一种利用分段LFM信号仿海豚哨声信号的水声通信方法

摘要

本发明公开了一种利用分段LFM信号仿海豚哨声信号的水声通信方法。依照海豚哨声信号频率随时间变化的特点，利用多个LFM信号分段组合模拟海豚哨声信号,采用BOK方法实现对LFM信号的信息调制，进而实现基于海豚哨声信号和LFM信号的仿生水声通信调制。在接收端对均衡后的接收数据中每段LFM信号的中心频率和调频率进行估计，并基于调制时采用的海豚哨声信号样本，进行解调，得到调制信息。采用该分段LFM仿海豚哨声信号的水声通信方法，可以实现利用简单的线性调频信号进行高真实性的仿生伪装水声通信，增强通信的隐蔽性与实用性。

说明书

技术领域

本发明属于水声通信领域，尤其涉及一种利用分段LFM信号仿海豚哨声信号的水声通信 方法。

背景技术

近年来，随着现代探测技术的发展，对水声通信提出了隐蔽性的要求。

传统的隐蔽通信方法是使通信信号隐藏于背景噪声中，即低信噪比条件下的隐蔽通信。 但是由于水声信道的时间扩展、频率扩展以及严重的衰减特性,相同声源级的信号不能实现 在不同距离上的隐蔽通信,尤其当收发节点间存在监听设备时,将无法实现隐蔽通信。与低信 噪比隐蔽水声通信不同，利用分段LFM信号仿海豚哨声信号的伪装水声通信方法，采用海洋中 固有的海豚哨声信号作为信息载体,允许通信信号被探测到,但在识别过程中被当作海洋生 物噪声排除,达到隐蔽通信的效果,尝试解决水下隐蔽通信问题.

中国专利CN103368660A中公开了一种基于差分Pattern时延差编码的仿生水声通信方 法。该方法将海豚叫声信号应用于差分Pattern时延差编码通信体制中，以达到仿生隐蔽通信 的目的。中国专利说明书CN103401619A中公开了一种基于虚拟时间反转镜M元仿生信号编 码的水声通信方法，该方法同样采用海豚叫声信号进行调制，实现隐蔽通信。但是，这两种 通信体制均采用时延编码，而不是BOK调制；同时，这两种通信采用的是海豚的嘀嗒声信号， 并非哨声信号。真实的海豚叫声信号进行通信，通信效果依赖于采用的样本质量，应用不方 便。中国专利说明书CN102355440A公开了一种基于甚小线性调频键控调制的水声通信方法， 该方法利用甚小线性调频键控调制的超窄带信号来实现高速信息传输，但是并没有强调通信 的隐蔽性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单易行、计算量较小的，利用分段LFM信号仿海豚哨声信号 的水声通信方法。

一种利用分段LFM信号仿海豚哨声信号的水声通信方法，包括以下步骤，

步骤一：选取海豚哨声信号，对海豚哨声信号进行短时傅里叶变换，获得其时频谱轮廓曲线 图；

步骤二：按照码元宽度对海豚哨声时频谱曲线的时间轴进行等间距取点，每个时间点分别对 应一个海豚哨声信号的瞬时频率值f_i，获得一组与时间点相对应的频率值f；

步骤三：通过调制获得待发送的编码，如果编码个数不是获得的一组频率值f中频率的个数 的整数倍，则在待发送的编码后面补充码元，使得补充后编码个数为获得的一组频率值f中 频率的个数的整数倍；

步骤四：对待发送的编码进行BOK调制，确定每个码元所对应的调频率取值，得到一组调制 后的调频率组k；

步骤五：将获得的一组频率值f中的每一个频率值按顺序循环作为每段LFM信号的参考频率， 以码元宽度T作为每段LFM信号的时长，将调频率组k中的每一个调频率值按顺序作为每段 LFM信号的调频率，产生每段LFM信号，将得到的LFM信号按频率值f的顺序在时间上进行 组合，形成一段分段LFM仿哨声数据信号；

