申请/专利权人：天津大学

申请日：2017-12-30

公开（公告）日：2024-04-02

公开（公告）号：CN108055087B

主分类号：H04B13/02

分类号：H04B13/02;H04B11/00;H04K1/00;G10L19/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.02#授权;2018.06.12#实质审查的生效;2018.05.18#公开

摘要：本发明属于通信技术领域，为提高水声通信的隐蔽性。为此，本发明采用的技术方案是，利用长肢领航鲸叫声谐波数量进行编码的通信装置，包括鲸叫声波形存储器、鲸叫声分组器，通信参数设置器、通信编码器、换能器、水听器、通信解码器和输出器构成，在发送端，鲸叫声波形存储器、鲸叫声分组器，通信编码器、换能器依次相连，通信编码器还与通信参数设置器相连；在接收端，水听器、通信解码器和输出器依次相连。本发明主要应用于水下通信场合。

主权项：1.一种利用长肢领航鲸叫声谐波数量进行编码的通信方法，其特征是，从长肢领航鲸的叫声中，找出M个叫声，且M＝2N，M、N为正整数，利用M个不同的叫声编码N个比特的二进制数据，实现通信；具体地：从M个不同的叫声中任意取出2N-n个叫声分为一组，n为一个小于N且大于零的整数，并将该组叫声命名为GN-n；根据N-n的大小，选用对应的叫声分组GN-n，并让每一个叫声携带不同的N-n个比特通信信息，将通信过程中，每两个相邻叫声之间的时间间隔设置为T，并按照进行发送；在接收端，对接收到的信号进行归一化的短时能量谱计算，通过设定一个合适的阈值TV1，去检测和定位每个叫声在所接收信号时间序列中的位置和持续时间长度；其中阈值TV1的取值范围为0.01＜TV1＜0.8；接下来，根据每个叫声的位置、持续时间长度和时频图谱去搜索该叫声中时频图谱所包含主波和谐波的数量，计算出该叫声所对应的主波与谐波数量之和的值，根据主波与谐波数量之和的值解码出该叫声所携带的通信信息；更具体地，搜索过程按如下方法进行：第一步：在叫声的持续时间里，且在叫声的时频图中垂直于时间轴的方向等间隔地画Q条直线，Q为正整数，且0＜Q＜10000000000，第二步：设定一个阈值TV2，阈值TV2的取值范围为0.01＜TV2＜0.8，找出位于每条所画直线中，超过阈值TV2的时频图峰值点，然后计算每条所画直线中对应时频图峰值点的数量，假设第L条直线上所对应的时频图峰值点的数量为PL，则其它直线上所对应的时频图峰值点的数量为P1,P2,…,PQ，然后对所有峰值点的数量进行求和并取平均如下然后，按四舍五入的方法对S取整数得到该值就是该叫声所对应的主波与谐波数量之和的值；进一步地，根据的大小，就能解码出该叫声所携带的通信信息。

全文数据：利用长肢领航鲸叫声谐波数量进行编码的通信方法及装置技术领域[0001]本发明属于通信技术领域，特别是一种利用长肢领航鲸叫声谐波数量进行编码的隐蔽通信方法及装置。背景技术[0002]水下隐蔽声波通信在军事应用中具有非常重要的作用。水下声波通信设备在进行通信时，必须向水中发射出声波信号，以传递通信信号给通信接收方。由于水下声波通信设备必须向水中发射出声波信号，而这些声波信号很容易被敌人的侦查系统探测和识别，所以水下隐蔽声波通信设备的隐蔽性与水下隐蔽声波通信设备所发出的声波信号有直接的关系。