CN116132234B - 利用鲸目动物哨声相位编码的水下隐蔽通信方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用鲸目动物哨声相位编码的水下隐蔽通信方法及装置，方法包括：将编码比特信息“0”，“1”映射为双极性不归零码“+1”，“‑1”；确定每一个鲸目动物哨声信号所能编码信息码元的数量以对码元进行分组；根据选取的鲸目动物哨声的时宽及码元宽度设定每个鲸目动物哨声的分帧数：根据相移键控的进制数，对每组码元进行脉冲成型滤波，所述脉冲成型滤波器为由发射端的根升余弦滚降滤波器和接收端的根升余弦滚降滤波器组合而成的升余弦滚降滤波器；根据所采用相移键控的进制数，将脉冲成型后的信号调制在鲸目动物哨声。装置包括：通信发射平台和通信接收平台。

Description

利用鲸目动物哨声相位编码的水下隐蔽通信方法及装置
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种利用鲸目动物哨声相位编码的水下隐蔽通信方法及装置。
背景技术
水下隐蔽声通信是水下军事平台导航定位及信息交互的关键手段，具有非常重要的作用。为了提高水声通信的隐蔽性，传统方法一般利用扩频等方式将通信信号隐藏在噪声中以增加敌方侦查系统检测到通信信号的难度。
但是，这种低信噪比的隐蔽通信方法会限制通信系统的通信距离，且由于其使用的通信信号具有非常明显的人工特征，很容易引起敌人侦查系统的注意，导致水下军事平台被定位降低了安全性和隐蔽性。
发明内容
本发明提供了一种利用鲸目动物哨声相位编码的水下隐蔽通信方法及装置，本发明以原始鲸目动物哨声信号作为载波，通过相移键控调制鲸目动物哨声的相位这一特征参数，即利用鲸目动物哨声相位进行编码的水下隐蔽通信，详见下文描述：
一种利用鲸目动物哨声相位编码的水下隐蔽通信方法，所述方法包括：
将编码比特信息“0”，“1”映射为双极性不归零码“+1”，“-1”；确定每一个鲸目动物哨声信号xi(t)所能编码信息码元的数量Si以对码元进行分组；
根据选取的鲸目动物哨声xi(t)的时宽Ti及码元宽度TB设定每个鲸目动物哨声的分帧数：
根据相移键控的进制数K，对每组码元进行脉冲成型滤波，所述脉冲成型滤波器为由发射端的根升余弦滚降滤波器和接收端的根升余弦滚降滤波器组合而成的升余弦滚降滤波器；
根据所采用相移键控的进制数K，将脉冲成型后的信号调制在鲸目动物哨声。
其中，所述根据选取的鲸目动物哨声xi(t)的时宽Ti及码元宽度TB设定每个鲸目动物哨声的分帧数具体为：
式中，为向下取整，P为编码所有比特数所需鲸目动物哨声xi(t)的数量，根据鲸目动物哨声分帧数Mi对码元进行分组，组内码元个数Si等于分帧数Mi，每组码元可用一个鲸目动物哨声信号进行编码。
其中，所述方法采用等幅鲸目动物哨声作为载波，降低通信误码率。
所述采用选取自相关性好、互相关性差的原始鲸目动物哨声作为通信同步码SC。所述方法对匹配滤波后的信号shi(t)进行低通滤波，去除高频分量后，根据同步码拷贝相关提供的时间基准产生与码元宽度TB相同的定时脉冲，并对低通滤波后的信号进行抽样判决，从而实现通信信息的解码。
一种利用鲸目动物哨声相位编码的水下隐蔽通信装置，所述装置包括：
通信发射平台：待传输的通信信息被传输至通信编码器，通信编码器根据通信信息发送端的编码方法，基于相移键控和根升余弦滚降滤波器对通信信息进行编码和脉冲成型，并将其送入调制器；调制器从鲸目动物哨声脉冲库中读取鲸目动物哨声对已编码信息进行调制，将以鲸目动物哨声脉冲为载波的编码信息传输给水声换能器，通过水声换能器转换成声波信号发向水中，实现通信信息的发射；
通信接收平台：使用水听器将携带有通信信息的鲸目动物哨声信号进行采集并转换成电信号传输至拷贝相关器，拷贝相关器对接收信号进行同步定时后送入相干解调器进行相干解调，通信解码器基于通信信息接收端的解码方法对已解调信号进行解码，最后将解码出的通信信息通过通信信息输出器输出，实现通信信息的解码。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
