CN113259016B - 一种基于海豚哨声参数模型的水声隐蔽通信方法 - Google Patents

一种基于海豚哨声参数模型的水声隐蔽通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于海豚哨声参数模型的水声隐蔽通信方法，通过采集大量的不同海豚哨声信号并形成STFT时频谱图，利用数字图像处理提取其时频轮廓曲线。通过对比分析，选取能够频分复用、时长较短的N种哨声信号，并基于参数模型和一定的映射规则将待发射的信息加载至生成的哨声信号上，最后将生成的N种哨声信号再按一定的规则组合，形成具有强隐蔽性的通信信号。本发明因其信号特征和调制方式使得通信内容具有极强的隐蔽性，通过与时分复用、频分复用结合的技术，使得发射信号类似于群体生物此起彼伏的叫声，更加真实；时分复用、频分复用的引入还能提升一定的传输速率，因此更具有实际应用价值。

Description

一种基于海豚哨声参数模型的水声隐蔽通信方法
技术领域
本发明涉及隐蔽水声通信领域，具体涉及仿生学、声信号处理技术、数字图像处理、信息对抗、信号编码方法等，尤其是一种水声通信方法。
背景技术
海洋是人类生存发展的源泉。如何开发和利用海洋是我国在走向世界强国的过程中需要直面的问题。对海洋资源的开发利用，对领海的保护和管控，都对水声通信提出了更高的要求。近些年来，水声通信朝着高速率、高可靠性和网络化的方向有了进一步的发展，在军事方面，通信的隐蔽性能也成为不可忽视的一部分。
隐蔽水声通信不仅需要保证传输信号在水下安全秘密地传输，而不被敌方识别、检测或截获，更需要保证移动或非移动的水下通信平台位置的安全，不被敌方发现、销毁、监听。因此隐蔽通信对于水下信息的安全传送具有很强的战略意义。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于海豚哨声参数模型的水声隐蔽通信方法。为使得通信信号具有更强的隐蔽性，本发明提出了一种模拟真实的海洋生物叫声隐蔽仿生通信技术，通过提取多种海豚生物哨声时频轮廓曲线，产生基于参数模型的仿海豚群体哨声信号的隐蔽通信方法，本发明模拟了一群海豚经过时此起彼伏的叫声序列，通过特定的信息映射规则，并利用频分复用等技术，可将待发送的情报隐藏在其中，在隐蔽作战时起到关键的信息传输的作用。
为了弥补现有技术的缺陷，本发明采用了基于仿生学思想的隐蔽通信方式。该种通信方式通过对海洋生物叫声的分析，模拟产生类似于海洋动物叫声的声波作为通信信号。使得在敌方能够检测到信号的情况下，将其误识别为海洋生物叫声而忽视，因此该方法不论在高信噪比还是低信噪比传输时都能够起到极强的隐蔽性能。
针对传统扩频隐蔽通信技术依靠降低信噪比提高隐蔽性且易暴露通信机位置的缺点，本发明提出了一种基于海豚哨声信号参数模型模拟海豚哨声来传递信息的方法。通过采集大量的不同海豚哨声信号并形成STFT时频谱图，利用数字图像处理提取其时频轮廓曲线。通过对比分析，选取能够频分复用、时长较短的N种哨声信号，并基于参数模型和一定的映射规则将待发射的信息加载至生成的哨声信号上，最后将生成的N种哨声信号再按一定的规则组合，形成具有强隐蔽性的通信信号。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案的具体步骤如下：
步骤一：提取海豚哨声信号时频轮廓图
利用水听器自行采集或通过“沃特金斯海洋哺乳动物声音数据库”平台获取多种海豚声音信号，经短时傅里叶变换提取其时频谱图：
Figure BDA0003034516150000021
其中，
Figure BDA0003034516150000022
为短时傅里叶时频谱，ω为角频率，t为时间，sw(t)为采集的海豚声音信号，τ为积分变量，g(t-τ)为窗函数，e为自然对数；
通过数字图像处理方法对得到的时频谱图的像素矩阵进行基波分量的提取，最终得到海豚哨声信号(扫频信号形式)基波分量的时频轮廓曲线fw(t)：
λ:Ga×b×3→fw(t)
其中，Ga×b×3为a×b维RGB像素矩阵显示的彩色时频谱图，λ表示为由时频谱图Ga×b×3经数字图像处理方法到时频轮廓函数fw(t)的一个映射；
步骤二：选择可利用的哨声信号
