一种仿海洋打桩声源的隐蔽水声通信方法技术

本发明专利技术提供的是一种仿海洋打桩声源的隐蔽水声通信方法。针对海洋打桩声信号特点，设计了基于其近似等间隔脉冲声特性的信息调制方法；设计具有特定跳时规律的打桩声序列作为同步信号。保证了该伪装隐蔽水声通信方法中通信信号均为打桩声信号。解调时针对打桩声信号采用基追踪算法估计信道，利用被动相位共轭技术实现打桩声信号能量聚集，最后利用相关器实现信息解调。本发明专利技术从伪装隐蔽角度出发，将信源信息隐藏在打桩声信号的时间间隔内，使通信信号被当作海洋环境噪声排除，进而有效地实现远程隐蔽水声通信。

【技术实现步骤摘要】
一种仿海洋打桩声源的隐蔽水声通信方法
本专利技术涉及一种隐蔽水声通信方法。
技术介绍
传统的隐蔽通信方法是使通信信号隐藏于背景噪声中，即从低信噪比角度出发的隐蔽水声通信。但是由于水声信道的时变、空变、频空等特性，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。公开号为CN103368660A的专利文件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，从而实现仿生隐蔽通信。公开号为CN103401619A的专利文件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。这两种通信体制均采用时延差编码方式，并都以海豚的嘀嗒声信号作为载波调制信息。公开号为CN103280221A的专利文件中公开了一种基于基追踪的音频无损压缩编码、解码方法及系统。该方法采用的基追踪算法既参与音频信号的编码过程、又参与解码过程。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能实现仿生伪装隐蔽水声通信的仿海洋打桩声源的隐蔽水声通信方法。本专利技术的目的是这样实现的：在发送端：步骤1：提取一组海洋打桩声音信号脉冲，分析并计算海洋打桩声音信号脉冲的平均周期间隔T；步骤2：利用打桩声脉冲信号作为载波，以步骤1中得到的平均周期间隔T排列海洋打桩声音信号，在人耳听觉感知范围内，分别对每个海洋打桩声音信号进行时移形成携带信息的仿生已调信号；步骤3：定义跳时宽度，依照跳时码序列对海洋打桩声音信号进行时移，生成基于跳时扩频码和海洋打桩声音信号的仿生同步信号；步骤4：在步骤3生成的仿生同步信号与步骤2生成的仿生已调信号之间插入长度为T的时间间隔，形成一帧仿生通信信号，所述仿生通信信号通过发射机功放送入水声信道，并在接收端接收信号；在接收端：步骤5：根据跳时扩频码和海洋打桩声音信号设计本地同步参考信号，采用匹配相关法实现同步信号捕获，以此确定仿生调制信号的位置；步骤6：利用基于压缩感知的基追踪技术，对步骤5捕获的同步信号进行信道估计，估计信道冲激响应；步骤7：基于步骤6得到的信道估计结果，对步骤5捕获的同步信号进行被动相位共轭处理；步骤8：对步骤7均衡处理后的信号进行解调，恢复信源信息。本专利技术还可以包括：1、步骤2中所述的以步骤1中得到的平均周期间隔T排列海洋打桩声音信号，是以等周期排列的打桩声信号为参考点，根据信源信息代表的不同时延长度，调整每个打桩声信号的位置。2、步骤3中所述的依照跳时码序列对海洋打桩声音信号进行时移，是以等周期排列的打桩声信号为中心，在预先设定的跳时宽度范围内，根据跳时扩频码对打桩声信号做前后时移，以此形成同步信号。与低信噪比隐蔽水声通信不同，仿海洋打桩声源的隐蔽水声通信方法，采用真实的海洋打桩声信号作为信息载体，将通信信号隐藏在打桩声信号的时间间隔中，信号在信道中传输时，允许通信信号被探测到，但在识别过程中被当作海洋噪声排除，达到隐蔽通信的效果。本专利技术针对海洋打桩声信号特点，设计仿生隐蔽水声通信方法，与公开号为CN103368660A和CN103401619A的专利文件中公开的技术方案相比，除模仿声源不同外，采用的信息调制方法、帧同步方法和信道估计方法均不相同。公开号为CN103280221A中的技术方案采用的基追踪算法，而本专利技术采用基追踪方法实现水声信道估计。步骤1中的海洋打桩声信号指的是某一类海洋打桩声信号。步骤2中的调制方法是以等周期排列的打桩声信号为参考点，根据信源信息代表的不同时延长度，调整每个打桩声信号的位置。步骤3中跳时扩频同步信号的产生方式是以等周期排列的打桩声信号为中心，在预先设定的跳时宽度范围内，根据跳时扩频码对打桩声信号做前后时移，以此形成同步信号。步骤6中采用基追踪技术在时域估计信道冲激响应。步骤7中采用被动相位共轭处理消除信道多途影响。上述的仿海洋打桩声源进行通信的通信方法中，步骤1中使用的海洋打桩声信号是实际采集到的某一类海洋打桩声信号，以等周期排列的打桩声信号为中心，根据一定的时间精度及信源信息计算的相应的十进制时延值，移动打桩声信号，使移动后的打桩声信号距其原始中心位置的时间间隔为该时延值，产生仿生已调信号。为保证仿生信号的真实度，在仿生信号前后分别加入基于跳时扩频调制的同步信号与一个打桩声周期的时间间隔，形成一帧仿生通信信号。这样，在信号传输过程中，即使信号被截获到，也会被当作海洋环境噪声排除掉，达到了隐蔽通信的目的。