步骤六：将获得的多段分段LFM仿哨声数据信号按顺序进行组合，每段仿哨声数据信号间添 加空白保护间隔，获得总的仿哨声数据信号；

步骤七：同步信号为步骤一中获得的海豚哨声信号，将同步信号与总的仿哨声数据信号之间 添加一段空白保护间隔进行组合，得到仿生通信发射帧信号；

步骤八：将仿生通信发射帧信号进行发射，通过水声信道后，在接收端接收信号；

步骤九：将接收信号与海豚哨声信号进行拷贝相关运算，找到最大峰值处所对应的时间点为 同步信号的起始点，加上步骤七中同步信号的时长和空白保护间隔的时长，确定仿生数据信 号的起始时间点；

步骤十：对已经确定起始时间点的仿生数据信号进行均衡，得到均衡后的仿生数据信号；

步骤十一：对均衡后的仿生数据信号，以码元宽度为长度在进行截取，并排除掉空白保护间 隔；

步骤十二：对截取后的每段LFM信号进行解调，得到调制信息。

本发明一种利用分段LFM信号仿海豚哨声信号的水声通信方法，还可以包括

1、每段LFM信号为：

$s_i\left(t\right)=cos\left(2\pi t\right(f_i-\frac{k_{i}T}{2})+{\mathrm{\pi k}}_i{t}^2)$

其中，T为码元宽度，f_i为第i个频率值，k_i对应的调频率。

2、均衡后的仿生数据信号为：

r(t)＝s_r(t)*h'(-t)

＝[s(t)*h(t)]*h'(-t)+n(t)*h'(-t)

＝s(t)*[h(t)]*h'(-t)+n(t)*h'(-t)

其中，s_r(t)为接收到的信号，s(t)为仿生通信发射帧信号，n(t)为噪声信号，h(t)为信道的冲 激响应函数，h'(t)为估计的信道冲激响应函数，通过对接收到的同步信号与原始的哨声信号 作拷贝相关获得。

3、对截取后的每段LFM信号进行解调的方法为分数阶傅里叶变换参数估计解调法或者是匹配 相关解调法。

4、分数阶傅里叶变换参数估计解调法为：

按照码元宽度对仿生数据信号进行分段，依次提取出每段LFM信号y_i(t)，求y_i(t)在不同 阶次下的分数阶傅里叶变换Y_p(u)，进行参数估计得到

$\{p,u_0\}=\arg \underset{p,n}{\max }|Y_p\left(u\right){|}^2$

$\left(\begin{array}{c}\hat{k}=-\cot \left(\frac{p\pi }{2}\right)\\ {\hat{f}}_0=u_0\csc \left(\frac{p\pi }{2}\right)\end{array}\right)$

对进行极性判断：若则第i段LFM信号解调结果若则第i段LFM 信号解调结果

最后将所有解调结果进行和合，得到最终的调制信息

5、匹配相关解调法为：

按照码元宽度对仿生数据信号进行分段，依次提取出每段LFM信号y_i(t)，分别产生对应 于“1”每段LFM信号s_1i(t)和对应于“0”的每段LFM信号s_0i(t)，然后分别求出y_i(t)和s_1i(t)的 相关函数R_1i(τ)，以及y_i(t)和s_0i(t)的相关函数R_0i(τ)：

$R_{1i}\left(\tau \right)=\left|{\int }_{-\infty }^{+\infty }{y}_i\left(t\right)s_{1i}(t-\tau )dt\right|$

$R_{0i}\left(\tau \right)=\left|{\int }_{-\infty }^{+\infty }{y}_i\left(t\right)s_{0i}(t-\tau )dt\right|$

然后对比R_1i(τ)和R_0i(τ)相关峰的大小，来确定第i段LFM信号对应的码元：若 R_1i(τ)>R_0i(τ)，则第i段LFM信号解调结果若R_1i(τ)<R_0i(τ)，则第i段LFM信号解 调结果${\hat{a}}_i=0;$

