一種利用海豚叫聲的仿生水聲通信方法*

劉凇佐 喬鋼 尹艷玲

(哈爾濱工程大學(xué),水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱150001)

(2012年12月2日收到;2013年2月4日收到修改稿)

1 引言

水聲通信網(wǎng)[1]在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、自然災(zāi)害預(yù)警、港口及近岸檢測(cè)、特別是對(duì)于水下偵察與作戰(zhàn)群體的管理、指揮與調(diào)試等方面都有十分重要的作用.為防止水聲通信網(wǎng)工作時(shí)節(jié)點(diǎn)暴露、非友好節(jié)點(diǎn)接入或節(jié)點(diǎn)間交互信息時(shí)被偵聽,水下通信時(shí)對(duì)隱蔽性的要求越來越高.

如何實(shí)現(xiàn)水下通信功能又不被發(fā)現(xiàn)是一個(gè)具有意義的研究課題,歐洲七國(guó)聯(lián)合承擔(dān)的UCAU(UUV covert acoustic communication)項(xiàng)目[2]研究的核心內(nèi)容就是隱蔽水下通信.通常水下隱蔽通信方法是使通信信號(hào)隱藏于背景噪聲中,即低信噪比條件下的隱蔽通信,如文獻(xiàn)[3]研究了多載波擴(kuò)頻隱蔽水聲通信技術(shù),文獻(xiàn)[4]研究了直接序列擴(kuò)頻結(jié)合RAKE接收機(jī)技術(shù)的低檢測(cè)概率條件下的隱蔽水聲通信技術(shù),文獻(xiàn)[5,6]研究了多子帶OFDM隱蔽水下通信技術(shù),利用頻率分集合并提高處理增益.這些技術(shù)均是研究在固定載波調(diào)制下的低信噪比隱蔽水下通信技術(shù).由于水聲信道的時(shí)間擴(kuò)展、頻率擴(kuò)展以及嚴(yán)重的衰減特性,相同聲源級(jí)的信號(hào)不能實(shí)現(xiàn)在不同距離上的隱蔽通信,尤其當(dāng)收發(fā)節(jié)點(diǎn)間存在監(jiān)聽設(shè)備時(shí),將無法實(shí)現(xiàn)隱蔽通信.

針對(duì)傳統(tǒng)隱蔽水聲通信方法存在的問題,本文提出仿生偽裝的方法,采用海洋中固有的海豚叫聲信號(hào)作為信息載體,允許通信信號(hào)被探測(cè)到,但在識(shí)別過程中被當(dāng)作海洋生物噪聲排除,達(dá)到隱蔽通信的效果,嘗試解決水下隱蔽通信問題.研究了海豚叫聲信號(hào)特點(diǎn),利用海豚哨聲和嘀嗒聲[7]信號(hào)實(shí)現(xiàn)通信功能.對(duì)海豚叫聲信號(hào)進(jìn)行分割,提取出獨(dú)立的嘀嗒聲信號(hào),借鑒脈位調(diào)制技術(shù)[8],改進(jìn)其信息碼元形式,利用海豚嘀嗒聲作為脈沖信號(hào)進(jìn)行通信,信息調(diào)制在相鄰嘀嗒聲的時(shí)間間隔上,調(diào)制后的信號(hào)與原始海豚叫聲信號(hào)在聲音上沒有明顯區(qū)別,具有更高的隱蔽性.

由于海豚嘀嗒聲信號(hào)不是固定載波,為克服時(shí)變、頻變、空變水聲信道對(duì)接收信號(hào)造成的影響,不適合采用判決反饋等信道均衡[9]方法,本文采用壓縮感知理論(compressed sensing,CS)[10,11]下的匹配追蹤算法(matching pursuit,MP)[12]在時(shí)域進(jìn)行信道估計(jì),利用虛擬時(shí)反鏡技術(shù)[13]實(shí)現(xiàn)信道均衡.理論研究和湖上實(shí)驗(yàn)證實(shí)了采用仿生學(xué)偽裝的手段實(shí)現(xiàn)水聲隱蔽通信的可行性和有效性.