选取K种在步骤一中已提取好时频轮廓的可利用哨声信号，使得频率不重叠的信号同时发送，或者频段有重合的信号交替发送；根据选取的海豚哨声信号的时频轮廓曲线fw1(t)、fw2(t)、fw3(t)...，产生所需的仿海豚原始哨声信号sm1(t),sm2(t),sm3(t)...；
步骤三：构建海豚哨声信号参数模型
针对于第i种海豚哨声信号smi(t)，合成信号参数模型构建为：
Figure BDA0003034516150000023
fsyn(t)＝fcenter(t)+c×(fw(t)-fcenter(t))+fc
其中，s(t)为基于第i种原始信号smi(t)的合成哨声信号，A为固定信号幅度，fsyn(t)随时间变化的频率函数，T为信号持续时长，fcenter为哨声时频谱轮廓中间时间点对应的频率，c为哨声频率的纵向伸缩系数，伸缩系数c以1为中心值，携带ncbit信息，fc为时频谱搬移的频率，搬移系数fc以0为中心值，携带
Figure BDA0003034516150000024
信息；
Figure BDA0003034516150000031
其中，f为根据每个参数所携带的bit个数选取的一系列参数值；
步骤四：产生携带信息的待发送海豚哨声信号
合成第i段信号调制后的离散形式为：
Figure BDA0003034516150000032
其中，N为信号的点数，fs为采样频率；
用户根据所使用哨声信号频率范围，确定哨声信号发射时分复用、频分复用的规则信号发射协议，根据发射协议制定的发射信号的方式通过频分复用不同频段的哨声信号的叠加，以及时分复用信号的交替发送不同哨声信号的方法合成一段完整的待发送的仿海豚哨声信号；
步骤五：接收端信号预处理
利用原始信号与本地信号进行同步；根据确定的信号频段设计带通滤波器将不同频带范围的信号分离，再根据步骤四的发射协议截取得到发射前的一系列已调信号片段；
接收到的数字哨声信号的离散形式为：
Figure BDA0003034516150000033
其中，Nx为接收信号的点数，截取的接收信号的长度大于等于最长的调制哨声，w[n]为均值为0，方差为σ2的高斯白噪声；
步骤六：哨声信号解调
对得到的信号片段x(n)进行最大似然估计，得到参数纵向伸缩系数c和频率搬移系数fc：
Figure BDA0003034516150000034
根据估计出的频率参数
Figure BDA0003034516150000035
以及在调制时由数据信息确定的调制参数的对应法则反映射得到每个参数值的对应码；
步骤七：解码完整的发送信息内容
用户根据步骤四中制定的信号发射协议，将一系列码元按照拆分方式重新排列组合，得到每一段哨声信号所携带的信息，可恢复出完整的发送信息内容。
步骤六中，所述法则指调制时在步骤三构建信号参数模型时确定的不同数据信息对应的不同信号参数。
本发明的有益效果在于提出基于海豚哨声信号参数模型的水声隐蔽通信方法，通过对海豚哨声信号进行时频信息提取，并基于参数模型对频率进行信息调制，模拟产生类似于真实海豚叫声的哨声信号用于隐蔽通信。本发明作为一种基于海豚哨声的仿生隐蔽通信方式，利用仿生思想的优势而具有极强的隐蔽性能。首先，该种调制方式选取真实海豚叫声作为原始信号，不易被敌方识别为载有信息的信号。同时，海洋生物的叫声千差万别，由于敌方缺少具体的调制方式、映射方式、信息组合方式等破译知识，即便被发现也无法确定原始信号的形式，因此该方法因其信号特征和调制方式使得通信内容具有极强的隐蔽性。另外，考虑到实际海洋中单一物种单独连续有规律性的发声，易被监听出异常，存在暴露通信平台的风险，为接近于真实情况，本发明采取利用多种海豚的叫声，通过与时分复用、频分复用结合的技术，使得发射信号类似于群体生物此起彼伏的叫声，更加真实；时分复用、频分复用的引入还能提升一定的传输速率，因此更具有实际应用价值。本发明的创新，推动了对水声隐蔽通信、水下作战的情报传送、信息对抗技术以及仿生学的发展，对海洋领土保护、海洋资源开发具有深远的军事意义和经济意义。
附图说明
图1为本发明调制解调总体流程图。
图2为调制映射规则及发射方式示意图。
图3为时频轮廓提取示例图，图3(a)为一段海豚声音信号时频图谱，图3(b)为从图3(a)的哨声信号截取的基波时频图；图3(c)为从图3(b)提取的海豚哨声信号时频轮廓。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明的实施步骤为：
步骤一：提取海豚哨声信号时频轮廓图
