基于水聲傳感器的高保真加密傳輸方法

齊 娜，傅 巍，李金平，呂 穎，劉海龍

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150028）

0 引 言

水下目標(biāo)探測(cè)作為一種檢測(cè)、定位、識(shí)別和跟蹤的手段越來(lái)越受到各國(guó)海洋探測(cè)領(lǐng)域的關(guān)注。海上測(cè)量船具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、靈活性大、測(cè)量范圍大等特點(diǎn)［1］。由于海洋資源的重要性，海洋上各種艦船目標(biāo)的自動(dòng)檢測(cè)方法不斷更新，對(duì)海洋目標(biāo)檢測(cè)意義重大。目標(biāo)檢測(cè)方法的解決思路主要是基于模板匹配、知識(shí)標(biāo)識(shí)、圖像分析及其學(xué)習(xí)等方法［2］。目前，通過(guò)聲納探測(cè)的方法也得到廣泛應(yīng)用。在海洋中通過(guò)聲納探測(cè)器收集的目標(biāo)信息通常是通過(guò)無(wú)線傳輸形式輸送給上位機(jī)進(jìn)行信息處理。在報(bào)文傳輸過(guò)程中面臨眾多安全風(fēng)險(xiǎn)，極易被外來(lái)入侵設(shè)備截獲。國(guó)內(nèi)在水聲探測(cè)領(lǐng)域大力發(fā)展探測(cè)技術(shù)，但對(duì)水聲探測(cè)器的信息傳輸安全方面研究薄弱。如何快速安全地將承載的目標(biāo)信息高效融合、加密是當(dāng)前急需解決的問(wèn)題，為海洋水聲探測(cè)信息交換及傳輸工作創(chuàng)造穩(wěn)定、可靠的環(huán)境。通常信息加密采用軟件加密方式，但在海洋上軟件加密方式需要的處理器相對(duì)復(fù)雜且加密速度慢，滿足不了信息實(shí)時(shí)性及小型化要求。

目前，數(shù)據(jù)的隱私安全問(wèn)題日益凸顯，對(duì)于數(shù)據(jù)的保護(hù)意識(shí)及相關(guān)措施手段已提上日程［3～5］。用于數(shù)據(jù)加、解密的算法有許多，公用密鑰（RSA）密碼體質(zhì)是一種模冪運(yùn)算的加密體質(zhì)，是唯一被廣泛接受和應(yīng)用的一種體質(zhì)，本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（field programmable gate array，F(xiàn)PGA ）高速數(shù)字處理芯片為目標(biāo)信息進(jìn)行融合、加密、編碼，為目標(biāo)信息提供可靠、安全的傳輸環(huán)境［6，7］。本文提出了一種加密信息簇式高保真海上目標(biāo)探測(cè)方法。利用高精度水聲探測(cè)組件及FPGA高速數(shù)字處理器，結(jié)合RSA數(shù)字加密算法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信息在海上可靠、安全的無(wú)線數(shù)字傳輸，并在數(shù)據(jù)終端通過(guò)界面顯示。

1 相關(guān)理論

1.1 水聲傳感器的目標(biāo)判別與定位

水聲主被動(dòng)定位系統(tǒng)的工作原理要求完成大量的互相關(guān)、自相關(guān)、快速傅里葉變換（FFT）、求互譜等運(yùn)算［8］。信號(hào)處理原理框圖如圖1所示。

圖1 信號(hào)處理框圖

多功能水下浮標(biāo)檢測(cè)到目標(biāo)信號(hào)后，利用直方圖方位估計(jì)方法對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行方位估計(jì)（目標(biāo)相對(duì)于水聽器的方位θ）。直方圖方位估計(jì)是一種統(tǒng)計(jì)方法，是在聲壓、振速共扼互譜的基礎(chǔ)上對(duì)每一個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行方位估計(jì)，然后對(duì)所有頻點(diǎn)的方位估計(jì)值進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)得到某一時(shí)刻的方位估計(jì)曲線，曲線最大值對(duì)應(yīng)的方位即為目標(biāo)方位估計(jì)值。單矢量水聲傳感器輸出聲壓p（t）和振速vx（t），vy（t）信號(hào)，矢量平均聲強(qiáng)值為

遠(yuǎn)場(chǎng)平面波的聲壓函數(shù)為［9～11］

對(duì)聲壓函數(shù)求微分得

該式為歐拉方程，對(duì)歐拉方程進(jìn)行積分進(jìn)而可求出振速函數(shù)為

式中 ρ為介質(zhì)密度，ω為角頻率，c 為角頻率，k ＝ω／c 為波數(shù)，r為位置矢量，Δ為梯度運(yùn)算。

對(duì)于平面波等聲場(chǎng)環(huán)境下，聲學(xué)歐姆定律有效，此時(shí)聲壓函數(shù)與振速函數(shù)的關(guān)系式為［12，13］