在接收端解调时，根据本地同步参考信号对接收信号作同步处理后，采用基追踪算法和被动相位共轭处理实现信道均衡，并根据时延精度对均衡后的信号解调得到原始信源信息。采用本专利技术所述仿海洋打桩声源的隐蔽水声通信方法，可以利用真实的打桩声信号作为载波进行调制解调，简单易行，通信速率适中。同时，合成后的仿生信号隐蔽性和安全性较高，可以较好地实现伪装隐蔽通信。附图说明图1为仿海洋打桩声源的隐蔽水声通信系统流程图；图2为海洋打桩声信号时延差编码示意图；图3为同步信号产生原理图；图4为发射信号帧结构示意图；图5a为原始海洋打桩声源时域图；图5b为原始海洋打桩声源时频图；图6a为仿海洋打桩声源时域图；图6b为仿海洋打桩声源时频图；图7为被动相位共轭技术原理图。具体实施方式下面举例对本专利技术做更详细的描述。本专利技术涉及一种仿海洋打桩声源的隐蔽水声通信方法。海洋打桩声源是一种常见的海洋噪声信号，将信源信息隐藏在打桩声信号中进行通信，可使信号在传输过程中被当作海洋噪声信号排除，可达到仿生隐蔽通信的效果。在发送端：步骤1：基于真实的海洋打桩声信号，提取单独打桩声脉冲，分析并计算其平均周期间隔T；提取一组真实的海洋打桩声音信号脉冲，脉冲数量为L。由于海洋打桩声信号是近似等同期排列，故分析其时频特性，记录相邻打桩声信号之间的时间间隔ti(i＝1,2…L)，从而确实其平均周期间隔T，有步骤2：利用步骤1的打桩声脉冲信号作为载波，结合打桩声信号近似等周期的特点，以步骤1中得到的平均周期T排列打桩声脉冲信号，在人耳听觉感知范围内，分别对每个打桩声脉冲信号进行时移，时移的具体长度由调制的信源信息决定，以此形成携带信息的仿生已调信号；本专利技术的仿生系统采用差分脉冲位置调制(DPPM)，对一组打桩声信号进行等周期T排列。根据信源信息所代表的不同时延长度与时延精度，调整每个打桩声信号的具体位置。在这里，信源信息所表示的时延长度要远小于信号周期T，从而保证打桩声序列的真实性，以及信源信息的隐蔽性与安全性。通过调整时延精度，提高通信速率。将L个打桩声信号以相等的时间间隔T发射，以每个打桩声信号为中心，将信息调制在中心点所在时刻的周围Δt时间范围内(Δt＜＜T)。若每个码元携带nbit信息，那么编码时间均分为(2n-1)份，编码量化间隔Δτ＝Δt/(2n-1)，那么时延差τdi(i＝1,2,...,L)为：τdi＝k·Δτk＝0,1,...,2n-1(2)式中，k为二进制信源采用格雷码编码后的十进制信息。步骤3：为有效地实现仿生通信信号同步，采用跳时扩频序列设计同步信号。与步骤2的调制原理相同，定义跳时宽度，依照跳时码序列对打桩声信号进行时移，进而设计基于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种仿海洋打桩声源的隐蔽水声通信方法，其特征是：在发送端：步骤1：提取一组海洋打桩声音信号脉冲，分析并计算海洋打桩声音信号脉冲的平均周期间隔T；步骤2：利用打桩声脉冲信号作为载波，以步骤1中得到的平均周期间隔T排列海洋打桩声音信号，在人耳听觉感知范围内，分别对每个海洋打桩声音信号进行时移形成携带信息的仿生已调信号；步骤3：定义跳时宽度，依照跳时码序列对海洋打桩声音信号进行时移，生成基于跳时扩频码和海洋打桩声音信号的仿生同步信号；步骤4：在步骤3生成的仿生同步信号与步骤2生成的仿生已调信号之间插入长度为T的时间间隔，形成一帧仿生通信信号，所述仿生通信信号通过发射机功放送入水声信道，并在接收端接收信号；在接收端：步骤5：根据跳时扩频码和海洋打桩声音信号设计本地同步参考信号，采用匹配相关法实现同步信号捕获，以此确定仿生调制信号的位置；步骤6：利用基于压缩感知的基追踪技术，对步骤5捕获的同步信号进行信道估计，估计信道冲激响应；步骤7：基于步骤6得到的信道估计结果，对步骤5捕获的同步信号进行被动相位共轭处理；步骤8：对步骤7均衡处理后的信号进行解调，恢复信源信息。

【技术特征摘要】
1.一种仿海洋打桩声源的隐蔽水声通信方法，其特征是：在发送端：步骤1：提取一组海洋打桩声音信号脉冲，分析并计算海洋打桩声音信号脉冲的平均周期间隔T；步骤2：利用打桩声脉冲信号作为载波，以步骤1中得到的平均周期间隔T排列海洋打桩声音信号，在人耳听觉感知范围内，分别对每个海洋打桩声音信号进行时移形成携带信息的仿生已调信号；步骤3：定义跳时宽度，依照跳时码序列对海洋打桩声音信号进行时移，生成基于跳时扩频码和海洋打桩声音信号的仿生同步信号；步骤4：在步骤3生成的仿生同步信号与步骤2生成的仿生已调信号之间插入长度为T的时间间隔，形成一帧仿生通信信号，所述仿生通信信号通过发射机功放送入水声信道，并在接收端接收信号；在接收端：步骤5：根据跳时扩频码和海洋打桩声音信号设计本地同步参考信号，采用匹配相关法实现同步信号捕获，以此确定...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘凇佐，乔钢，王梦佳，马天龙，马璐，聂东虎，孙慧嵩，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23