2 海豚叫聲信號(hào)分析

海豚的叫聲信號(hào)可以分為三類：被稱為“哨聲”(whistle)的通訊信號(hào)、被稱為“嘀嗒聲”(click)的定位信號(hào)以及應(yīng)急和模擬信號(hào)[14].通訊信號(hào)一般持續(xù)時(shí)間從幾百毫秒到幾秒,其主要能量集中在聲頻范圍內(nèi),是一種調(diào)幅和調(diào)頻脈沖信號(hào).定位信號(hào)一般持續(xù)時(shí)間從幾十毫秒到上百毫秒,信號(hào)能量集中在較寬的超聲頻范圍內(nèi),在應(yīng)急和模擬信號(hào)方面研究的較少,一般是生物學(xué)家感興趣的領(lǐng)域.對(duì)采集到的海豚哨聲和嘀嗒聲信號(hào)進(jìn)行短時(shí)傅里葉分析,得到信號(hào)的時(shí)域波形圖和短時(shí)頻譜如圖1和圖2所示.

圖1 海豚哨聲信號(hào)時(shí)域波形與短時(shí)頻譜 (a)哨聲信號(hào)時(shí)域波形;(b)哨聲信號(hào)短時(shí)頻譜

從圖1可以看出,海豚的哨聲信號(hào)具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)(秒量級(jí))、帶寬大的特點(diǎn),同時(shí)每個(gè)海豚哨聲信號(hào)譜具有不同的包絡(luò)特性[15],基于此種特性,利用海豚哨聲信號(hào)實(shí)現(xiàn)仿生通信的信號(hào)同步與識(shí)別功能.

圖2給出了22個(gè)不同的嘀嗒聲的時(shí)域波形和短時(shí)頻譜圖,嘀嗒聲信號(hào)持續(xù)時(shí)間短(100—200 ms),帶寬從幾百赫茲到數(shù)千赫茲.本文將信息以時(shí)延差的形式調(diào)制在相鄰的嘀嗒聲信號(hào)之間,以不破壞每個(gè)海豚嘀嗒叫聲信號(hào)的特點(diǎn)為前提,通過改變不同嘀嗒聲在時(shí)域上的位置,來實(shí)現(xiàn)信息調(diào)制.

圖2 海豚嘀嗒聲信號(hào)時(shí)域波形與短時(shí)頻譜 (a)嘀嗒聲信號(hào)時(shí)域波形;(b)嘀嗒聲信號(hào)短時(shí)頻譜

在具體的通信過程中,為實(shí)現(xiàn)仿生偽裝隱蔽通信的效果,根據(jù)實(shí)際情況的需要選擇合適的海豚叫聲信號(hào).例如,在不同海域應(yīng)選擇本地的海豚叫聲信號(hào)用于通信;在不同季節(jié)應(yīng)選擇當(dāng)季的海豚叫聲信號(hào)用于通信;為了提高通信速率、抑制相鄰碼元間的多途干擾,應(yīng)選擇相關(guān)性良好的海豚叫聲樣本用于通信.所以,需要事先建立一個(gè)基于海豚叫聲的仿生信號(hào)庫(kù),這樣,在具體的通信過程中只需要從該庫(kù)中選擇適當(dāng)?shù)慕新曅盘?hào)用于通信.

3 基于海豚叫聲的仿生水聲通信系統(tǒng)方案

3.1 仿生水聲通信信號(hào)幀結(jié)構(gòu)

基于海豚叫聲的仿生偽裝水聲通信信號(hào)幀結(jié)構(gòu)包括兩部分,一部分是由哨聲信號(hào)組成的同步序列,另一部分是由海豚嘀嗒聲信號(hào)組成的信息編碼序列,在這兩部分之間插入空白信號(hào)作為保護(hù)間隔,防止多徑引起同步信號(hào)與信息序列之間的干擾.具體結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 仿生水聲通信信號(hào)幀結(jié)構(gòu)

利用時(shí)延差信息編碼原理[8],通過改變不同嘀嗒聲之間的相對(duì)位置來實(shí)現(xiàn)對(duì)仿生信號(hào)的信息調(diào)制.這種通信體制具有很多優(yōu)點(diǎn)：調(diào)制技術(shù)成熟簡(jiǎn)單,傳輸穩(wěn)定,功耗低,在速率要求不高的情況下,對(duì)信道隨機(jī)不均勻性有較強(qiáng)的抗干擾能力,適合在水聲信道下工作[16].