与传统方法不同，本发明设计了一种通过鲸目动物叫声伪装自身的新型水下隐蔽通信方法，其从仿生角度出发，将原始鲸目动物哨声信号作为载波，利用相移键控调制鲸目动物哨声的相位这一特征参数。由于目前主流的水下侦查系统都将海洋动物叫声分类为噪声信号而过滤掉，因此，本发明提出的方法可以实现水下隐蔽通信，具有以下特点：
(1)采用鲸目动物原始哨声信号作为载波信号，使敌方将检测到的通信信号视为原始鲸目动物叫声而作为海洋噪声滤除，以达到隐蔽通信的目的；
(2)利用相移键控抗噪声能力强的可靠性优势，提供一种基于鲸目动物原始哨声相移键控的高可靠仿生隐蔽通信方法；
(3)针对原始鲸目动物叫声信号相位连续的特点，使用升余弦滚降脉冲成型滤波器减少对鲸目动物哨声信号进行相移键控所产生的频谱泄露和码间干扰，进一步提高所设计方法的隐蔽性和可靠性。
附图说明
图1为本发明中的一段鲸目动物哨声脉冲信号的波形图；
图2为本发明中的通信发射平台的示意图；
其中，1为待传输的通信信息；2为通信编码器；3为调制器；4为鲸目动物哨声脉冲库；5为水声换能器。
图3为本发明中的通信接收平台的示意图。
其中，6为水听器；7为拷贝相关器；8为相干解调器；9为通信解码器；10为通信信息输出器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
一种利用鲸目动物哨声相位编码的水下隐蔽通信方法，以原始鲸目动物哨声信号作为载波，通过相移键控调制鲸目动物哨声的相位这一特征参数，即利用鲸目动物哨声相位进行编码的水下隐蔽通信，该方法包括以下步骤：
一、根据鲸目动物哨声特点和发声规律设计通信编码方法：
首先将编码比特信息“0”，“1”映射为双极性不归零码“+1”，“-1”；进一步地，确定每一个鲸目动物哨声信号xi(t)所能编码信息码元的数量Si以对码元进行分组，其中i为鲸目动物哨声信号的序数。图1给出了一段鲸目动物哨声叫声脉冲信号串波形图，由其波形可知，鲸目动物哨声叫声脉冲信号串由多个具有不同时宽的哨声叫声组成，而编码比特所占总时宽一般大于单个鲸目动物哨声时宽，因此本发明实施例根据选取的鲸目动物哨声xi(t)的时宽Ti及码元宽度TB通过公式(1)设定每个鲸目动物哨声的分帧数：
式中为向下取整，P为编码所有比特数所需鲸目动物哨声xi(t)的数量。根据鲸目动物哨声分帧数Mi对码元进行分组，组内码元个数Si等于分帧数Mi，使得每组码元可用一个鲸目动物哨声信号进行编码。
给出一个具体的实例如下：假设某一鲸目动物哨声xi(t)的时宽Ti＝280ms，码元宽度TB＝30ms，可得出该鲸目动物哨声的分帧数Mi＝9，即该组内码元个数Si＝9，该鲸目动物哨声可编码9个码元的通信信息。
进一步地，根据所采用相移键控的进制数K，对每组码元进行脉冲成型滤波，其中脉冲成型滤波器使用由发射端的根升余弦滚降滤波器和接收端的根升余弦滚降滤波器组合而成的升余弦滚降滤波器。例如，当K＝2即采用二进制相移键控时，对每组码元分别进行补零插值得到多组序列sqi(t)，并对序列sqi(t)进行根升余弦滚降滤波，得到滤波信号si(t)；当K＝4即采用四进制相移键控时，对映射的双极性不归零码“+1”，“-1”进行串并转换，将其分为I路和Q路两路码元，对两路中的每组码元分别进行补零插值得到多组序列sqIi(t)和sqQi(t)，并对序列sqIi(t)和sqQi(t)分别进行根升余弦滚降滤波，得到滤波信号sIi(t)和sQi(t)。根升余弦滚降滤波可以对通信信号进行带限，平滑发送信号的相位变化，从而减少由相移键控调制产生的相位突变造成的频谱泄露，增加发送信号的隐蔽性。
进一步地，根据所采用相移键控的进制数K，将脉冲成型后的信号调制在鲸目动物哨声上。例如，当K＝2即采用二进制相移键控时，将鲸目动物哨声信号xi(t)作为载波，与对应的滤波信号si(t)相乘，得到仿生通信信号yi(t)，yi(t)＝si(t)·xi(t)；当K＝4即采用四进制相移键控时，将鲸目动物哨声信号xi(t)和将xi(t)相位滞后90°的信号xQi(t)分别作为I路和Q路的载波与对应的滤波信号sIi(t)和sQi(t)相乘，得到I路信号yIi(t)和Q路信号yQi(t)，并将其相减得到最终的仿生通信信号yi(t)＝yIi(t)-yQi(t)。