式中 x（t）為目標(biāo)信號(hào)，np（t）為環(huán)境噪聲干擾信號(hào)，θ為水平方位角。

另外，為了實(shí)現(xiàn)方位直方圖統(tǒng)計(jì)，需要對(duì)每個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行方位估計(jì)，方位計(jì)算的表達(dá)式為

Iy（f）和Ix（f）為聲強(qiáng)流譜由式（6）估計(jì)出的方位與頻率f有關(guān)，不同頻點(diǎn)處的方位估計(jì)值有所差別，寬帶信號(hào)中如果存在周期性的強(qiáng)干擾或存在多目標(biāo)的情況下，平均聲強(qiáng)器無(wú)法得到目標(biāo)的真實(shí)方位，只能測(cè)得合成聲強(qiáng)流的方位，而且方位估計(jì)結(jié)果會(huì)偏向強(qiáng)度大的干擾（或強(qiáng)目標(biāo)）方位。而用直方圖統(tǒng)計(jì)的方法在單目標(biāo)時(shí)可以將線譜或窄帶強(qiáng)干擾抑制，在多目標(biāo)中含線譜信號(hào)時(shí)可以區(qū)分多目標(biāo)。直方圖統(tǒng)計(jì)主要是進(jìn)行各頻點(diǎn)的方位估計(jì)值統(tǒng)計(jì)，如果以1°作為統(tǒng)計(jì)間隔，則可以表示為

式中 ［］為取整運(yùn)算，某個(gè)頻點(diǎn)f的方位估計(jì)值θ（f）轉(zhuǎn)換為角度后取整得到k。φ為一個(gè)數(shù)組，用于存放一次方位估計(jì)中所有在［-180° 180°］中各個(gè)角度的頻數(shù)，初始化時(shí)該數(shù)組為零，每得到1 個(gè)k 后，數(shù)組中對(duì)應(yīng)角度的頻數(shù)值φ（k）加1。最后統(tǒng)計(jì)結(jié)果即為方位估計(jì)結(jié)果［14，15］。

1.2 加、解密算法

加密算法采用非對(duì)稱加密算法RSA，其加密端和解密端使用不同的密鑰，并且解密端使用的密鑰不能從加密端使用的密鑰推導(dǎo)出，這樣就使得密鑰分發(fā)簡(jiǎn)單，而且存儲(chǔ)的空間減少，這是由于需要保存的密鑰量少［16］。本文將多組數(shù)據(jù)以信息排列的方式融合成單組數(shù)據(jù)串，并加密信息簇的方式轉(zhuǎn)化成密文，加密算法采用非對(duì)稱加密算法RSA，經(jīng)過(guò)加密的數(shù)據(jù)串以密碼報(bào)文的形式通過(guò)RS-485數(shù)據(jù)傳輸格式送出。RSA 加、解密算法原理框圖如圖2所示。

圖2 加、解密原理框圖

1.2.1 RSA加密初始化［17］

1）系統(tǒng)產(chǎn)生2個(gè)大素?cái)?shù)p，q（保密）；

2）計(jì)算n ＝p ×q（公開），歐拉函數(shù)φ（n）＝（p -1）×（q-1）（保密）；

3）隨機(jī)選取整數(shù)e（公開）作為公鑰，滿足gcd（e，φ（n））＝1；

4）計(jì)算解密密鑰d（保密）作為私鑰，滿足e×d ＝1 mod（φ（n））；也就是說(shuō)d ＝e-1mod（φ（n）），銷毀p，q，φ（n）。

1.2.2 RSA加、解密算法

1）首先將明文分塊并數(shù)字化，每個(gè)數(shù)字化明文塊的長(zhǎng)度應(yīng)不大于［log2n］（算出二進(jìn)制的最多位），然后對(duì)每個(gè)明文塊m（0 ＜m ＜n）依次進(jìn)行加密變換和解密變換；

2）加密變換：使用公鑰e加密明文m，即c ＝memod（n）；

3）解密變換：使用私鑰d獲得明文m，即m ＝cdmod（n）。

1.3 模冪算法

RSA加解密過(guò)程實(shí)際難點(diǎn)就是模冪運(yùn)算的過(guò)程，為了達(dá)到足夠的安全性，目前模數(shù)N至少為1 024 位，數(shù)據(jù)運(yùn)算量大，因此，本文設(shè)計(jì)選擇基2 的Montgomery 作為模冪的核心算法?；?的模冪算法描述主要為選取A，B，N，滿足A ＜N，B ＜N，N ＜R ＝2n，gcd（N，2）＝1

