一种基于时频谱伸缩的仿海豚哨声水声通信方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于仿生水声通信领域，具体涉及的是一种基于时频谱伸缩的仿海豚哨声 水声通信方法。
【背景技术】
[0002] 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 蔽水声通信方法多从低信噪比角度出发，将信号隐藏在海洋背景噪声中实现隐蔽通信的效 果。但是，这种方法同时降低了通信距离。与低信噪比隐蔽水声通信不同，仿生隐蔽水声通 信采用仿生伪装的方法，采用水声环境中自然存在的生物信号做调制波形，达到隐蔽的效 果。
[0003] 中国专利说明书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。该方法将海豚哨声信号应用于差分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哨声信号进行调制，实现隐 蔽通信。但是，在这两种通信体制下，为了降低在接收端进行相关解码的误码率，对选取的 哨声信号之间具有相关性要求，哨声信号样本需求量较大。中国专利说明书CN104217722A 公开了一种海豚哨声信号时频谱轮廓提取方法，但未将其应用于水声通信之中。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种使用任意单一海豚哨声信号样本实现仿海豚哨声隐 蔽水声通信的基于时频谱伸缩的仿海豚哨声水声通信方法。
[0005] 本发明的目的是这样实现的：
[0006] 发送端，
[0007] (1)将传输二进制信息转化为十进制信息；
[0008] (2)提取真实海豚哨声信号时频谱轮廓曲线，根据（1)中所述十进制信息对所述 轮廓曲线进行伸缩变换，实现信息调制；
[0009] (3)将⑵中调制后的轮廓曲线合成仿生通信信号；
[0010] (4)在所述仿生通信信号前添加原始哨声信号作为同步信号，所述同步信号与所 述仿生通信信号之间插入零序列作为保护间隔，形成一帧信号；
[0011] (5)将所述帧信号经过功率放大后通过换能器送入水声信道；
[0012] 接收端，
[0013] (6)使用水听器接收信号；
[0014] (7)对接收信号进行同步，由同步信号的相关峰位置时刻加上保护间隔的长度确 定信号开始的时刻，从所述接收信号中提取仿生通信信号；
[0015] (8)从（7)中所述仿生通信信号中提取时频谱轮廓曲线；
[0016] (9)将（8)所述提取的时频谱轮廓曲线与（2)中所述真实海豚哨声信号时频谱轮 廓曲线对比，获得十进制调制彳目息；
[0017] (10)将（9)所示十进制信息转化为二进制信息，实现信息解码。
[0018] 所述步骤（1)中所述将二进制信息转化为十进制信息和步骤（10)中所述将十进 制信息转化为二进制信息，均采用格雷码映射的方法。
[0019] 由于技术方案对选取的真实海豚哨声信号样本的特征和数量没有特殊要求，因 此，海豚哨声信号样本可根据水声通信应用的海域和具体的通信需求灵活选取；信息调制 是采用将真实海豚哨声信号时频谱轮廓曲线伸缩的方式，合成的编码信号符合海豚哨声信 号特点，具有很强的隐蔽性。
[0020] 作为本发明的进一步改进，可以在将二进制信息转化为十进制信息以及十进制信 息转化为二进制信息时，采用格雷码映射的方法。由于相邻的十进制数转化为二进制格雷 码时只有Ibit信息不同，因此应用该转化方法可以有效地降低通信误码率。
【附图说明】
[0021] 图1为基于时频谱伸缩的仿海豚哨声水声通信流程图；
[0022] 图2为瞬时频率相位转化结果；
[0023] 图3为能量幅度转化结果；
[0024] 图4为仿生信号合成结果；
[0025] 图5为时频谱压缩仿生通信信号帧结构；
[0026] 图6为时频谱扩展仿生通信信号帧结构；
[0027] 图7为接收仿生信号时频谱轮廓曲线和原始哨声信号时频谱轮廓曲线。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图对【具体实施方式】进行详细描述。
[0029] 本发明公开了一种基于时频谱伸缩的仿海豚哨声水声通信方法。在发射端，将真 实海豚哨声信号时频谱轮廓曲线伸缩调制加载数字信息，以调制后的轮廓曲线为基础进行 信号合成得到仿生通信信号，在仿生通信信号前添加原始哨声信号作为同步信号，形成一 帧发射信号。在接收端，通过同步信号相关确定仿生通信信号的起始位置，提取接收仿生信 号时频谱轮廓曲线，解调伸缩系数，实现信息解码。该仿生通信方法对真实海豚哨声信号样 本的特征和数量没有特殊要求，合成的编码信号符合海豚哨声信号特点，具有很强的隐蔽 性。
[0030] 本发明涉及一种基于时频谱伸缩的仿海豚哨声水声通信方法。其具体流程如图1 所示。在信号的发送端：
[0031] 步骤1 :将输入的二进制信息转化为十进制信息。作为发明的优选方式，可以采用 格雷码映射的方法进行转换。
[0032] 步骤2:提取真实海豚哨声信号时频谱轮廓曲线，将哨声信号第r次谐波在每个采 样点的频率值表示为fjn]。基于时频谱伸缩的仿海豚哨声水声通信是使哨声信号所有谐 波分量中心频率不变，通过调制频率范围的压缩或扩展系数加载数字信息，其具体可以表 示为： CN 105185382 A 说明书 3/4 页
[0034] 其中，f；。表示第r次谐波的中心频率，N表示第r次谐波的长度。
[0035] f1r[n] = fr〇+a (fr [n]-fr0) (2)
[0036] 在式⑵中，a是谐波频率压缩或扩展的系数，当a > 1时，信号频率范围扩展，当 a< 1时，信号频率范围压缩。
[0037] 若将哨声信号频率的压缩扩展系数的范围设置为A，即压缩或扩展系数a根据调 制参数的大小在1/A~A的范围内变化，其具体可以表示为：
[0039] 其中，m表示调制参数，M表示调制参数能够取得的最大值。
[0040] 步骤3 :根据步骤2中伸缩调制后的时频谱轮廓曲线f' >]合成仿生通信信号。
[0041] 海豚哨声信号是一个调频谐波信号，可以通过一组加权叠加的调频正弦信号表示 为：
[0043] 其中，R是谐波次数，ajn]表示第r次谐波时第η点的幅度，(^[n]表示