时刻；
步骤(4)将选取的鲸目动物的原始哨声信号swhistle[n]作为同步信号，在同步信号和仿生调制信号之间插入时长Tprotect的保护间隔，满足
Figure FDA0003531743400000013
其中，Smax表示能够到达接收端的最长多径信号的传播距离，S0表示直达路径信号的传播距离，v表示水中的有效声速；同步信号、保护时间间隔、仿生调制信号组成仿生通信发送帧信号；
步骤(5)将仿生通信发送帧信号通过发送换能器发射，经过水声信道h[n]后，在接收换能器中接收；
步骤(6)在接收端，对接收信号进行信号同步和信道均衡；
(6-1)信号同步：将接收的仿生通信信号与本地原始哨声信号进行相关，将相关峰开始时刻加上同步信号和保护间隔的持续时间，得到仿生调制信号的开始时刻；
(6-2)信道均衡：使用虚拟时间反转镜技术对水声信道进行均衡：同步信号swhistle[n]经过水声信道以后变成s′whistle[n]，首先将接收的同步信号s′whistle[n]与本地原始哨声信号swhistle[n]进行拷贝相关，得到信道估计的结果
Figure FDA0003531743400000021
然后根据估计出的结果对信道进行均衡，得到均衡后的仿生调制信号
Figure FDA0003531743400000022
其中，rTD[n]表示接收到的仿生调制信号，δ[n]表示环境噪声信号，h′[n]表示虚拟时间反转信道，
Figure FDA0003531743400000023
*表示卷积运算；
步骤(7)基于每段码元信号中的时延对预编码数据集b进行解调：
(7-1)将均衡后的仿生调制信号均匀划分，得到K段码元信号，第k段调制码元信号
Figure FDA0003531743400000024
其中，B[n]表示调制码元信号随时间变化的包络，相应的原始哨声信号
Figure FDA0003531743400000025
(7-2)将调制码元信号rTD,k[n]与原始哨声信号sk[n]相乘，得到对应的相干信号zTD,k[n]；
(7-3)对zTD,k[n]做低通滤波，去除高频信号分量；
(7-4)计算频率搬移量在每个时延子段的能量，做相应能量补偿；
(7-5)根据频率搬移量在每段码元信号中能量最大时对应的时延大小对预编码数据bk进行解调，得到解调结果
Figure FDA0003531743400000026
其中，
Figure FDA0003531743400000027
表示第k个预编码数据的解调结果；
(7-6)对每段码元信号重复(7-2)～(7-5)，解调得到M进制预编码数据集
Figure FDA0003531743400000031
步骤(8)对数据
Figure FDA0003531743400000032
做与步骤(2-1)的逆操作，译码得到原始数据
Figure FDA0003531743400000033
2.如权利要求1所述的基于分段时频轮廓时延调制的仿鲸目哨声通信方法，其特征在于，步骤(1)具体是：
首先对原始哨声信号做短时傅里叶变换：
Figure FDA0003531743400000034
swhistle[·]为选取鲸目动物的原始哨声信号，w[·]表示窗函数，n和n′均表示采样时刻，f表示原始哨声信号频率；
根据短时傅里叶变换的结果，取每段窗函数中信号能量最大的频率作为当前窗函数中信号起始时刻频率，即第i段窗函数中信号的起始时刻频率fwhistle[i]＝argmax|Si[f]|；
然后利用自适应卡尔曼滤波算法对提取的每段窗函数中起始时刻频率做平滑处理，得到原始哨声信号swhistle[n]的整个时频轮廓fwhistle[n]。
3.如权利要求1所述的基于分段时频轮廓时延调制的仿鲸目哨声通信方法，其特征在于：步骤(2-1)中预编码数据集长度
Figure FDA0003531743400000035
Figure FDA0003531743400000036
表示向上取整。
4.如权利要求1所述的基于分段时频轮廓时延调制的仿鲸目哨声通信方法，其特征在于，(7-4)能量补偿具体为：
a.由原始哨声信号求得每个时延子段信号的能量分别为e＝{e1,e2,…,eM}；
b.以能量最大的时延子段的能量为基准计算补偿系数，即
Figure FDA0003531743400000037
m＝1,2,…,M；其中，emax＝max{e1,e2,…,eM}，表示该段信号中能量最大的时延段对应的能量，得到该段信号的补偿系数为c＝{c1,c2,…,cM}；
c.将每个时延子段信号的能量分别乘上相应的能量补偿系数。
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