令S0＝0，i從0至n-1循環(huán)

如果S0＞N，那么Sn-N 為計(jì)算結(jié)果，否則Sn為計(jì)算結(jié)果［18］。

2 海上目標(biāo)探測(cè)方法模型

深海區(qū)存在目標(biāo)信號(hào)與海雜［19］，目標(biāo)信號(hào)在深海區(qū)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的矢量水聽器相互正交的2個(gè)方向的聲信號(hào)信息vx，vy和聲壓水聽器聲壓信號(hào)p（t）經(jīng)過(guò)24 位高精度模／數(shù)（A／D）采集后進(jìn)入綜合處理器FPGA，多組承載著被測(cè)目標(biāo)信息的數(shù)組進(jìn)入FPGA 數(shù)字處理器完成信息的融合、加密、編碼。首先，將多組以信息排列的方式融合成單組數(shù)據(jù)串并加密信息簇的方式轉(zhuǎn)換成密文，加密算法采用非對(duì)稱加密算法RSA，經(jīng)過(guò)加密的數(shù)據(jù)串以密碼報(bào)文的形式通過(guò)RS-485數(shù)據(jù)傳輸格式送出，在無(wú)線傳輸過(guò)程確保信息的安全性。

海上目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)主要包括水聲探測(cè)組件，高精度A／D采集組件，F(xiàn)PGA數(shù)字處理器，無(wú)線數(shù)字傳輸單元及上位機(jī)顯示界面。水聲探測(cè)組件位于深海區(qū)，高精度數(shù)字處理單元級(jí)無(wú)線數(shù)字傳輸組件位于淺水區(qū)。解密盒及上位機(jī)顯示界面位于接收終端。探測(cè)原理如圖3所示。

圖3 海上目標(biāo)探測(cè)原理框圖

2.1 水聲探測(cè)組件

水聲探測(cè)組件包括磁傳感器、矢量水聲傳感器、聲壓水聲傳感器，目標(biāo)信號(hào)通過(guò)水聲探測(cè)組件轉(zhuǎn)換為微弱的電信號(hào)，水聲探測(cè)組件的輸出信號(hào)中既包括目標(biāo)信號(hào)，還包括各種噪聲源產(chǎn)生的噪聲，這種混合信號(hào)需經(jīng)過(guò)放大、濾波、隔離等方式進(jìn)行預(yù)處理。水聲信號(hào)由聲壓水聽器和矢量水聽器進(jìn)入水聲探測(cè)組件電路進(jìn)行初步處理后，再由處理電路進(jìn)行處理。磁傳感器敏感軸正方向與矢量水聲傳感器的y軸振速通道平行，其輸出的數(shù)字信號(hào)直接通過(guò)FPGA 硬件處理器進(jìn)行信息加密。

2.2 數(shù)字處理單元

如圖4所示，高精度數(shù)字處理單元包括高精度A／D采集組件，F(xiàn)PGA數(shù)字處理器及無(wú)線數(shù)字傳輸單元。高精度A／D采集組件包括3組數(shù)字采集器，利用24位高速數(shù)字采集芯片ADS1256實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高度還原。3組數(shù)字采集器同時(shí)同時(shí)工作，0 時(shí)差同步采集，保證水聲信號(hào)的高精度、高保真。FPGA數(shù)字處理器完成信息的融合、加密、編碼。多組承載著被測(cè)目標(biāo)信息的數(shù)組進(jìn)入FPGA后首先進(jìn)行預(yù)處理，同時(shí)會(huì)先將3組采集到的聲信號(hào)與磁信號(hào)排列、組合成一個(gè)數(shù)據(jù)串送給加密模塊進(jìn)行加密處理。加密后的數(shù)據(jù)會(huì)按照特定的幀格式從IO口送出。數(shù)據(jù)串以密碼報(bào)文的形式通過(guò)485數(shù)據(jù)傳輸格式送出，在無(wú)線傳輸過(guò)程確保信息的安全性。數(shù)字系統(tǒng)處理框圖如圖4所示。

圖4 數(shù)字處理系統(tǒng)框圖

無(wú)線數(shù)字傳輸組件利用LoRa 擴(kuò)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離高可靠傳輸，無(wú)線數(shù)字傳輸組件糾錯(cuò)能力強(qiáng)，在突發(fā)干擾的情況下，能主動(dòng)糾正被干擾的數(shù)據(jù)包。

