一种基于时频轮廓曲线的伪装隐蔽通信方法及装置

本发明涉及声波无线通信领域，特别是涉及一些对通信隐蔽性要求较高的场景，是一种利用动物叫声脉冲时频轮廓曲线的最大斜率和极点数目编码通信信息，实现高速率仿生伪装隐蔽通信的方法。

背景技术：

1、声波伪装隐蔽通信技术是一种基于声信道的信息隐蔽传输技术，即采用声波作为载波进行数据传输，具有良好的隐蔽性。声波属于机械波，与属于电磁波的无线电波具有不同的特性，相比于无线电通信的方式，声波通信具有设备简单、难以被屏蔽的特点。在目前已有成熟电磁波屏蔽干扰技术的情况下，声波通信就成了军事、情报等领域重要的通信手段。

2、自然界存在大量体型小巧、地理分布广泛、喜好单独或成对活动、叫声洪亮多变的动物，目前空气中伪装隐蔽通信的手段是在常见的动物叫声中寻找模板生成一个伪装对象库，使携带通信信息的调制信号尽可能的与所处通信环境相匹配，从而使通信信号即使被截获也会被截获方认为是常见动物叫声而被滤除，以此实现伪装隐蔽通信。敌方只能通过不间断地发射大功率宽频带的干扰声波才能实现有效干扰，但这样容易暴露干扰器的位置，且可能导致干扰环境中所有人和动物的听觉受到暂时或永久损伤，干扰代价过大。基于对仿生对象叫声音节脉冲的时频分析，选择合适的时频特征对仿生对象叫声音节脉冲加以描述和量化，是实现仿生伪装隐蔽通信的重要基础。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种利用动物叫声脉冲时频轮廓曲线的最大斜率和极值点数目作为特征的仿生伪装隐蔽通信编解码方法及装置。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种基于时频轮廓曲线的伪装隐蔽通信方法，包括：

4、s1.对仿生对象时域叫声脉冲信号通过短时傅里叶变换转换到时频域，并得到时频轮廓曲线，对时域叫声脉冲信号做短时傅里叶变换的数学表达如下:

5、

6、式(1)中t为时间，f为频率，j为虚数单位，τ为时延，h(τ-t)为进行短时傅里叶变换的窗函数，通常为汉明窗，x(t)为待变换时域叫声脉冲信号；

7、s2.根据时频轮廓曲线的连续性特点对时频轮廓曲线中的野点进行剔除，得到平滑的时频轮廓曲线；

8、s3.分别计算各个时域叫声脉冲信号对应的时频轮廓曲线的最大斜率kmax和极值点数目n，并对所有时域叫声脉冲信号进行分层分组；结合通信速率的需求和仿生对象真实叫声脉冲序列的特点，根据最大斜率kmax将所有时域叫声脉冲信号分为m1组，根据极值点数目n将所有时域叫声脉冲信号分为m2组，据此将所有的时域叫声脉冲信号分为2m组，完成通信脉冲库的构建，其中2m＝m1*m2，m为每个时域叫声脉冲信号编码的bit位数，通信脉冲库中的脉冲数量应大于2m；

9、s4.根据待发送的通信信息确定对应的脉冲组号；

10、s5.根据确定好的脉冲组号对待发送通信信息进行编码得到一个通信脉冲序列；

11、s6.通过换能器向外发射已编码的通信脉冲序列，接收装置收到相应的通信信号后进行滤波处理，之后对通信信号进行解码，最终得到完整的通信信息。

12、进一步的，步骤s4具体如下：

13、s401.首先将待发送的通信信息按每块m bit进行分块；

14、s402.计算各块待发送的通信信息对应的时域叫声脉冲信号的组号g；g为与各组待发送的通信信息的m位二进制数对应的十进制数。

15、进一步的，步骤s5具体如下：

16、s501.对于某一通信帧，插入一个数量指示码cni作为通信帧的帧头；为保证隐蔽性，确保每一通信帧中的信息码数目符合仿生对象真实叫声脉冲序列的统计规律；数量指示码从通信脉冲库中随机选取，按照统计规律建立数量指示码所指示的通信帧中的信息码个数与数量指示码所属组号的映射关系；

17、s502.每隔时间间隔τ从待发送的通信信息中取m位确定即将插入时域叫声脉冲信号的组号并从对应组中随机选取一个时域叫声脉冲信号作为通信信号，直到对应通信帧中的时域叫声脉冲信号数量达到数量指示码的指定值，完成一帧通信信号的编码；τ为不同时域叫声脉冲信号之间的时间间隔，符合仿生对象真实叫声脉冲序列的统计规律；