利用水听器自行采集或通过“沃特金斯海洋哺乳动物声音数据库”等数据平台获取多种海豚声音信号，经短时傅里叶变换提取其时频谱图。
Figure BDA0003034516150000051
其中，
Figure BDA0003034516150000052
为短时傅里叶时频谱，ω为角频率，t为时间，sw(t)为采集的海豚声音信号，τ为积分变量，g(t-τ)为窗函数，e为自然对数。
通过数字图像处理方法对得到的时频谱图RGB三维像素矩阵Ga×b×3映射为一维灰度图像矩阵G′a×b，截取基波分量所在像素区域得到矩阵G″a×b′，经过二值化得到01矩阵G″′a′×b′，再通过中值滤波、粒子滤波等方法滤除噪声，提取得到海豚哨声信号(扫频信号形式)基波分量的时频轮廓曲线fw(t)。
λ:Ga×b×3→fw(t)
其中，λ表示为由时频谱图Ga×b×3经数字图像处理方法到时频轮廓函数fw(t)的一个映射。
步骤二：选择可利用的哨声信号
为使得发射信号更具有真实性，需要选取K段频率不重叠的信号部分同时发送，或者频段有重合的信号交替发送(选取的信号越多，对通信机的存储能力和计算速度要求更高)。根据这些信号的时频轮廓曲线fw1(t)、fw2(t)、fw3(t)...，产生所需的仿海豚原始哨声信号sm1(t),sm2(t),sm3(t)...。
图2示例中将频带划分为了两部分，中间建立了一定的隔离带。频段1包括1种哨声信号fw1(t)，频带2包括两种哨声信号fw2(t)、fw3(t)。
步骤三：根据海豚哨声信号参数模型进行信号调制
针对于第i种海豚哨声信号smi(t)，合成信号参数模型可以构建为：
Figure BDA0003034516150000053
fsyn(t)＝fcenter(t)+c×(fw(t)-fcenter(t))+fc
其中，s(t)为基于第i种原始信号smi(t)的合成哨声信号，A为固定信号幅度，fsyn(t)随时间变化的频率函数，T为信号持续时长，fcenter为哨声时频谱轮廓中间时间点对应的频率。c为哨声频率的纵向伸缩系数(伸缩系数c以1为中心值，携带ncbit信息)，fc为时频谱搬移的频率(搬移系数fc以0为中心值，携带
Figure BDA0003034516150000061
信息)。由于水声通信信道的复杂性，为保证较低误码率，不对信号的幅值和时长进行调制，仅对频率的纵向伸缩系数c和频率搬移系数fc进行信息的加载。则根据每个参数所携带的bit个数，选取的一些列参数值为
Figure BDA0003034516150000062
步骤四：产生携带信息的待发送海豚哨声信号
用户确定哨声信号发射时分复用、频分复用的规则信号发射协议，根据协议制定的发射信号的方式合成待发送的仿海豚哨声信号。由上述映射规则，合成第i段信号调制后的离散形式为
Figure BDA0003034516150000063
其中，N为信号的点数，fs为采样频率。由此得到已经调制的L段频率携带信息的哨声信号。
本发明图2示例中，将信息数据分为3部分，每部分对应使用一种哨声信号进行数据携带。将每部分数据截为L段，每段长度为nbit，其中
Figure BDA0003034516150000064
每一段数据可对应一组频率参数f＝[c,fc]，即可用于调制对应的原始哨声信号。从图2中可知，本实施例给出的方法中，经历一次通信需要发送L1+L2+L3段哨声信号，每段信号时长分别为t1、t2、t3，若不考虑时间间隔与同步信号时长，通信时长为L1t1+L2t2+L3t3，共发送长度为L1n1+L2n2+L3n3bit数据。
调制时所利用频带数目和各频带包含哨声数量与所选哨声信号相关，用户可根据实际情况自行设定。
步骤五：接收端信号预处理
利用原始信号进行同步，本地信号同步。根据确定的信号频段设计带通滤波器将不同频带范围的信号分离，再根据发射前约定的方式(发射端步骤四)截取得到发射前的一系列已调信号片段。
接收到的数字哨声信号的离散形式为
Figure BDA0003034516150000071
其中，Nx为接收信号的点数，但需要保证截取的接收信号的长度要大于或等于最长的调制哨声，w[n]为均值为0，方差为σ2的高斯白噪声。
步骤六：哨声信号解调
对得到的信号片段x(t)进行最大似然估计，可得参数纵向伸缩系数c和频率搬移系数fc
Figure BDA0003034516150000072