3.2 海豚嘀嗒聲信息編碼

時(shí)延差信息編碼原理[8]是利用連續(xù)發(fā)射的多個(gè)信號(hào),以信號(hào)之間的時(shí)延差長(zhǎng)度代表不同的信息.采用格雷碼編碼方法,使十進(jìn)制編碼的時(shí)延差值轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制后相鄰只存在1 bit的不同,以此來提高通信的可靠性.將海豚叫聲信號(hào)用于時(shí)延差編碼體制中,在不破壞原始的海豚嘀嗒聲信號(hào)聲音特性前提下,達(dá)到信息傳輸?shù)哪康?滿足本文所研究的基于仿生的通信技術(shù)的需要.

圖4 海豚嘀嗒聲時(shí)延差編碼示意圖

如圖 4 所示 τdi(i=1,2,3,···,L)表示每個(gè)海豚click叫聲信號(hào)相對(duì)上一個(gè)海豚click叫聲信號(hào)的時(shí)延差值,即編碼時(shí)間;Tpi表示每個(gè)海豚click叫聲信號(hào)脈寬,Tc為最大編碼時(shí)間,若每個(gè)碼元攜帶n bit信息,則將編碼時(shí)間均勻分為(2n-1)份,編碼量化間隔Δτ=Tc/(2n-1),時(shí)延差τd為

k為二進(jìn)制信源采用格雷碼編碼后的十進(jìn)制信息,例如每個(gè)碼元攜帶n=6 bit信息,則將編碼時(shí)間均勻分為63份,若數(shù)字信息為“1 1 0 1 1 0”,則k=36.

由于該體制通信系統(tǒng)中每個(gè)叫聲信號(hào)的寬度不同,編碼時(shí)間也不相同,所以系統(tǒng)通信速率為

從(2)式可以看出,在不考慮每個(gè)海豚叫聲信號(hào)寬度不一致的情況下,編碼時(shí)間Tc一定時(shí),通信速率與每個(gè)碼元攜帶的比特信息數(shù)有關(guān),每個(gè)碼元所攜帶的信息量n越大,則通信速率越高,而此時(shí)編碼量化間隔Δτ就越小,這就對(duì)系統(tǒng)的時(shí)延估計(jì)精度要求越高.由此可見,時(shí)延估計(jì)的精度越高,則編碼量化層Δτ可分得越細(xì),每個(gè)碼元所攜帶的信息量也就越大,通信速率越高.

3.3 信道估計(jì)與均衡

3.3.1基于MP算法的稀疏信道估計(jì)

假設(shè)一個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的信道,噪聲是方差為σ2的加性高斯白噪聲,信號(hào)經(jīng)過此信道后,在接收端信號(hào)表示為

其中,n=0,1,···,N-1,s(n)為發(fā)射信號(hào),r(n)為接收信號(hào),h(l)為信道的沖激響應(yīng),v(n)為引入的加性高斯白噪聲.將上式改寫為矩陣形式為

簡(jiǎn)化為

其中,sl是訓(xùn)練矩陣S的列向量.由于稀疏多徑信道中抽頭系數(shù)大多數(shù)為零或很小,則接收信號(hào)r可以看作是訓(xùn)練矩陣S中的少數(shù)列向量的線性組合.這樣,對(duì)接收信號(hào)r進(jìn)行稀疏信號(hào)分解,就可以得到信道沖激響應(yīng).本文采用基于壓縮感知理論的匹配追蹤算法實(shí)現(xiàn)信道估計(jì).