为了提高水声通信的隐蔽性，传统方法一般采用频率在跳变的线性调频信号作为载频波形来增加敌人的侦查系统解码通信信息的难度，但是，由于线性调频信号具有非常明显的特征，如它的频率线性变化、它的功率谱为矩形等，所以很容易引起敌人侦查系统的注意，一旦敌人的侦查系统注意到了这些信息，就能利用这些线性调频信号对水下声波通信设备进行定位或是摧毁。发明内容[0003]为克服现有技术的不足，本发明旨在提高水声通信的隐蔽性。为此，本发明采用的技术方案是，利用长肢领航鲸叫声谐波数量进行编码的通信方法，从长肢领航鲸的叫声中，找出M个叫声，且M=2n，M、N为正整数，利用M个不同的叫声编码N个比特的二进制数据，实现通信。[0004]具体地:从M个不同的叫声中任意取出2N_n个叫声分为一组，η为一个小于N且大于零的整数，并将该组叫声命名为GN-n;[0005]根据N-n的大小，选用对应的叫声分组GN-n，并让每一个叫声携带不同的N-n个比特通信信息，将通信过程中，每两个相邻叫声之间的时间间隔设置为T，并按照进行发送。[0006]在接收端，对接收到的信号进行归一化的短时能量谱计算，通过设定一个合适的阈值TV1，去检测和定位每个叫声在所接收信号时间序列中的位置和持续时间长度;其中阈值TVl的取值范围为0.01〈TV1〈0.8;接下来，根据每个叫声的位置、持续时间长度和时频图谱去搜索该叫声中时频图谱所包含主波和谐波的数量，计算出该叫声所对应的主波与谐波数量之和的值，根据主波与谐波数量之和的值解码出该叫声所携带的通信信息。[0007]更具体地，搜索过程按如下方法进行:第一步:在叫声的持续时间里，且在叫声的时频图中垂直于时间轴的方向等间隔地画Q条直线，Q为正整数，且〇〈Q〈l〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇,第二步:设定一个阈值TV2，阈值TV2的取值范围为0.01〈TV2〈0.8，找出位于每条所画直线中，超过阈值TV2的时频图峰值点，然后计算每条所画直线中对应时频图峰值点的数量，假设第L条直线上所对应的时频图峰值点的数量为孔，则其它直线上所对应的时频图峰值点的数量为P1J2,…，PQ，然后对所有峰值点的数量进行求和并取平均如下然后，按四舍五入的方法对S取整数得到，该值就是该叫声所对应的主波与谐波数量之和的值;进一步地，根据的大小，就能解码出该叫声所携带的通信信息。[0008]利用长肢领航鲸叫声谐波数量进行编码的通信装置，包括鲸叫声波形存储器、鲸叫声分组器，通信参数设置器、通信编码器、换能器、水听器、通信解码器和输出器构成，在发送端，鲸叫声波形存储器、鲸叫声分组器，通信编码器、换能器依次相连，通信编码器还与通信参数设置器相连;在接收端，水听器、通信解码器和输出器依次相连。[0009]具体地，鲸叫声波形存储器采用一个同步动态存储器SDRAM来实现，用于存储M个不同的叫声；[0010]鲸叫声分组器用于：从鲸叫声波形存储器1出鲸叫声，并对这些鲸叫声进行分组，并根据所携带通信信息量的多少，分成多个不同的叫声组;更具体地，可以从M个不同的叫声中任意取出2N_n个叫声分为一组，η为一个小于N且大于零的整数，并将该组叫声命名为GN-n;例如，可以从M个不同的叫声中取出2Ν_1个叫声，分为一组，并将该组叫声命名为G^1，那么这组叫声就能携带N-Ibit的通信信息;鲸叫声分组器通过可编程逻辑器件或微处理器芯片来实现；[0011]通信参数设置器用于设置Ν-η值的大小，用于设置通信过程中叫声之间的时间间隔Τ，且用于设置通信过程中叫声的声源级SL这三个参数，通信参数设置器可以通过可编程逻辑器件或微处理器芯片来实现；[0012]通信编码器对通信参数设置器传过来的