另外，由于脉冲成型将信号能量限制在一定频带范围内，在通过上述yi(t)＝si(t)·xi(t)、yIi(t)＝sIi(t)·xi(t)及yQi(t)＝sQi(t)·xQi(t)得到仿生通信信号yi(t)的过程中，si(t)、sIi(t)、sQi(t)与xi(t)、xQi(t)相乘相当于利用si(t)、sIi(t)、sQi(t)对鲸目动物哨声xi(t)、xQi(t)的幅值进行了调制，而原始鲸目动物哨声的幅值本就随时间变化，因此为避免发射信号在经过水声信道后的幅值过小，导致解码误码率升高，采用等幅鲸目动物哨声作为载波，从而降低通信误码率；另一方面，由于原始鲸目动物哨声频带较宽，而复杂水声信道会对不同频率的信号产生不同程度的衰减，因此除了脉冲成型，接收信号的幅值也会因为经过水声信道而产生不同程度的衰弱，与原始鲸目动物哨声变化的幅值相似，因此采用等幅鲸目动物哨声作为载波并不会影响通信的隐蔽性。
进一步地，为在保证通信隐蔽性的基础上实现通信信息的相干解调，选取自相关性好、互相关性差的原始鲸目动物哨声作为通信同步码SC，以实现通信接收系统的同步定时。
二、设计通信信息接收端的解码方法：
首先，通过对同步码SC的拷贝相关处理进行同步定时，获取仿生通信信号yi(t)的时间基准。确定每个仿生通信信号yi(t)对应的原始鲸目动物哨声信号即载波信号xi(t)，以及每个仿生通信信号yi(t)的起始时刻，并对每个仿生通信信号yi(t)进行脉冲摘取。
进一步地，将摘取的每个仿生通信信号yi(t)分别与其对应的载波xi(t)(或xi(t)及-xQi(t))相乘，并利用与发射端相同的根升余弦滚降滤波器进行匹配滤波，这与发射端的根升余弦滚降滤波器组合等效于一个滚降系数为α的升余弦滚降滤波器h(t)：
其中，TB为相位编码采用的码元宽度。
从而得到匹配滤波后的信号shi(t)。其中滚降系数α应根据通信系统对定时误差、频带利用率和所构仿生通信信号与原始鲸目动物哨声的相似度的要求，在0≤α≤1间选取。
进一步地，对匹配滤波后的信号shi(t)进行低通滤波，去除高频分量后，根据同步码拷贝相关提供的时间基准产生与码元宽度TB相同的定时脉冲，并对低通滤波后的信号进行抽样判决，从而实现通信信息的解码。
具体来说，与前述通信编码原理中的比特映射过程相对应，若抽样判决的结果为“+1”，则通过该码元解码出的通信二进制信息为“0”，若抽样判决的结果为“-1”，则通过该码元解码出的通信二进制信息为“1”。
三、通信发射和接收平台的实现：
通信发射平台的实现如下：
如图2所示，待传输的通信信息1被传输至通信编码器2，通信编码器2根据第一部分中的通信信息发送端的编码方法，基于相移键控和根升余弦滚降滤波器对通信信息进行编码和脉冲成型，并将其送入调制器3中。调制器3从鲸目动物哨声脉冲库4中读取鲸目动物哨声对已编码信息进行调制，然后将以鲸目动物哨声脉冲为载波的编码信息传输给水声换能器5，通过水声换能器5转换成声波信号发向水中，实现通信信息的发射。
通信接收平台的实现如下：
如图3所示，使用水听器6将携带有通信信息的鲸目动物哨声信号进行采集并转换成电信号传输至拷贝相关器7，拷贝相关器7对接收信号进行同步定时后送入相干解调器8进行相干解调，通信解码器9基于第二部分中通信信息接收端的解码方法对已解调信号进行解码，最后将解码出的通信信息通过通信信息输出器10输出，实现通信信息的解码。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种利用鲸目动物哨声相位编码的水下隐蔽通信方法，其特征在于，所述方法包括：
将编码比特信息“0”，“1”映射为双极性不归零码“+1”，“-1”；确定每一个鲸目动物哨声信号xi(t)所能编码信息码元的数量Si以对码元进行分组；
根据选取的鲸目动物哨声xi(t)的时宽Ti及码元宽度TB设定每个鲸目动物哨声的分帧数：