MP算法[12]的基本思想是在每一次的迭代過程中,從過完備原子庫(kù)Φ中(字典)選擇與信號(hào)最匹配的原子來構(gòu)建信號(hào)的稀疏逼近,然后求出逼近后的殘差.繼續(xù)從過完備原子庫(kù)中選擇與殘差最匹配的原子,并更新殘差.經(jīng)過多次迭代,直到滿足標(biāo)準(zhǔn)為止[12].這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)通常是殘差小于某個(gè)很小的值,或者迭代次數(shù)滿足一定值.

對(duì)于線性模型

其中,x∈RM為待估計(jì)的稀疏信號(hào),y∈RN為觀測(cè)向量,v∈RN為高斯噪聲向量,Φ∈RN×M,且N＜M,Φ可表示為

其中,φi∈ RN,i=1,2,···,M,通常稱 Φ為詞典或原子庫(kù),φi為詞典中的原子.本文中發(fā)射信號(hào)為詞典,接收信號(hào)為觀測(cè)向量,信道沖激響應(yīng)為待估計(jì)的稀疏信號(hào)MP算法流程為

初始化：殘差r0=y,信號(hào)估計(jì)x0=0和迭代次數(shù)k=0;

其中λk是被選中的原子在字典Φ中的標(biāo)號(hào),例如第k步選出的原子時(shí)字典中的φλk原子;γ是一個(gè)很小的常量,代表給定的殘差門限.

3.3.2虛擬時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡信道均衡

虛擬時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡(VTRM)技術(shù)通過對(duì)接收到的探測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理而估計(jì)出信道沖激響應(yīng),將接收到的信息碼與估計(jì)信道的時(shí)間反轉(zhuǎn)做卷積,虛擬的實(shí)現(xiàn)時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡[13].圖5給出了虛擬式時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡原理框圖.

圖5 虛擬式時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡原理框圖

結(jié)合仿生通信特點(diǎn),將同步信號(hào),即海豚的哨聲信號(hào)作為探測(cè)信號(hào)wr(t),基于稀疏水聲信道模型,采用匹配追蹤(MP)方法估計(jì)出信道沖激響應(yīng)h′(t),將其時(shí)間反轉(zhuǎn)h′(-t),接收到的信息信號(hào)sr(t)與h′(-t)作卷積,作為最終虛擬接收到的信號(hào)r(t),其波形近似于原信息波形s(t),VTRM處理過程表達(dá)式如下：

記：?h(t)=h(t)?h′(-t),稱為虛擬時(shí)間反轉(zhuǎn)信道,可視為系統(tǒng)最終經(jīng)過的有效“信道”.當(dāng)h′(t)逼近于h(t)時(shí),二者相匹配,即“多途”信號(hào)能量疊加,產(chǎn)生聚焦效應(yīng),此時(shí),?h(t)近似于信道的h(t)自相關(guān)函數(shù),當(dāng)聲信道較復(fù)雜時(shí)其相關(guān)峰可視為“單峰”,其主峰幅度明顯高于旁瓣即其他“多途”信號(hào),可以抑制海洋信道多途擴(kuò)展產(chǎn)生的碼間干擾,并獲得了聚焦增益,實(shí)現(xiàn)均衡的效果.

4 仿真研究與湖試驗(yàn)證

4.1 仿真研究

為驗(yàn)證仿生偽裝水聲通信方法以及上述信道估計(jì)與均衡算法有效性,通過Matlab軟件對(duì)算法進(jìn)行了蒙特卡羅仿真.采用由文獻(xiàn)[17,18]開發(fā)的BELLHOP射線模型軟件計(jì)算信道沖激響應(yīng),該模型利用高斯波束軌跡法,克服了傳統(tǒng)射線模型中聲影區(qū)強(qiáng)度為零和焦散線截面積為零處聲強(qiáng)度為無窮大的缺陷,信道仿真參數(shù)如表1所示.聲速剖面采用實(shí)驗(yàn)中實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù),如圖6所示.圖7是仿真計(jì)算出的信道沖激響應(yīng),該信道多途比較復(fù)雜,最大多途時(shí)延約為300 ms.