三个参数进行识别；然后，一方面，根据Ν-η的大小，从鲸叫声分组器2中取出对应的叫声分组GN-n，并让每一个叫声携带不同的N-nbit通信信息；另一方面，通信编码器根据叫声之间的时间间隔T，将通信过程中，每两个相邻叫声之间的时间间隔设置为T，其中，T的取值范围为0s〈T〈50s;再一方面，通信编码器根据叫声的声源级SL的值，来控制输出给换能器的叫声信号发射功率，其中SL的大小范围为0dB〈SL〈300dB;进一步地，通信编码器接收来待发送的通信信息，然后利用其所选择的叫声分组GN-n、时间间隔T、声源级SL来将待传输通信信息通过换能器转换成声波信号发送出去;进一步地，通信编码器可以通过可编程逻辑器件或微处理器芯片来实现；[0013]水听器将声波转换为电信号后，输送给通信解码器；[0014]通信解码器不停的对接收到的信号进行归一化的短时傅立叶变换，然后得到整个接收信号的时频图谱，当叫声被接收到时，通信解码器同时也对接收到的信号进行归一化的短时能量谱计算，通过设定一个合适的阈值TV1，去检测和定位每个叫声在所接收信号时间序列中的位置和持续时间长度;其中阈值TVl的取值范围为0.01〈TV1〈0.8;接下来，通信解码器根据每个叫声的位置、持续时间长度和时频图谱去搜索该叫声中时频图谱所包含主波和谐波的数量;更具体地，搜索过程可以按如下方法进行:第一步:在叫声的持续时间里，且在叫声的时频图中垂直于时间轴的方向等间隔地画Q条直线，Q为正整数，且〇〈Q〈10000000000;第二步:设定一个阈值TV2，其中阈值TV2的取值范围为0.01〈TV2〈0.8，找出位于每条所画直线中，超过阈值TV2的时频图峰值点，然后计算每条所画直线中对应时频图峰值点的数量，假设第L条直线上所对应的时频图峰值点的数量为Pl，则其它直线上所对应的时频图峰值点的数量为P1^2,…，PQ，然后对所有峰值点的数量进行求和并取平均如下然后，按四舍五入的方法对S取整数得到，该值就是该叫声所对应的主波与谐波数量之和的值;进一步地，根据的大小，就能解码出该叫声所携带的通信信息；[0015]进一步地，通信解码器就连续不断解码出的通信信息传输给通信信息输出器，以完成整个通信过程。[0016]本发明的特点及有益效果是：[0017]本发明利用原始的长肢领航鲸所发出的不同的叫声去携带不同的通信信息，此种通信方式能够提高水下隐蔽声波通信设备的隐蔽性。附图说明：[0018]图1示出本发明中所述的四种叫声的时频图。[0019]图2示出本发明中所述的通信发送平台10。[0020]图3示出本发明中所述的通信接收平台11。[0021]图2中：1为鲸叫声波形存储器;2为鲸叫声分组器;3为通信参数设置器;4为通信编码器;5为待传输信息;6为换能器。[0022]图3中：7为水听器;8为通信解码器;9为通信信息输出器。具体实施方式[0023]与传统方法不同，本发明提出了一种新的伪装隐蔽通信方法和装置，它利用原始的长肢领航鲸所发出的不同的叫声去携带不同的通信信息。由于海洋中鲸所发出的叫声一般被各国的侦查系统识别为噪声信号，所以，本发明利用原始的长肢领航鲸所发出的不同的叫声去携带不同的通信信息，从面实现伪装隐蔽通信。[0024]本发明提供一种利用长肢领航鲸叫声谐波数量进行编码的隐蔽通信方法及装置。[0025]根据现有文献记载，可以知道，长肢领航鲸的叫声特性非常丰富，其中一个很重要的特性是它们所发出的每个叫声一般由一个主波和多个附波这些“附波”一般被称为“谐波”，在下面的所有描述中，本发明统一使用“谐波”这个名词组成，且不同的叫声一般会具有不同数量的谐波。