18、s503.经过时间间隔τp后插入一个数量指示码作为新的一帧通信信号的帧头，再按步骤s502的编码规则继续对待发送的通信信息进行编码，如此循环直到所有待发送的通信信息都完成编码，得到一个通信脉冲序列；τp为不同通信帧之间的时间间隔，符合仿生对象真实叫声脉冲序列的统计规律。

19、进一步的，一个通信帧包括一个数量指示码和若干个信息码，每个数量指示码和信息码均为时域叫声脉冲信号。

20、进一步的，步骤s6具体如下：

21、s601.利用谱减法和带通滤波器滤除接收装置所接收到的通信信号在传输过程中引入的环境噪声；

22、s602.计算通信信号的短时能量谱e，定义t时刻通信信号的短时能量为：

23、

24、式中x(k)为通信信号，k为采样点，win为帧长，inc为帧移；

25、s603通过通信信号的能量强度特征筛选出通信信号中的叫声脉冲；设置一个能量阈值et，当通信信号的短时能量高于et时，将这部分通信信号作为叫声脉冲；

26、s604.依次计算通信信号中的各个叫声脉冲之间的时间间隔，根据每一通信帧内相邻时域叫声脉冲信号之间间隔τ小于不同通信帧之间的时间间隔τp来区分信息码以及数量指示码；

27、s605.依次对每一帧进行解码；提取各个时域叫声脉冲信号的时频轮廓曲线，计算得到其时频轮廓曲线的最大斜率kmax和极值点数目n，确定对应时域叫声脉冲信号所属组号；

28、s606.对于数量指示码，根据其所属组号确定对应通信帧内信息码数量；对于信息码，根据其所属组号确定代表的m bit二进制信息；重复以上步骤直至全部通信信号解码完毕，最终得到完整的通信信息。

29、本发明还提供一种基于时频轮廓曲线的伪装隐蔽通信装置，包括：

30、提取单元，用于收集仿生对象的真实叫声样本，基于短时能量原理实现端点检测进而提取出时域叫声脉冲信号；

31、时频轮廓曲线构建单元，用于将提取到的时域叫声脉冲信号通过短时傅里叶变换转换到时频域，并得到时频轮廓曲线；并根据时频轮廓曲线的连续性特点对时频轮廓曲线中的野点进行剔除，得到平滑的时频轮廓曲线；

32、计算单元，用于计算时频轮廓曲线的最大斜率kmax和极值点数目n作为时域叫声脉冲信号分层分组的第一个层次和第二个层次；

33、通信脉冲库构建单元，用于结合通信速率的需求和仿生对象真实叫声脉冲序列的特点，根据最大斜率kmax将所有时域叫声脉冲信号分为m1组，根据极值点数目n将所有时域叫声脉冲信号分为m2组，据此将所有的时域叫声脉冲信号分为2m组，完成通信脉冲库的构建，其中2m＝m1*m2，m为每个时域叫声脉冲信号编码的bit位数，通信脉冲库中的脉冲数量应大于2m；

34、编号单元，用于根据待发送的通信信息确定应编码的脉冲组号；

35、编码单元，用于根据确定好的脉冲组号对待发送通信信息进行编码得到一个通信脉冲序列；

36、发射单元，用于通过换能器向外发射已编码的通信脉冲序列；

37、滤波单元，用于接收相应的通信信号并进行滤波处理；

38、解码单元，用于对经过滤波单元处理后的通信信号进行解码，得到完整的通信信息。

39、本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述基于时频轮廓曲线的伪装隐蔽通信方法的步骤。

40、本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述基于时频轮廓曲线的伪装隐蔽通信方法的步骤。

41、与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

42、1.高效编解码：采用未经处理的原始动物叫声脉冲作为通信信号，无需进行复杂的计算和处理，大大降低了编解码的计算量，提高了通信速率和可靠性。

43、2.高度隐蔽性：利用自然界中广泛分布的动物叫声作为通信载体，使得通信信号在被监控范围内难以被察觉和破译，提高了通信的安全性。

44、3.长距离传输：相较于超声波等其他声波通信方式，本技术采用的声音频率较低，衰减较小，可实现较远的通信距离。

45、4.抗干扰性强：现有技术中尚无针对该通信方法的成熟声波干扰技术，使得本技术具有较强的抗干扰能力，难以被干扰或屏蔽。

46、5.可扩展性：本技术不局限于个别仿生对象，可根据实际需求选择不同的动物叫声作为通信载体，并可与其他多种特征编码技术相结合应用在不同场景下，实现更好的效果。

47、6.适应性强：本技术适用于各种环境条件，如城市、森林、沙漠等，具有较强的适应性。

48、7.易于实施：本技术无需额外的设备和技术支持，只需对现有的通信设备进行简单的改造即可实现伪装隐蔽通信，对硬件平台性能要求较低。

49、8.环保无污染：本技术采用动物叫声作为通信载体，不会产生电磁辐射等污染，对环境和生态影响较小。