一种基于海洋环境的定向干扰装置的制作方法

本发明涉及空气声学、水声学与信号处理，尤其是涉及一种基于海洋环境的定向干扰装置。

背景技术：

近年来，随着电子技术的飞速发展，水下开发步伐的加快，其水下通信与水下防窃听保护变得越来越迫切。其水下环境下的信息隐蔽与信息保护，由于海洋环境的复杂性，其面临很大的挑战，一般的水下窃听的类型与方式也逐渐实现了隐蔽，很难做到消除与预防。

技术的发展，一方面使得人们对于自身的信息得以便利的保存，一方面是的大众的隐身有随时暴露的危险，甚至与保密部门、政法机关都都面临这严重的隐私危机，在严重侵犯人们的隐私权的同时，也危及着国家的安全。

常见的水下窃听方法主要是布设各种水下监听传输装置，同时现有的海洋电子产品其信息技术的的功能也在逐渐的普及，其形式与使用的方式，包括隐蔽的手段也在逐渐的更新，很难通过简单的搜身、巡视的方式达到根除窃听的目的，因此需要提出更加专业的方法与装置来达到防窃听的目的。

为了防窃听的实施，一些方法已经被试用，并达到了一定的效果，如通过打字互传、纸条互传、电磁干扰屏蔽、小尺度通信等方式来实现，但是这些方式都会带了很大的不便，不利于人们的交流与信息交互的目的，往往达不到预期交流的目的。

掩蔽效应会使得听觉系统对声音的辨别与感知的能力降低。早期已有实验表明，当两个声音信号时间间隔足够短时，受试者将两个声音信号辨识为一个声音，且只能确认前导声(时间上靠前的声音)的位置而无法确认滞后声(时间上靠后的声音)的位置，即前导声对滞后声有前掩蔽效应；同时滞后声对前导声的感知上也存在一定程度的后掩蔽效应。前掩蔽效应和后掩蔽效应统称为时域掩蔽，时域掩蔽产生的主要原因是由于人的大脑需要花费一定的时间来处理信息。通常认为，前掩蔽效应时间很短，只有5～20ms，而后掩蔽效应可以持续50～200ms。水声信号学上的研究表明，人耳可感受的频率f的范围为20hz～20khz，并且对频率f的分辨能力是非均匀的。当f位于100～500hz范围内，可辨识的两个纯音的频率之差为1.8hz，而当f位于500hz～16khz范围内，相对频率分辨率几乎是不变的，即△f/f＝-3.5％。由此，人们将20hz～20khz的频率范围划分为620个频率间隔。一般来讲，频率较低的声音容易掩蔽频率较高的声音，反之则较难掩蔽。基于此，可将频率f映射到人耳感知频率尺度上，即bark尺度对应的临界带宽。临界带宽，是指用中心频率为f的噪声来掩蔽频率为f的纯音时，改变掩蔽声音(噪声)的频带△f，当刚能听到被掩蔽声音(纯音)时掩蔽声音的频带。当掩蔽噪声的带宽小于临界带宽时，随噪声的带宽的增加，能掩蔽住纯音f的声音强度不断增加，但当掩蔽噪声的带宽达到临界带宽后，继续增加噪声的带宽就不能再提高掩蔽量了。因此，根据当前发展的需求，设计与实现一种具有能够防止窃听功能的方法与装置，具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决当前水下信息安全被侵犯的窃听问题，提供借用声音掩蔽在海洋中的应用，实现水下通信的防窃听，达到保护信息目的一种基于海洋环境的定向干扰装置。

本发明设有水声信号采集输入模块、调理电路、模数采样器、信号处理模块、掩蔽干扰发生器、功率放大模块、匹配电路和超声波阵列换能器；所述水声信号采集输入模块、调理电路、模数采样器模块、信号处理模块依次相连；信号处理模块的输出端与同时连接至少2个掩蔽干扰发生器，至少2个掩蔽干扰发生器、功率放大模块、匹配电路、超声波阵列换能器依次连接；所述信号处理模块对于采集到的水声信号进行分析，确定频率范围与功率谱的大小，信号处理模块的处理结果输出至每个掩蔽干扰发生器，掩蔽干扰发生器从不同角度产生掩蔽干扰，形成干扰信号，并通过超声阵列换能器将干扰信号发送，实现干扰防窃听。

所述水声信号采集输入模块可采用换能器阵列输入模块，可以实现被干扰目标水声信号的方位定向；所述信号处理模块、掩蔽干扰发生器都是基于处理器的数字平台实现，所述处理器可选自cpu、arm、fpga、dsp等中的一种。所述掩蔽干扰发生器，可以根据数字信号处理模块的输出，产生具有掩蔽效果的干扰信号，通过多个掩蔽干扰发生器，产生具有掩蔽效果的干扰信号。

所述掩蔽干扰发生器的数量和角度可不少于3个，具体数量需要根据覆盖的区域来确定。

所述水声信号采集模块、调理电路、模数采样器模块、功率放大模块、匹配电路可采用模拟电路的方式实现。

所述水声信号采集模块需要根据水声信号的特点，设计换能器阵列，可以为线阵、圆阵、l阵或者能够实现方位定向的换能器阵列。

所述调理电路可设有微弱信号放大和外围的级联滤波模块。

所述功率放大模块的信号放大为微弱信号时，能够根据采集的水声信号的大小，一方面输送给信号处理模块实现定位，确定目标的方位，一方面确定信号频谱范围、能量大小等参数。所述功率放大模块包括采用a类方式、b类方式、ab类方式、d类方式功放，其实现可以为模拟器件或者相应的芯片式器件。