最后将每段LFM信号的解调结果进行组合，得到最终的解调码

有益效果：

通过仿真实验与水池实验，该方法的可行性得到了验证。仿真实验中实现了-10dB信噪 比条件下零误码率通信，水池实验实现了19米通信距离、20毫秒码元宽度条件下零误码率 通信。

采用本发明所述利用LFM仿海豚哨声信号进行通信的通信方法，可以利用分段LFM频信 号作为载波进行调制解调，简单易行，计算量较小，通信速率适中。同时，合成后的仿海豚 哨声信号隐蔽性较高，可以实现伪装隐蔽通信。

附图说明

图1为利用分段LFM仿海豚哨声信号进行通信的流程图；

图2为真实海豚哨声信号时频谱曲线图；

图3为提取到的一条真实海豚哨声信号基波时频谱曲线图；

图4为调制原理图；

图5为仿生分段LFM频谱示意图；

图6为发射信号帧结构示意图；

图7为发射信号波形时频谱曲线图；

图8为虚拟式时间反转镜原理图；

图9为分数阶傅里叶变换解调原理图；

图10为匹配相关原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明要解决的技术问题是提出一种利用分段LFM信号仿海豚哨声信号，实现仿生隐蔽 水声通信的方法。

实现本发明目的技术方案，如图1所示：

一种利用分段LFM信号仿海豚哨声信号的伪装水声通信方法，其特征在于：

在发送端：

步骤1：选取合适的海豚哨声信号，对海豚哨声信号进行短时傅里叶变换，获得其时频 谱轮廓曲线图；

步骤2：按照码元宽度对步骤1所述的海豚哨声时频谱曲线的时间轴进行等间距取点， 每个时间点都对应一个海豚哨声信号的瞬时频率值f_i，从而获得一组与时间点相对应的频率 值f；

步骤3：获得调制信息；

步骤4：将步骤3所获得的调制信息进行BOK调制，确定每个码元所对应的调频率取值 k₀或k₁，以及其按照码元顺序的排列顺序，得到一组调制后的调频率组k，例如：0对应于 k₀＝-40000Hz/s，1对应于k₁＝+40000Hz/s，编码为011010，则得到的调频率组k为：k₀k₁k₁k₀k₁k₀；

步骤5：将步骤2得到的一组频率值f中的每一个频率值按顺序作为每段LFM信号的参 考频率，以码元宽度T作为每段LFM信号的时长，利用步骤4得到的调频率组k中的每一个 调频率值按顺序作为每段LFM信号的调频率，产生每段LFM信号，将这些信号按步骤2得到 的频率值f的顺序在时间上进行组合，形成一段分段LFM仿哨声数据信号；

步骤6：获得总的仿生数据信号，内容包括

(1)定义编码总时长等于步骤3所述的调制信息中码元个数与码元宽度的乘积，定义编 码长度为步骤3所述的编码的总码元个数；

(2)如果编码个数小于步骤2获得的一组频率值f中频率的个数，即编码总时长小于哨 声信号的长度，那么为保证仿哨声信号的完整性，应当在原有码元后面适当的补充一定数量 的码元，使得补充后编码长度与步骤2获得的一组频率值f中频率的个数相同，然后再进行 步骤5；

(3)如果编码长度大于步骤2获得的一组频率值f中频率的个数，即编码总时长大于哨 声信号的长度，那么可以将步骤2所获得的频率值f循环使用，重复进行步骤5，直到剩余 编码长度小于f的个数后，在重复步骤6中的(2)；

(4)补充码元时，要根据步骤1中海豚哨声信号时频谱轮廓曲线随时间变化趋势进行补 码，例如：若时频谱轮廓曲线随时间呈下降趋势，则应补充0码；若时频谱轮廓曲线随时间 呈上升趋势，则应补1码；