例如，在图1中，本发明给出了四种叫声的时频图，在图1a中包括1个主波和4个谐波，在图Ib中包括1个主波和1个谐波，在图Ic中包括1个主波和2个谐波，在图1⑹中包括1个主波和15个谐波。在不同种类的叫声中，主波与谐波的数量之和与其它种类的叫声不同。假设能从长肢领航鲸的叫声中，找出ΜM为一个正整数个叫声并假设M=2nN为一个正整数），在这M个叫声里，每个叫声的主波与谐波数量之和与其它叫声彼此不同；就像图1中的四个叫声一样，这四个叫声的主波与谐波数量之和与其它叫声彼此不同。由于M=2N，所以，M个不同的叫声就可能编码Nbit的二进制数据。例如，在图1中，有4个不同的叫声，所以图1中的四个叫声可以编码2bit的二进制数据。[0026]进一步地，本发明中所述鲸均指长肢领航鲸；[0027]更进一步地，被找出的M个不同的叫声被存储在鲸叫声波形存储器1里，该鲸叫声波形存储器1可以用一个同步动态存储器SDRAM来实现；[0028]进一步地，鲸叫声分组器2从鲸叫声波形存储器1取出鲸叫声，并对这些鲸叫声进行分组，并根据所携带通信信息量的多少，分成多个不同的叫声组;更具体地，可以从M个不同的叫声中任意取出2Ν_ηη为一个小于N且大于零的整数个叫声，分为一组，并将该组叫声命名为GN-n;例如，可以从M个不同的叫声中取出2Ν_1个叫声，分为一组，并将该组叫声命名为Gn-i，那么这组叫声就能携带N-1bit的通信信息；再例如，可以从M个不同的叫声中取出2Νϋ个叫声，分为一组，并将该组叫声命名为61，那么这组叫声就能携带Ibit的通信信息；进一步地，鲸叫声分组器2可以通过可编程逻辑器件或微处理器芯片来实现；[0029]进一步进，通信参数设置器3用于设置Ν-η值的大小，用于设置通信过程中叫声之间的时间间隔Τ，且用于设置通信过程中叫声的声源级SL这三个参数;进一步地，通信参数设置器3可以通过可编程逻辑器件或微处理器芯片来实现；[0030]进一步地，通信编码器4对通信参数设置器3传过来的三个参数进行识别；然后，一方面，根据Ν-η的大小，从鲸叫声分组器2中取出对应的叫声分组GN-n，并让每一个叫声携带不同的N-nbit通信信息；例如，如果N-n=2,那么，通信编码器4将从鲸叫声分组器2中取出对应的叫声分组G2,该叫声分组里就包含4个不同的叫声脉冲，然后，通信编码器4让4个不同的叫声脉冲中的第一个叫声携带“00”通信信息，让4个不同的叫声脉冲中的第二个叫声携带“01”通信信息，让4个不同的叫声脉冲中的第三个叫声携带“10”通信信息，让4个不同的叫声脉冲中的第四个叫声携带“11”通信信息；另一方面，通信编码器4根据叫声之间的时间间隔T，将通信过程中，每两个相邻叫声之间的时间间隔设置为T，其中，T的取值范围为OsT〈50s;再一方面，通信编码器4根据叫声的声源级SL的值，来控制输出给换能器6的叫声信号发射功率，其中SL的大小范围为0dB〈SL〈300dB;进一步地，通信编码器4接收来自待传输信息5传来的待发送的通信信息，然后利用其所选择的叫声分组GN-n、时间间隔T、声源级SL来将待传输信息5存放的通信信息通过换能器6转换成声波信号发送出去;进一步地，通信编码器4可以通过可编程逻辑器件或微处理器芯片来实现；[0031]进一步地，换能器7发出的声波信号经过水下传输后，到达通信接收平台上的水听器7，水听器7将声波转换为电信号后，输送给通信解码器8，通信解码器8不停的对接收到的信号进行归一化的短时傅立叶变换，然后得到整个接收信号的时频图谱，当叫声被接收到时，就会出