所述功率放大模块用于对于产生的掩蔽效果的干扰信号实现功率放大，同时匹配电路实现与换能器阵列的阻抗匹配。

所述超声波阵列换能器可采用压电陶瓷片，通过切割、胶水粘合、烧结形成多阵元的一体化超声波阵列，可以实现参量阵的声波传输功能。

所述超声波阵列换能器可为喇叭状或圆筒状，也可以根据需求设计不同的一体化超声参量阵模块；所述超声波阵列换能器设有换能器阵列的输入接口，实现被干扰源的方向定位。

本发明的有益效果是：本发明对需要防止窃听的水声信号进行采集，并通过水声信号阵列定向与信息处理，得到其频谱参数与功率参数，通过声音掩蔽方法，设计其干扰信号，并将干扰信号通过换能器阵列模块发送，形成水声信号的干扰防窃听，其干扰效果简单，便于实现。

附图说明

图1为本发明的水声信号干扰装置示意图；

图2为本发明中具有掩蔽效果的干扰发生器示意图；

图3为本发明的超声阵列换能器结构示意图；

图4为本发明中提供的水声信号干扰装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步的详细说明与阐述。

本实施例提供的水声信号干扰装置如图1所示，设有水声信号采集输入模块1、调理电路2、模数采样器3、信号处理模块4、掩蔽干扰发生器51～5n、功率放大模块61～6n、匹配电路71～7n和超声波阵列换能器81～8n。所述水声信号采集输入模块1、调理电路2、模数采样器3、信号处理模块4及其若干辅助器件依次相连；信号处理模块4输出同时连接几个掩蔽干扰发生器51～5n，每个掩蔽干扰发生器51～5n、功率放大模块61～6n、匹配电路71～7n、超声波阵列换能器81～8n依次连接；所述信号处理模块4对于采集到的水声信号进行分析，确定其频率范围与功率谱的大小，把处理结果输出给每个掩蔽干扰发生器，掩蔽干扰发生器从不同角度产生掩蔽干扰，形成干扰信号，并通过超声波阵列换能器将干扰信号发送，实现干扰防窃听。

所述信号处理模块、掩蔽干扰发生器都是基于处理器(可以为cpu、arm或者fpga、dsp等)的数字平台实现。

其中水声信号采集模块、调理电路、模数采样器、功率放大模块、匹配电路采用模拟电路的方式实现。

其中水声信号采集输入模块包括换能器阵列的输入接口，实现方向定位。

其中调理电路包括微弱信号放大和外围的级联滤波模块。

具有掩蔽效果的干扰发生器，根据掩蔽效果产生的要求，实现产生能够达到掩蔽效果的干扰信号，假设激励信号为：

y0(t)＝p0sin[(ωat+ωb)t]sin(ω0t)

其中τ为脉冲宽度，t∈[0,τ]，ωa＝2πa,ωb＝2πb,ω0＝2πf0，a,b为常数，p0为激励信号幅值，f0为中心频率。

f0＞＞(at+b)，所以y0(t)的包络函数为：e(t)＝sin[(ωat+ωb)t]，e²(t)＝sin²[(ωat+ωb)t]，可得：

yd(t)＝h·i2cos[2(ωat+ωb)t+j2]

式中：

即为原波激励信号所产生的二次波信号。对二次波信号进行分析可得，其中j2趋于零，因此对信号的影响很小。所以可以表示为：yd(t)＝h·i2cos[2(ωat+ωb)t]

因此将此信号进行发送，可以被干扰的目标位置，根据参量阵的额自解调原理，实现信号的掩蔽防窃听的效果。

其中功率放大模块包括采用a类方式、b类方式、ab类方式、d类方式功放，其实现可以为模拟器件或者相应的芯片式器件。

超声阵列换能器模块由内置的压电陶瓷片根据一定工艺研制的一体式阵列超声波换能器；

所述换能器的类型为采用陶瓷片，根据一定的工艺水平，实现的集成式的阵列超声波换能器；

所述换能器阵列的外形为喇叭形状，其中陶瓷片需要根据工艺切割为单个独立的阵元，其形状无固定模式，其阵元之间需要用胶隔开，并通过烧结、固化等工艺实现一体化成型。

本发明主要实现对于需要防窃听保护的场合实现防窃听操作，其原理示意如图4所示，对于需要保护的信号通过声阵列采集，通过toa或者doa等水声信号定向算法，实现对于被保护方向的水声信号定向，同时计算出需要放置窃听水声信号的功率大小与带宽频谱范围。通过掩蔽干扰发生器发声的信号，通过超声阵列一体化发送干扰信号，实现水声信号防窃听功能。

本发明对需要放窃听的水声信号进行阵列侦听与定向，通过信号处理，根据获得参数产生干扰信号如下：

一种水声信号防窃听干扰装置设有换能器阵列输入模块、调理电路、模数采样器、信号处理模块、掩蔽干扰发生器、功率放大模块、匹配电路、超声波阵列换能器。所述水声信号采集输入模块、调理电路、模数采样器模块、信号处理模块及其若干辅助器件依次相连；信号处理模块输出同时连接几个掩蔽干扰发生器，每个掩蔽干扰发生器、功率放大模块、匹配电路、超声波阵列模块依次连接；所述信号处理模块对于采集到的水声信号进行分析，确定其频率范围与功率谱的大小，把处理结果输出给每个掩蔽干扰发生器，掩蔽干扰发生器从不同角度产生掩蔽干扰，形成干扰信号，并通过超声阵列换能器将干扰信号发送，实现干扰防窃听。如果用于水下环境，请水声信号采集设备替换为相应的水下水听器阵列或者水声换能器阵列，实现声信号的采集与方位侦测，其余设备类似。

本发明的干扰类型可以为高斯噪声、混合高斯噪声，可以为原信号的交织后信号，可以为频率互换交织的信号，能够破坏原信号接收的信噪比，使得接收的质量下降或者明显下降。