一种利用分段lfm信号仿海豚哨声信号的水声通信方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水声通信领域，尤其涉及一种利用分段LFM信号仿海豚哨声信号的水 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。
[0003] 传统的隐蔽通信方法是使通信信号隐藏于背景噪声中，即低信噪比条件下的隐蔽 通信。但是由于水声信道的时间扩展、频率扩展以及严重的衰减特性，相同声源级的信号 不能实现在不同距离上的隐蔽通信，尤其当收发节点间存在监听设备时，将无法实现隐蔽 通信。与低信噪比隐蔽水声通信不同，利用分段LFM信号仿海豚哨声信号的伪装水声通信 方法，采用海洋中固有的海豚哨声信号作为信息载体，允许通信信号被探测到，但在识别 过程中被当作海洋生物噪声排除，达到隐蔽通信的效果，尝试解决水下隐蔽通信问题.
[0004] 中国专利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。该方法将海豚叫声信号应用于差分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叫声信号进行调制，实现隐蔽通信。 但是，这两种通?目体制均米用时延编码，而不是BOK调制；同时，这两种通彳目米用的是海膝 的嘀嗒声信号，并非哨声信号。真实的海豚叫声信号进行通信，通信效果依赖于采用的样本 质量，应用不方便。中国专利说明书CN102355440A公开了一种基于甚小线性调频键控调制 的水声通信方法，该方法利用甚小线性调频键控调制的超窄带信号来实现高速信息传输， 但是并没有强调通信的隐蔽性能。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种简单易行、计算量较小的，利用分段LFM信号仿海豚哨 声信号的水声通信方法。
[0006] -种利用分段LFM信号仿海豚哨声信号的水声通信方法，包括以下步骤，
[0007] 步骤一：选取海豚哨声信号，对海豚哨声信号进行短时傅里叶变换，获得其时频谱 轮廓曲线图；
[0008] 步骤二：按照码元宽度对海豚哨声时频谱曲线的时间轴进行等间距取点，每个时 间点分别对应一个海豚哨声信号的瞬时频率值t，获得一组与时间点相对应的频率值f ;
[0009] 步骤三：通过调制获得待发送的编码，如果编码个数不是获得的一组频率值f中 频率的个数的整数倍，则在待发送的编码后面补充码元，使得补充后编码个数为获得的一 组频率值f中频率的个数的整数倍；
[0010] 步骤四：对待发送的编码进行BOK调制，确定每个码元所对应的调频率取值，得到 一组调制后的调频率组k;
[0011] 步骤五：将获得的一组频率值f中的每一个频率值按顺序循环作为每段LFM信号 的参考频率，以码元宽度T作为每段LFM信号的时长，将调频率组k中的每一个调频率值按 顺序作为每段LFM信号的调频率，产生每段LFM信号，将得到的LFM信号按频率值f的顺序 在时间上进行组合，形成一段分段LFM仿哨声数据信号；
[0012] 步骤六：将获得的多段分段LFM仿哨声数据信号按顺序进行组合，每段仿哨声数 据信号间添加空白保护间隔，获得总的仿哨声数据信号；
[0013] 步骤七：同步信号为步骤一中获得的海豚哨声信号，将同步信号与总的仿哨声数 据信号之间添加一段空白保护间隔进行组合，得到仿生通信发射帧信号；
[0014] 步骤八：将仿生通信发射帧信号进行发射，通过水声信道后，在接收端接收信号；
[0015] 步骤九：将接收信号与海豚哨声信号进行拷贝相关运算，找到最大峰值处所对应 的时间点为同步信号的起始点，加上步骤七中同步信号的时长和空白保护间隔的时长，确 定仿生数据信号的起始时间点；
[0016] 步骤十：对已经确定起始时间点的仿生数据信号进行均衡，得到均衡后的仿生数 据信号；
[0017] 步骤十一：对均衡后的仿生数据信号，以码元宽度为长度在进行截取，并排除掉空 白保护间隔；
[0018] 步骤十二：对截取后的每段LFM信号进行解调，得到调制信息。
[0019] 本发明一种利用分段LFM信号仿海豚哨声信号的水声通信方法，还可以包括
[0020] 1、每段LFM信号为：