现类似于图1中叫声的时频图谱;进一步地，通信解码器8同时也对接收到的信号进行归一化的短时能量谱计算，通过设定一个合适的阈值TVl，去检测和定位每个叫声在所接收信号时间序列中的位置和持续时间长度;其中阈值TVl的取值范围为0.OKTVKO.8;接下来，通信解码器8根据每个叫声的位置、持续时间长度和时频图谱去搜索该叫声中时频图谱所包含主波和谐波的数量;更具体地，搜索过程可以按如下方法进行:第一步:在叫声的持续时间里，且在叫声的时频图中垂直于时间轴的方向等间隔地画Q条Q为正整数，且〇〈Q〈10000000000直线，第二步:设定一个阈值TV2其中阈值TV2的取值范围为0.01〈TV2〈0.8，找出位于每条所画直线中，超过阈值TV2的时频图峰值点，然后计算每条所画直线中对应时频图峰值点的数量，假设第L条直线上所对应的时频图峰值点的数量为Pl，则其它直线上所对应的时频图峰值点的数量为P1，P2，…，Pq，然后对所有峰值点的数量进行求和并取平均如下然后，按四舍五入的方法对S取整数得到，该值就是该叫声所对应的主波与谐波数量之和的值;进一步地，根据及的大小，就能解码出该叫声所携带的通信信息；[0032]进一步地，通信解码器8就连续不断解码出的通信信息传输给通信信息输出器9，以完成整个通信过程。

权利要求：1.一种利用长肢领航鲸叫声谐波数量进行编码的通信方法，其特征是，从长肢领航鲸的叫声中，找出M个叫声，且M=2N，M、N为正整数，利用M个不同的叫声编码N个比特的二进制数据，实现通信。2.如权利要求1所述的利用长肢领航鲸叫声谐波数量进行编码的通信方法，其特征是，具体地:从M个不同的叫声中任意取出2N_n个叫声分为一组，η为一个小于N且大于零的整数，并将该组叫声命名为GN-n;根据N-n的大小，选用对应的叫声分组GN-n，并让每一个叫声携带不同的N-n个比特通信信息，将通信过程中，每两个相邻叫声之间的时间间隔设置为T，并按照进行发送。3.如权利要求1所述的利用长肢领航鲸叫声谐波数量进行编码的通信方法，其特征是，在接收端，对接收到的信号进行归一化的短时能量谱计算，通过设定一个合适的阈值TVl，去检测和定位每个叫声在所接收信号时间序列中的位置和持续时间长度;其中阈值TVl的取值范围为〇.〇I〈TV1〈0.8;接下来，根据每个叫声的位置、持续时间长度和时频图谱去搜索该叫声中时频图谱所包含主波和谐波的数量，计算出该叫声所对应的主波与谐波数量之和的值，根据主波与谐波数量之和的值解码出该叫声所携带的通信信息。4.如权利要求1所述的利用长肢领航鲸叫声谐波数量进行编码的通信方法，其特征是，更具体地，搜索过程可以按如下方法进行:第一步:在叫声的持续时间里，且在叫声的时频图中垂直于时间轴的方向等间隔地画Q条直线，Q为正整数，且〇〈Q〈l〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇,第二步:设定一个阈值TV2，阈值TV2的取值范围为0.01TV2〈0.8，找出位于每条所画直线中，超过阈值TV2的时频图峰值点，然后计算每条所画直线中对应时频图峰值点的数量，假设第L条直线上所对应的时频图峰值点的数量为Pl，则其它直线上所对应的时频图峰值点的数量为P1,P2,…，Pq，然后对所有峰值点的数量进行求和并取平均如Ί然后，按四舍五入的，方法对S取整数得到友，该友值就是该叫声所对应的主波与谐波数量之和的值;进一步地，根据犮的大小，就能解码出该叫声所携带的通信信息。5.