(5)将获得的多段分段LFM仿哨声数据信号按顺序进行组合，每段仿哨声数据信号间添 加空白保护间隔，获得总的仿哨声数据信号；

步骤7：同步信号为步骤1所述的真实的海豚哨声信号，将同步信号与步骤6所获得的 仿哨声数据信号之间添加一段空白保护间隔进行组合，得到仿生通信发射帧信号；

步骤8：将步骤7所获得的发射帧信号进行发射，通过水声信道后，在接收端接收信号；

在接收端：

步骤9：对接收信号进行同步，方法是将接收信号与步骤1所述的海豚哨声信号进行拷 贝相关运算，找到最大峰值处所对应的时间点，即为同步信号的起始点，进而加上步骤7所 述的同步信号的时长和空白保护间隔的时长，确定仿生数据信号的起始时间点；

步骤10：对步骤9所述的已经确定时间起始点的仿生数据信号进行均衡，得到均衡后的 仿生数据信号；

步骤11：对步骤10获得的均衡后的仿生数据信号，以码元宽度为长度在进行截取，并 排除掉空白保护间隔；

步骤12：对步骤10所述的截取后的每段LFM信号进行解调，得到调制信息。

上述的利用LFM仿海豚哨声信号进行通信的通信方法中，步骤1中使用的海豚哨声信号 是实际采集到的各类海豚的哨声信号，将其时频谱轮廓曲线在时间轴上以码元宽度进行等间 距划分后选取对应时间点的频率值作为每段LFM信号的参考频率，以码元宽度作为每段LFM 信号的时长，利用每段LFM信号的斜率进行调制，可以得到从时频域和人耳的听域上与海豚 哨声相似的仿哨声数据信号。再在仿生数据信号前加入原始哨声信号作为同步信号，即可形 成仿生通信帧。在传输过程中，即使该通信信号被敌方截获，也可以在识别时被当做海洋中 固有的生物叫声从而被排除，达到了仿生隐蔽通信的目的。在接收端解调时，首先利用虚拟 式时间反转镜进行均衡，然后利用分数阶傅里叶变换或者匹配相关进行解调，得到调制信息。

下面对本发明做几点说明：步骤1中的海豚哨声信号指的是各类海豚的哨声信号。步骤2 中所用到的时频谱轮廓曲线为海豚哨声信号基波时频谱轮廓曲线。步骤5所述每段LFM信号 的参考频率指的是每段LFM信号的中心频率。步骤10中采用的均衡方法为虚拟式时间反转镜 均衡方法。步骤6所述的空白保护间隔长度为50ms。步骤7所述的空白保护间隔长度为1s。 步骤7所述的同步信号为步骤1中所述的哨声信号。步骤12中采用的解调方法可以为分数阶 傅里叶变换参数估计解调方法。步骤12中采用的解调方法可以为匹配相关解调方法。

本发明涉及一种利用分段LFM信号仿海豚哨声信号的伪装水声通信方法。

海豚的哨声信号时海豚主要的通信信号，其视频包络与chirp信号类似，因此可以利用 分段LFM信号对海豚哨声信号进行模拟，利用LFM信号携带通信信息，进行通信，实现仿海 豚哨声信号隐蔽通信。

在发送端：

步骤1：选取合适的海豚哨声信号，对海豚哨声信号进行短时傅里叶变换，获得其时频 谱轮廓曲线图，如图2和图3所示。

步骤2：按照码元宽度对步骤1所述的海豚哨声时频谱曲线的时间轴进行等间距取点， 每个时间点都对应一个海豚哨声信号的瞬时频率值f_i，从而获得一组与时间点相对应的频率 值f；

步骤3：获得调制信息，如图4所示；

步骤4：将步骤3所获得的调制信息进行BOK调制，确定每个码元所对应的调频率取值 k₀或k₁，以及其按照码元顺序的排列顺序，得到一组调制后的调频率组k，例如：0对应于 k₀＝-40000Hz/s，1对应于k₁＝+40000Hz/s，编码为011010，则得到的调频率组k为：k₀k₁k₁k₀k₁k₀；