2.3 FPGA硬件編程

FPGA接到開始命令后，對(duì)FPGA 內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置，并對(duì)串口格式進(jìn)行配置，加密數(shù)據(jù)以128 位為1 組，接收16組數(shù)據(jù)后，F(xiàn)PGA內(nèi)部會(huì)生成1 組密鑰對(duì)128 位數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，加密后的數(shù)據(jù)拆分成16 幀數(shù)據(jù)，通過(guò)串口發(fā)送給無(wú)線傳輸模塊驅(qū)動(dòng)程序，并通過(guò)無(wú)線傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。

FPGA在加密、解密過(guò)程中大部分使用乘法器和加法器。乘法器和加法器主要耗費(fèi)數(shù)字信號(hào)處理器（look-up table，LUT）和查找表（look-table，L-T）［20］。因此，在程序代碼寫入時(shí)要注意FPGA內(nèi)部資源的規(guī)劃，程序流程如圖5所示。

圖5 加、解密流程

3 加、解密仿真

在QuartusⅡ仿真軟件下的加、解密部分仿真［21］，運(yùn)算中的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度設(shè)置為32位，加密后的密文發(fā)送到海上無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上，設(shè)置n 為取模的模值，clk 為時(shí)鐘信號(hào)，頻率為33 M，rst為復(fù)位信號(hào)，rdy 為加密完成指示信號(hào)。2 個(gè)大素?cái)?shù)p ＝999 959，q ＝998 117。經(jīng)過(guò)計(jì)算得出私鑰d ＝625 901 391 693，明文為625 901 391 693，加密后的密文為983 662232742，解密后信息為625901391693。從仿真結(jié)果中可以看出，經(jīng)過(guò)加密后的明文能夠成功解密回來(lái)。其中時(shí)鐘信號(hào)和復(fù)位信號(hào)與加密部分一致。

4 實(shí) 驗(yàn)

深海中聲道受海水表面波浪、洋流和季節(jié)變化的影響小，水聲環(huán)境較為理想，正常的測(cè)量應(yīng)在深海放置水聲探測(cè)組件，聲道效應(yīng)更加穩(wěn)定。但由于實(shí)驗(yàn)條件有限，實(shí)驗(yàn)僅在潛水中完成，水聲探測(cè)系統(tǒng)在淺海域中的探測(cè)距離嚴(yán)重地受高衰減和有限水深限制，前者是由聲波與海面、海底的相互作用引起，后者造成了無(wú)法遠(yuǎn)距離聲傳播的弊端［22］。

實(shí)驗(yàn)由于水深的影響，只接收到了水聽器聲壓信號(hào)，對(duì)聲壓信號(hào)進(jìn)行頻譜分析依然可以粗略分析到目標(biāo)信號(hào)的部分信息。取不同探測(cè)距離下采集數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域譜級(jí)分析，積分時(shí)間1 s。由圖6（a）可以看出，在800 Hz 處出現(xiàn)譜級(jí)最大值，以800 Hz處譜級(jí)為標(biāo)準(zhǔn)做歸一化，得到帶內(nèi)噪聲譜級(jí)約為-50 dB，比接收信號(hào)低50 dB。

圖6 遠(yuǎn)、近距離測(cè)試下數(shù)據(jù)頻域分析

由圖6（b）可知，系統(tǒng)接收到的信號(hào)頻譜歸一化圖，可以看到帶內(nèi)噪聲比信號(hào)譜級(jí)低60 dB左右。根據(jù)被動(dòng)探測(cè)聲納方程中

按距離傳播損失TL ＝20logR計(jì)算，2000 m距離傳播損失為66 dB，500 m距離傳播損失為54 dB，相差12 dB。分析圖6（a）為2 000 m距離下探測(cè)結(jié)果，圖6（b）為500 m距離下探測(cè)結(jié)果。

5 結(jié) 論

本文采用RSA加、解密方式實(shí)現(xiàn)了海上目標(biāo)探測(cè)的空間安全傳輸，通過(guò)高精度水聲探測(cè)組件及FPGA 高速數(shù)字處理器實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信息的采集、融合、加密、傳輸?shù)?。利用?shù)字處理手段，將目標(biāo)信號(hào)的正交的矢量水聲和聲壓水聲信號(hào)0時(shí)差采集和磁信號(hào)共同通過(guò)簇式加密的方式將信號(hào)同步無(wú)線傳輸給上位機(jī)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，本文實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)高精度高保真目標(biāo)信息還原。