圖6 聲速剖面

表1 信道仿真參數(shù)

仿生信號(hào)幀結(jié)構(gòu)如圖3所示,系統(tǒng)采樣率48 kHz,其中海豚哨聲信號(hào)時(shí)長(zhǎng)470 ms,哨聲信號(hào)與嘀嗒聲信號(hào)保護(hù)間隔100 ms,采用格雷碼將二進(jìn)制信息向表示時(shí)延的十進(jìn)制數(shù)據(jù)映射,信息調(diào)制在相鄰兩個(gè)嘀嗒聲間隔,時(shí)間分辨率1 ms,每幀十個(gè)海豚嘀嗒聲,傳遞信息54 bit,根據(jù)(2)式,通信速率為42.66 bps.由仿真誤碼率曲線圖8可以看出,本文提出的仿生通信體制可以在信道多途比較復(fù)雜且信噪比很低的情況下工作,且經(jīng)過信道均衡后,系統(tǒng)性能有明顯的改善.在信噪比較低的情況下,MP信道估計(jì)方法受噪聲影響,估計(jì)出的信道沖激響應(yīng)誤差較大,導(dǎo)致均衡后的誤碼率變高,且由于仿真的信道最大多途時(shí)延較長(zhǎng),而仿真的信號(hào)保護(hù)間隔小于信道的最大多途時(shí)延,因此估計(jì)的信道要比實(shí)際的信道長(zhǎng)度短,所以均衡后仍存在一定的符號(hào)間干擾.當(dāng)信噪比變高時(shí),信道估計(jì)比較準(zhǔn)確,均衡后的誤碼率迅速下降.為了更好地驗(yàn)證上述算法的可靠性和有效性,下面給出湖試結(jié)果.

圖7 仿真信道沖激響應(yīng)

圖8 仿真誤碼率曲線

4.2 湖試驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文提出的基于海豚叫聲的仿生水聲通信方法的可行性,于2012年10月在黑龍江省海林市蓮花湖進(jìn)行了湖試.發(fā)射船與接收船處水域深約20 m,試驗(yàn)時(shí),發(fā)射與接收換能器吊放深度均為7 m,收、發(fā)節(jié)點(diǎn)分別位于兩艘處于自由漂泊狀態(tài)的船上,風(fēng)浪使節(jié)點(diǎn)間存在緩慢的相對(duì)運(yùn)動(dòng),在約2 km的通信距離上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn).

為了驗(yàn)證不同碼元、不同通信速率時(shí)的通信效果,分別發(fā)送了包含不同碼元數(shù)的數(shù)據(jù),每幀的碼元數(shù)從5到10不同,每個(gè)碼元攜帶6 bit信息,試驗(yàn)中由于水面比較平靜,溫度較低,信道變化不大.圖9為實(shí)驗(yàn)過程中采用LFM信號(hào)進(jìn)行拷貝相關(guān)處理后得到信道的多途擴(kuò)展情況,從圖中可以看出,主要有5條明顯的多途,最大多途時(shí)延約為30 ms.

圖9 LFM信號(hào)估計(jì)的時(shí)變信道沖激響應(yīng)

發(fā)射信號(hào)采用圖3所示的幀結(jié)構(gòu),以碼元數(shù)為10時(shí)的一組仿生信號(hào)舉例,由海豚嘀嗒聲構(gòu)成的信息序列如圖10(a)所示,每個(gè)碼元的自相關(guān)性以及和其他碼元的互相關(guān)性如圖10(b)所示,圖中按最大碼元相關(guān)峰值對(duì)相關(guān)后的波形進(jìn)行了歸一化,從圖中可以看出,每個(gè)碼元自相關(guān)性較好,相關(guān)峰比較尖銳.但是如圖2所示,由于樣本聲音中含有豐富的線譜,因此其相關(guān)曲線的旁瓣較高.圖10(c)是接收到的嘀嗒聲信息序列.