若待调制的单极性二进制编码为a＝{1,0,1,1,0,0,1…}，对其进行BOK调制，对应的调频率 组k＝{k₁,k₀,k₁,k₁,k₀,k₀,k₁…}。

步骤5：将步骤2得到的一组频率值f中的每一个频率值按顺序作为每段LFM信号的参 考频率，以码元宽度T作为每段LFM信号的时长，利用步骤4得到的调频率组k中的每一个 调频率值按顺序作为每段LFM信号的调频率，产生每段LFM信号，将这些信号按步骤2得到 的频率值f的顺序在时间上进行组合，形成一段分段LFM仿哨声数据信号，如图5所示；

设第i个频率值为f_i，对应的调频率为k_i，则可以得到第i段线性调频信号s_i(t)为：

$s_i\left(t\right)=cos\left(2\pi t\right(f_i-\frac{k_{i}T}{2})+{\mathrm{\pi k}}_i{t}^2)---\left(1\right)$

其中，T为码元宽度。该信号的瞬时频率为：

$f=f_i-\frac{k_{i}T}{2}+k_{i}t---\left(2\right)$

步骤6：获得总的仿生数据信号，内容包括

(1)定义编码总时长等于步骤3所述的调制信息中码元个数与码元宽度的乘积，定义编 码长度为步骤3所述的编码的总码元个数；

(2)如果编码个数小于步骤2获得的一组频率值f中频率的个数，即编码总时长小于哨 声信号的长度，那么为保证仿哨声信号的完整性，应当在原有码元后面适当的补充一定数量 的码元，使得补充后编码长度与步骤2获得的一组频率值f中频率的个数相同，然后再进行 步骤5；

(3)如果编码长度大于步骤2获得的一组频率值f中频率的个数，即编码总时长大于哨 声信号的长度，那么可以将步骤2所获得的频率值f循环使用，重复进行步骤5，直到剩余 编码长度小于f的个数后，在重复步骤6中的(2)；

(4)补充码元时，要根据步骤1中海豚哨声信号时频谱轮廓曲线随时间变化趋势进行补 码，例如：若时频谱轮廓曲线随时间呈下降趋势，则应补充0码；若时频谱轮廓曲线随时间 呈上升趋势，则应补1码；

(5)将获得的多段分段LFM仿哨声数据信号按顺序进行组合，每段仿哨声数据信号间添 加空白保护间隔，获得总的仿哨声数据信号；

步骤7：同步信号为步骤1所述的真实的海豚哨声信号，将同步信号与步骤6所获得的 仿哨声数据信号之间添加一段空白保护间隔进行组合，得到仿生通信发射帧信号，如图6和 图7所示；

步骤8：将步骤7所获得的发射帧信号进行发射，通过水声信道后，在接收端接收信号；

在接收端：

步骤9：对接收信号进行同步，方法是将接收信号与步骤1所述的海豚哨声信号进行拷 贝相关运算，找到最大峰值处所对应的时间点，即为同步信号的起始点，进而加上步骤7所 述的同步信号的时长和空白保护间隔的时长，确定仿生数据信号的起始时间点；

步骤10：对步骤9所述的已经确定时间起始点的仿生数据信号进行均衡，得到均衡后的 仿生数据信号；

均衡方法采用虚拟式时间反转镜均衡技术。如图8所示，在本专利中，探测信号和同步 信号为同一个信号。在接收端，对接收到的探测信号p_r(t)与原始探测信号p(t)作拷贝相关， 从而估计出信道的冲激响应函数h'(t)，然后将其进行时间反转得到h'(-t)。将接收到的数据 信s_r(t)号与h'(-t)作卷积，得到最终虚拟接收到的信号r(t)，其波形近似于原信息波形，达到 均衡效果。虚拟时间反转镜处理过程表达式如下：

s_r(t)＝s(t)*h(t)+n(t)(3)

r(t)＝s_r(t)*h'(-t)

＝[s(t)*h(t)]*h'(-t)+n(t)*h'(-t)(4)

