一种基于椭球波函数的仿生通信探测方法与流程

本发明涉及椭球波函数，尤其是涉及一种基于椭球波函数(pswf)的仿生通信探测方法。

背景技术：

随着水下军事项目遥控、调度和实施对水声通信提出了稳健性、可靠性和隐秘性的需求。因此，迫切需要引入新机理和新技术到水声通信中来，解决其当前依然面临的安全性问题。

水声通信网在海洋环境监测、自然灾害预警、港口及近岸检测、特别是对于水下侦察与作战群体的管理、指挥与调试等方面都有十分重要的作用。为防止水声通信网工作时节点暴露、非友好节点接入或节点间交互信息时被侦听，水下通信时对隐蔽性的要求越来越高。

目前的水下通信、水下探测大多以水声信号为主。然而，水声信号是一个极其复杂的时变、频变和空变信道，并且具有强多径、高噪声等特性，使得水声信道是目前最为复杂的无线通信信道。面对着海洋环境复杂的水声信道，部分科学家们想到了参考海豚、鲸鱼等依靠水声进行通信、定位和目标识别的海洋生物，模仿它们的一些机理和功能，解决水声工程中遇到的问题。

仿生通信是一种隐蔽水声通信通常采取的方法，与传统的单纯降低信噪比的方法不同，仿生通信是利用水声环境中自然存在的信号作调制波形，这种信号可以选用海洋中常见的海豚、鲸鱼等哺乳动物发出的声音。它们利用声信号来探测周围的环境和信息交流。后来，研究发现这些海洋哺乳动物头部前额上的脂肪突起部分会发出高频的超声信号，进行回声定位。仿生隐蔽通信即采用海洋中固有的鲸鱼叫声信号作为信息载体，允许通信信号被探测到，但是在外部识别的过程中被当做海洋噪声排除，达到隐蔽通信的效果。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于复杂的水声通信信道中，提供一种基于椭球波函数的仿生通信探测方法。

本发明包括以下步骤：

1)利用椭球波函数(pswf)及各阶函数作为基函数拟合海豚通信信号：

2)提取海豚通信信号的波形包络并计算所述波形包络的极值点；

3)提取极值点之间的波形；

4)构造多个椭球波函数并进行加权拟合；

5)求出椭球波函数组合函数与极值点波形的相关函数并求出最值；

6)给定一个迭代值，对步骤4)和5)进行重复计算，直到求出脉冲函数组的合适加权值。

所述海豚通信信号脉冲包络与椭球波函数及各阶函数具有一定的相似性，以椭球波函数及各阶函数为基函数拟合仿生海豚通信信号，可以重构出海豚通信信号。

需要对椭球波函数及各阶函数进行分析，在拟合仿生信号的过程中会用到椭球波函数及各阶导函数，可以将需要发送的信息调制在以上波形中，达到隐蔽通信探测的目的。

从给出椭球波函数的自相关及互相关函数特性可以看出，自相关性更强而互相关较弱，从而可以更好地拟合出仿生信号，并分析仿生信号的性能，保证仿生信号可以用于通信信号的发送以及探测。

本发明提出基于pswf的仿生通信探测技术，先通过模拟海豚通信信号，研究分析海豚通信信号特征，将pswf作为拟合海豚通信信号的基函数，设计出可靠的基于pswf的仿生通信信号，达到隐蔽信息的目的，由此搭建一体化的仿生通信和探测系统。在拟合仿生信号的过程中会用到pswf及各阶导函数，可以将需要发送的信息调制在以上波形中，达到隐蔽通信探测的目的。本发明相比较传统的基于时延差的携带信息方式，增加了携带的信息量，提高了编码的灵活性。

本发明提出一种基于pswf的仿生通信方案，根据鲸豚信号的特点，通过pswf及各阶函数拟合海豚通信信号，控制一定的误差范围，使拟合信号无限接近原始海豚通信信号，在通信的过程中，该仿生信号可以被探测到，但是在识别的过程中会被当作海洋生物噪声排除，可以达到隐蔽通信的效果。

本发明的有益效果是：本发明提出基于pswf的仿生通信信号，并应用到通信探测一体化系统中。利用pswf来拟合海豚通信信号，设计出可靠的基于pswf的仿生通信序列波形，达到隐蔽信息的目的，由此搭建一体化的仿生通信和探测系统，提高水声通信的隐蔽性和可靠性。