—种利用长肢领航鲸叫声谐波数量进行编码的通信装置，其特征是，包括鲸叫声波形存储器、鲸叫声分组器，通信参数设置器、通信编码器、换能器、水听器、通信解码器和输出器构成，在发送端，鲸叫声波形存储器、鲸叫声分组器，通信编码器、换能器依次相连，通信编码器还与通信参数设置器相连;在接收端，水听器、通信解码器和输出器依次相连。6.如权利要求5所述的利用长肢领航鲸叫声谐波数量进行编码的通信装置，其特征是，具体地，鲸叫声波形存储器采用一个同步动态存储器SDRAM来实现，用于存储M个不同的叫声；鲸叫声分组器用于：从鲸叫声波形存储器1出鲸叫声，并对这些鲸叫声进行分组，并根据所携带通信信息量的多少，分成多个不同的叫声组;更具体地，可以从M个不同的叫声中任意取出2N_n个叫声分为一组，η为一个小于N且大于零的整数，并将该组叫声命名为6_;例如，可以从M个不同的叫声中取出2Ν_1个叫声，分为一组，并将该组叫声命名为G^1，那么这组叫声就能携带N-Ibit的通信信息;鲸叫声分组器通过可编程逻辑器件或微处理器芯片来实现；通信参数设置器用于设置N-n值的大小，用于设置通信过程中叫声之间的时间间隔Τ，且用于设置通信过程中叫声的声源级SL这三个参数，通信参数设置器可以通过可编程逻辑器件或微处理器芯片来实现；通信编码器对通信参数设置器传过来的三个参数进行识别；然后，一方面，根据N-n的大小，从鲸叫声分组器2中取出对应的叫声分组GN-n，并让每一个叫声携带不同的N-nbit通信信息；另一方面，通信编码器根据叫声之间的时间间隔T，将通信过程中，每两个相邻叫声之间的时间间隔设置为T，其中，T的取值范围为0s〈T〈50s;再一方面，通信编码器根据叫声的声源级SL的值，来控制输出给换能器的叫声信号发射功率，其中SL的大小范围为OdB〈SL〈300dB;进一步地，通信编码器接收来待发送的通信信息，然后利用其所选择的叫声分组GN-n、时间间隔T、声源级SL来将待传输通信信息通过换能器转换成声波信号发送出去;进一步地，通信编码器可以通过可编程逻辑器件或微处理器芯片来实现；水听器将声波转换为电信号后，输送给通信解码器；通信解码器不停的对接收到的信号进行归一化的短时傅立叶变换，然后得到整个接收信号的时频图谱，当叫声被接收到时，通信解码器同时也对接收到的信号进行归一化的短时能量谱计算，通过设定一个合适的阈值TVl，去检测和定位每个叫声在所接收信号时间序列中的位置和持续时间长度;其中阈值TVl的取值范围为O.OI〈TV1〈0.8;接下来，通信解码器根据每个叫声的位置、持续时间长度和时频图谱去搜索该叫声中时频图谱所包含主波和谐波的数量;更具体地，搜索过程可以按如下方法进行:第一步:在叫声的持续时间里，且在叫声的时频图中垂直于时间轴的方向等间隔地画Q条直线，Q为正整数，且〇〈Q〈10000000000;第二步:设定一个阈值TV2，其中阈值TV2的取值范围为0.01〈TV2〈0.8，找出位于每条所画直线中，超过阈值TV2的时频图峰值点，然后计算每条所画直线中对应时频图峰值点的数量，假设第L条直线上所对应的时频图峰值点的数量为Pl，则其它直线上所对应的时频图峰值点的数量为P1^2,…，PQ，然后对所有峰值点的数量进行求和并取平均如下然后，按四舍五入的方法对S取整数得到冢，该f值就是该叫声所对应的主波与谐波数量之和的值;进一步地，根据发的大小，就能解码出该叫声所携带的通信信息；进一步地，通信解码器就连续不断解码出的通信信息传输给通信信息输出器，以完成整个通信过程。

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