采用MP算法對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行估計(jì)信道,搜索最大多途數(shù)為50,最大多途時(shí)延為35 ms,估計(jì)的信道沖激響應(yīng)如圖11(a)所示,從圖中可以看出,有5條比較明顯的到達(dá)路徑,信道的最大多途時(shí)延約為30 ms,與上述用LFM信號(hào)估計(jì)的信道沖激響應(yīng)比較符合.對(duì)接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)直接進(jìn)行相關(guān)和通過VTRM均衡后的相關(guān)曲線分別如圖10(d)和圖10(f)所示,從圖中可以看出,由于信道多途和噪聲的影響,未經(jīng)均衡的信號(hào)其相關(guān)性很差,個(gè)別信號(hào)已經(jīng)無法找到明顯的相關(guān)峰,造成解碼錯(cuò)誤;然而通過VTRM均衡后的信號(hào),相當(dāng)于經(jīng)過了一個(gè)信道沖激響應(yīng)近似如圖11(b)所示的信道.圖11(b)是估計(jì)出的信道沖激響應(yīng)的自相關(guān),一般稱為時(shí)反信道,可以看出若忽略抽頭系數(shù)小于歸一化幅度0.2的路徑,時(shí)反信道的多途時(shí)延約為2 ms,也即虛擬時(shí)反后,實(shí)現(xiàn)了信道的壓縮和能量的聚焦,改善了信號(hào)的相關(guān)特性,如圖10(f)所示,虛擬時(shí)反均衡處理后的信號(hào)相關(guān)特性較均衡前有明顯的改善.

圖10 發(fā)射與接收仿生通信信號(hào)時(shí)域波形和相關(guān)特性

圖11 估計(jì)的信道沖激響應(yīng)與時(shí)反信道沖激響應(yīng)

由于湖試中信道除直達(dá)聲外,在20 ms內(nèi)還有與直達(dá)聲強(qiáng)度相仿的強(qiáng)多途,直接采用相關(guān)法測(cè)時(shí)延產(chǎn)生了較大的誤差,均衡前誤碼率較高,與仿真結(jié)果相比,湖試中均衡后的誤碼率較均衡前的誤碼率下降更迅速,進(jìn)一步驗(yàn)證了本文采用虛擬時(shí)反均衡在復(fù)雜、強(qiáng)多途信道條件下的優(yōu)勢(shì),也驗(yàn)證了虛擬時(shí)反信道均衡技術(shù)在以海洋生物叫聲為載波的仿生通信系統(tǒng)中的有效性.在通信信號(hào)聲音特性上,發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)具有較高的相似度,克服了傳統(tǒng)固定載波調(diào)制時(shí)帶來的聲暴露問題,實(shí)現(xiàn)了本文仿生偽裝隱蔽通信的目的.

5 結(jié)論

本文提出了一種基于海豚叫聲信號(hào)的仿生偽裝水聲通信方法,與傳統(tǒng)低信噪比條件下的擴(kuò)頻、OFDM、混沌隱蔽通信相比,本方法采用海洋中固有的海豚叫聲作為信息載體,信息調(diào)制在相鄰海豚嘀嗒叫聲信號(hào)的時(shí)間間隔上,使探測(cè)方將仿生通信信號(hào)作為海洋生物叫聲主動(dòng)排除達(dá)到隱蔽通信的目的,通信時(shí)不需要考慮降低信噪比的問題,提高了隱蔽通信距離和可靠性.從仿生角度解決水下隱蔽通信的問題,為防止水下通信網(wǎng)工作時(shí)節(jié)點(diǎn)暴露、非友好節(jié)點(diǎn)接入或節(jié)點(diǎn)間交互信息時(shí)被偵聽提供了很好的解決方案.最后通過外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該仿生水聲通信方法的可行性和有效性,接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)在聲音上有較高的相似度,達(dá)到了仿生隱蔽水聲通信的效果.

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