附图说明

图1为本发明的基于pswf及各阶函数构造仿生信号的流程图；

图2为本发明中的海豚通信信号的时域分析图；

图3为本发明中的海豚通信信号的频域分析图；

图4为本发明的1阶pswf时域波形；

图5为本发明的2阶pswf时域波形；

图6为本发明的3阶pswf时域波形；

图7为本发明的4阶pswf时域波形；

图8为本发明的pswf自相关特性图；

图9为本发明的pswf与2阶函数互相关特性图；

图10为本发明的pswf与3阶函数互相关特性图；

图11为本发明的pswf与4阶函数互相关特性图。

具体实施方式

为使本发明的目的、方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施，并参照附图，对本发明作进一步说明。

图1所示为基于pswf及各阶函数构造仿生信号的流程图，本发明的目的是利用pswf与海豚通信信号的相似性，以pswf及各阶函数为基函数来拟合仿生海豚通信信号，在通信的过程中，在外部识别的过程中被当做海洋噪声排除。在拟合仿生信号的过程中会用到pswf及各阶导函数，可以将需要发送的信息调制在以上波形中，达到隐蔽通信探测的目的。本方法相比较传统的基于时延差的携带信息方式，增加了携带的信息量，提高了编码的灵活性。

具体实施过程如下：

第一步：提取出海豚通信信号的波形包络并计算该包络的极值点；

第二步：提取极值点之间的波形；

第三步：构造多个pswf并进行加权拟合；

第四步：求出pswf组合函数与极值点波形的相关函数并求出最值；

第五步：给定一个合适的迭代值，对第三步和第四步进行重复计算，直到求出脉冲函数组的合适加权值。

通过上述方法构造出仿生信号，分析该信号的抗噪性能以保证能够正常进行通信。

图2和3所示分别为海豚通信信号的时域、频域分析图。如果对海豚通信信号进行拟合，首先需要将海豚定位信号分解为独立的通信信号脉冲。通过观察可以发现，脉冲串的包络具有相似的特点，因此只需要计算出通信信号脉冲串的包络，就可以拟合出海豚通信信号。

海豚通信信号脉冲包络与pswf及各阶函数具有一定的相似性，以pswf及各阶函数为基函数来拟合仿生海豚通信信号，可以重构出海豚通信信号。

图4～7所示为pswf及各阶时域波形图。基于pswf拟合仿生海豚通信信号，需要对pswf及各阶函数进行分析。

pswf是频域带限且持续时间为一个码元的时域能量聚集性最佳的信号形式。用ψn(c,t)表示n阶椭球波函数，其中，c＝tsω，ψn(c,t)∈[-ts/2,ts/2]，ω为函数的带宽，pswf的积分定义如下式：

其中，λn(c)表示椭球波函数在频域上的集中程度。

pswf不仅是时间的函数，同时还受时频联合参数c的控制，利用这一特性，可以通过调整函数参数来实现脉冲的频谱搬移和带宽控制。

同时，pswf是由扁长椭圆坐标系中helmholz方程产生的微分算子所对应的特征函数，其方程为：

(1-t²)ψ”(t)-2tψ'(t)+(χj-c²t²)ψ(t)＝0(2)

由上式可以得到pswf的微分形式为：

图8～11所示为pswf自相关及与各阶函数的互相关特性图。本发明中分析了前四阶函数的波形图(图4～7所示)，从图中可以看出，通过改变阶次来改变峰值频率，可以实现频谱的搬移。图中给出pswf的自相关及互相关函数特性可以看出，自相关性更强而互相关较弱，从而可以更好的拟合出仿生信号。

在实际情况中，单个脉冲由于携带信息有限并不能较好地拟合出完整的仿生信号，本发明中通过设置权值构造出多个pswf及其各阶函数的的线性组合，以pswf及各阶函数作为基底，通过迭代的方法求出合适的权值，构造出更逼近真实效果的仿生信号。

本发明提出基于pswf的仿生通信信号，并应用到通信探测一体化系统中。利用pswf来拟合海豚通信信号，设计出可靠的基于pswf及各阶函数的仿生通信序列波形，达到隐蔽信息的目的，由此搭建一体化的仿生通信和探测系统，提高水声通信的隐蔽性和可靠性。

以上内容是具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式局限于这些说明，本发明以海豚通信信号为例展开，而对于鲸鱼、鲨鱼等海洋生物的仿生通信研究，以及蝙蝠类可以携带信息的生物。