根据相移键控的进制数K，对每组码元进行脉冲成型滤波，所述脉冲成型滤波器为由发射端的根升余弦滚降滤波器和接收端的根升余弦滚降滤波器组合而成的升余弦滚降滤波器；
根据所采用相移键控的进制数K，将脉冲成型后的信号调制在鲸目动物哨声；
所述方法采用等幅鲸目动物哨声作为载波，降低通信误码率；
其中，根据相移键控的进制数K，对每组码元进行脉冲成型滤波，脉冲成型滤波器使用由发射端的根升余弦滚降滤波器和接收端的根升余弦滚降滤波器组合而成的升余弦滚降滤波器，当K＝2即采用二进制相移键控时，对每组码元分别进行补零插值得到多组序列sqi(t)，并对序列sqi(t)进行根升余弦滚降滤波，得到滤波信号si(t)；当K＝4即采用四进制相移键控时，对映射的双极性不归零码“+1”，“-1”进行串并转换，将其分为I路和Q路两路码元，对两路中的每组码元分别进行补零插值得到多组序列sqIi(t)和sqQi(t)，并对序列sqIi(t)和sqQi(t)分别进行根升余弦滚降滤波，得到滤波信号sIi(t)和sQi(t)；
根据所采用相移键控的进制数K，将脉冲成型后的信号调制在鲸目动物哨声，当K＝2即采用二进制相移键控时，将鲸目动物哨声信号xi(t)作为载波，与对应的滤波信号si(t)相乘，得到仿生通信信号yi(t)，yi(t)＝si(t)·xi(t)；当K＝4即采用四进制相移键控时，将鲸目动物哨声信号xi(t)和将xi(t)相位滞后90°的信号xQi(t)分别作为I路和Q路的载波与对应的滤波信号sIi(t)和sQi(t)相乘，得到I路信号yIi(t)和Q路信号yQi(t)，并将其相减得到最终的仿生通信信号yi(t)＝yIi(t)-yQi(t)；
接收端的解码方法为：首先，通过对同步码SC的拷贝相关处理进行同步定时，获取仿生通信信号yi(t)的时间基准，确定每个仿生通信信号yi(t)对应的原始鲸目动物哨声信号即载波信号xi(t)，以及每个仿生通信信号yi(t)的起始时刻，并对每个仿生通信信号yi(t)进行脉冲摘取；
将摘取的每个仿生通信信号yi(t)分别与其对应的载波xi(t)(或xi(t)及-xQi(t))相乘，并利用与发射端相同的根升余弦滚降滤波器进行匹配滤波，这与发射端的根升余弦滚降滤波器组合等效于一个滚降系数为α的升余弦滚降滤波器h(t)：
其中，TB为相位编码采用的码元宽度；
从而得到匹配滤波后的信号shi(t)，其中滚降系数α应根据通信系统对定时误差、频带利用率和所构仿生通信信号与原始鲸目动物哨声的相似度的要求，在0≤α≤1间选取；
所述方法对匹配滤波后的信号shi(t)进行低通滤波，去除高频分量后，根据同步码拷贝相关提供的时间基准产生与码元宽度TB相同的定时脉冲，并对低通滤波后的信号进行抽样判决，从而实现通信信息的解码。
2.根据权利要求1所述的一种利用鲸目动物哨声相位编码的水下隐蔽通信方法，其特征在于，所述根据选取的鲸目动物哨声xi(t)的时宽Ti及码元宽度TB设定每个鲸目动物哨声的分帧数具体为：
式中，为向下取整，P为编码所有比特数所需鲸目动物哨声xi(t)的数量，根据鲸目动物哨声分帧数Mi对码元进行分组，组内码元个数Si等于分帧数Mi，每组码元可用一个鲸目动物哨声信号进行编码。
3.一种基于权利要求1所述的利用鲸目动物哨声相位编码的水下隐蔽通信方法的通信装置，其特征在于，所述装置包括：
通信发射平台：待传输的通信信息被传输至通信编码器，通信编码器根据通信信息发送端的编码方法，基于相移键控和根升余弦滚降滤波器对通信信息进行编码和脉冲成型，并将其送入调制器；调制器从鲸目动物哨声脉冲库中读取鲸目动物哨声对已编码信息进行调制，将以鲸目动物哨声脉冲为载波的编码信息传输给水声换能器，通过水声换能器转换成声波信号发向水中，实现通信信息的发射；
通信接收平台：使用水听器将携带有通信信息的鲸目动物哨声信号进行采集并转换成电信号传输至拷贝相关器，拷贝相关器对接收信号进行同步定时后送入相干解调器进行相干解调，通信解码器基于通信信息接收端的解码方法对已解调信号进行解码，最后将解码出的通信信息通过通信信息输出器输出，实现通信信息的解码。
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