[0022] 其中，T为码元宽度，匕为第i个频率值，k %应的调频率。
[0023] 2、均衡后的仿生数据信号为：
[0024] r(t) = sr(t)*h'（_t)
[0025] = [s(t)*h(t)]*h，（_t)+n(t)*h，（_t)
[0026] = s(t)*[h(t)]*h，（_t)+n(t)*h，（_t)
[0027] 其中，sjt)为接收到的信号，s(t)为仿生通信发射帧信号，n(t)为噪声信号，h(t) 为信道的冲激响应函数，h'（t)为估计的信道冲激响应函数，通过对接收到的同步信号与原 始的哨声信号作拷贝相关获得。
[0028] 3、对截取后的每段LFM信号进行解调的方法为分数阶傅里叶变换参数估计解调 法或者是匹配相关解调法。
[0029] 4、分数阶傅里叶变换参数估计解调法为：
[0030] 按照码元宽度对仿生数据信号进行分段，依次提取出每段LFM信号yi (t)，求yi (t) 在不同阶次下的分数阶傅里叶变换Yp (u)，进行参数估计得到I:
[0033] 对I进行极性判断：若|>Θ ,则第i段LFM信号解调结果爲=h若/i <〇 ,则第i段 LFM信号解调结果秦=〇;
[0034] 最后将所有解调结果进行和合，得到最终的调制信息&
[0035] 5、匹配相关解调法为：
[0036] 按照码元宽度对仿生数据信号进行分段，依次提取出每段LFM信号yi (t)，分别产 生对应于" 1 "每段LFM信号S11 (t)和对应于"0"的每段LFM信号S(]1 (t)，然后分别求出yi (t) 和S11 (t)的相关函数R11 ( τ )，以及yi⑴和sQl (t)的相关函数Rqi ( τ ):
[0039] 然后对比R11 ( τ )和Rci ( τ )相关峰的大小，来确定第i段LFM信号对应的码元：若 M τ ) >RQl ( τ )，则第i段LFM信号解调结果或=1 ;苕Rli ( τ )〈I ( τ )，则第i段LFM信号 解调结果爲
[0040] 最后将每段LFM信号的解调结果进行组合，得到最终的解调码々。
[0041] 有益效果：
[0042] 通过仿真实验与水池实验，该方法的可行性得到了验证。仿真实验中实现了 -IOdB 信噪比条件下零误码率通信，水池实验实现了 19米通信距离、20毫秒码元宽度条件下零误 码率通信。
[0043] 采用本发明所述利用LFM仿海豚哨声信号进行通信的通信方法，可以利用分段 LFM频信号作为载波进行调制解调，简单易行，计算量较小，通信速率适中。同时，合成后的 仿海豚哨声信号隐蔽性较高，可以实现伪装隐蔽通信。
【附图说明】
[0044] 图1为利用分段LFM仿海豚哨声信号进行通信的流程图；
[0045] 图2为真实海豚哨声信号时频谱曲线图；
[0046] 图3为提取到的一条真实海豚哨声信号基波时频谱曲线图；
[0047] 图4为调制原理图；
[0048] 图5为仿生分段LFM频谱示意图；
[0049] 图6为发射信号帧结构示意图；
[0050] 图7为发射信号波形时频谱曲线图；
[0051] 图8为虚拟式时间反转镜原理图；
[0052] 图9为分数阶傅里叶变换解调原理图；
[0053] 图10为匹配相关原理图。
【具体实施方式】
[0054] 下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0055] 本发明要解决的技术问题是提出一种利用分段LFM信号仿海豚哨声信号，实现仿 生隐蔽水声通信的方法。
[0056] 实现本发明目的技术方案，如图1所示：
[0057] -种利用分段LFM信号仿海豚哨声信号的伪装水声通信方法，其特征在于：
[0058] 在发送端：
[0059] 步骤1 :选取合适的海豚哨声信号，对海豚哨声信号进行短时傅里叶变换，获得其 时频谱轮廓曲线图；
[0060] 步骤2 :按照码元宽度对步骤1所述的海豚哨声时频谱曲线的时间轴进行等间距 取点，每个时间点都对应一个海豚哨声信号的瞬时频率值t，从而获得一组与时间点相对 应的频率值f ;
[0061] 步骤3 :获得调制彳目息；
[0062] 步骤4 :将步骤3所获得的调制信息进行BOK调制，确定每个码元所对应的调频率 取值匕或k i，以及其按照码元顺序的排列顺序，得到一组调制后的调频