根据上述估计出的频率参数f以及调制时的对应法则反映射得到每个参数值的对应码。
步骤七：解码完整的发送信息内容
根据步骤四制定的通信协议，将一系列码元按照拆分方式重新排列组合，即可得到每一段哨声信号所携带的信息，并可恢复出完整的发送信息内容。

Claims (2)

1.一种基于海豚哨声参数模型的水声隐蔽通信方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤一：提取海豚哨声信号时频轮廓图
利用水听器自行采集或通过“沃特金斯海洋哺乳动物声音数据库”平台获取多种海豚声音信号，经短时傅里叶变换提取其时频谱图：
Figure FDA0003749022170000011
其中，
Figure FDA0003749022170000012
为短时傅里叶时频谱，ω为角频率，t为时间，sw(τ)为采集的海豚声音信号，τ为积分变量，g(τ-t)为窗函数，e为自然对数；
通过数字图像处理方法对得到的时频谱图的像素矩阵进行基波分量的提取，最终得到海豚哨声信号基波分量的时频轮廓曲线fw(t)：
λ:Ga×b×3→fw(t)
其中，Ga×b×3为a×b维RGB像素矩阵显示的彩色时频谱图，λ表示为由时频谱图Ga×b×3经数字图像处理方法到时频轮廓函数fw(t)的一个映射；
步骤二：选择可利用的哨声信号
选取K种在步骤一中已提取好时频轮廓的可利用哨声信号，使得频率不重叠的信号同时发送，或者频段有重合的信号交替发送；根据选取的海豚哨声信号的时频轮廓曲线fw1(t)、fw2(t)、fw3(t)…，产生所需的仿海豚原始哨声信号sm1(t),sm2(t),sm3(t)...；
步骤三：构建海豚哨声信号参数模型
针对于第i种海豚哨声信号smi(t)，合成信号参数模型构建为：
Figure FDA0003749022170000013
fsyn(t)＝fcenter(t)+c×(fw(t)-fcenter(t))+fc
其中，s(t)为基于第i种原始信号smi(t)的合成哨声信号，A为固定信号幅度，fsyn(t)随时间变化的频率函数，T为信号持续时长，fcenter为哨声时频谱轮廓中间时间点对应的频率，c为哨声频率的纵向伸缩系数，伸缩系数c以1为中心值，携带ncbit信息，fc为时频谱搬移的频率，搬移系数fc以0为中心值，携带
Figure FDA0003749022170000014
信息；
Figure FDA0003749022170000015
其中，f为根据每个参数所携带的bit个数选取的一系列参数值；
步骤四：产生携带信息的待发送海豚哨声信号
合成第i段信号调制后的离散形式为：
Figure FDA0003749022170000021
其中，N为信号的点数，fs为采样频率；
用户根据所使用哨声信号频率范围，确定哨声信号发射时分复用、频分复用的规则信号发射协议，根据发射协议制定的发射信号的方式通过频分复用不同频段的哨声信号的叠加，以及时分复用信号的交替发送不同哨声信号的方法合成一段完整的待发送的仿海豚哨声信号；
步骤五：接收端信号预处理
利用原始信号与本地信号进行同步；根据确定的信号频段设计带通滤波器将不同频带范围的信号分离，再根据步骤四的发射协议截取得到发射前的一系列已调信号片段；
接收到的数字哨声信号的离散形式为：
Figure FDA0003749022170000022
其中，Nx为接收信号的点数，截取的接收信号的长度大于等于最长的调制哨声，w[n]为均值为0，方差为σ2的高斯白噪声；
步骤六：哨声信号解调
对得到的信号片段x(n)进行最大似然估计，得到参数纵向伸缩系数c和频率搬移系数fc：
Figure FDA0003749022170000023
根据估计出的频率参数
Figure FDA0003749022170000024
以及在调制时由数据信息确定的调制参数的对应法则反映射得到每个参数值的对应码；
步骤七：解码完整的发送信息内容
用户根据步骤四中制定的信号发射协议，将一系列码元按照拆分方式重新排列组合，得到每一段哨声信号所携带的信息，可恢复出完整的发送信息内容。
2.根据权利要求1所述的基于海豚哨声参数模型的水声隐蔽通信方法，其特征在于：
步骤六中，所述法则指调制时在步骤三构建信号参数模型时确定的不同数据信息对应的不同信号参数。
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