＝s(t)*[h(t)]*h'(-t)+n(t)*h'(-t)

记：称为虚拟时间反转信道，可以将其当作信号最终经过的“总信道”。 信号通过虚拟时间反转信道后，直达信号比多途信号能量高很多，抑制了水声信道多途效应 带来的码间干扰，同时，由于噪声为非相干叠加，该技术还可以提高信噪比。

步骤11：对步骤10获得的均衡后的仿生数据信号，以码元宽度为长度在进行截取，并 排除掉空白保护间隔；

步骤12：对步骤10所述的截取后的每段LFM信号进行解调，得到调制信息。

解调方法可以为分数阶傅里叶变换参数估计解调法或者是匹配相关解调法。

(1)分数阶傅里叶变换参数估计解调法：

在解调时，首先按照码元宽度对仿生数据信号进行分段，依次提取出每段信号。如图9 所示。假设提取出仿生数据信号中的第i段LFM信号y_i(t)，求y_i(t)在不同阶次下的分数阶傅 里叶变换Y_p(u)，然后利用

$\{p,u_0\}=\arg \underset{p,u}{\max }|Y_p\left(u\right){|}^2$

$\left(\begin{array}{c}\hat{k}=-\cot \left(\frac{p\pi }{2}\right)\\ {\hat{f}}_0=u_0\csc \left(\frac{p\pi }{2}\right)\end{array}\right)---\left(5\right)$

式(5)对其进行参数估计，得到对进行极性判断：若则第i段LFM信号解调结 果若则第i段LFM信号解调结果最后将所有解调结果进行和合，得到 最终的调制信息

(2)匹配相关解调法

由于LFM信号具有很好的相关性能，其自相关函数的相关峰值十分陡峭，类似于δ函数， 因此可以利用匹配相关技术进行解调，如图10所示。

在解调时，首先按照码元宽度对仿生数据信号进行分段，依次提取出每段信号。在接收 端，根据步骤2得到的频路点，分别产生对应于“1”和对应于“0”的每段LFM信号。假设提取 出仿生数据信号中的第i段LFM信号y_i(t)，第i段对应于“1”的LFM信号为s_1i(t)，第i段对 应于“0”的LFM信号为s_0i(t)，然后分别求出y_i(t)和s_1i(t)的相关函数R_1i(τ)，以及y_i(t)和s_0i(t) 的相关函数R_0i(τ)，其计算公式如下：

$R_{1i}\left(\tau \right)=\left|{\int }_{-\infty }^{+\infty }{y}_i\left(t\right)s_{1i}(t-\tau )dt\right|---\left(6\right)$

$R_{0i}\left(\tau \right)=\left|{\int }_{-\infty }^{+\infty }{y}_i\left(t\right)s_{0i}(t-\tau )dt\right|---\left(7\right)$

然后对比R_1i(τ)和R_0i(τ)相关峰的大小，来确定第i段LFM信号对应的码元：若 R_1i(τ)>R_0i(τ)，则第i段LFM信号解调结果若R_1i(τ)<R_0i(τ)，则第i段LFM信号解 调结果最后将每段LFM信号的解调结果进行组合，得到最终的解调码

本发明涉及一种利用分段LFM信号仿海豚哨声信号的伪装水声通信方法，其特征在于： 依照海豚哨声信号频率随时间变化的特点，利用多个LFM信号分段组合模拟海豚哨声信号, 采用BOK方法实现对LFM信号的信息调制，进而实现基于海豚哨声信号和LFM信号的仿生水 声通信调制。在接收端通过分数阶傅里叶变换对均衡后的接收数据中每段LFM信号的中心频 率和调频率进行估计，并基于调制时采用的海豚哨声信号样本，进行解调，得到调制信息。 采用该分段LFM仿海豚哨声信号的水声通信方法，可以实现利用简单的线性调频信号进行高 真实性的仿生伪装水声通信，增强通信的隐蔽性与实用性。