仿生隱蔽水聲通信技術(shù)研究.pdf

1、由于聲波是水下信道中唯一可遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男盘?hào)形式，因此通常以聲波作為通信信號(hào)載體實(shí)現(xiàn)水下通信目的，即水聲通信技術(shù)。當(dāng)前較流行的水聲通信物理層技術(shù)包括單載波、多載波、擴(kuò)頻以及脈位調(diào)制技術(shù)。顯著的特點(diǎn)是采用固定載波的調(diào)制方式，在給定需求情況下，采用相應(yīng)的帶寬，通信過(guò)程中使用盡可能高的發(fā)射聲源級(jí)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更好的通信效果。
　　傳統(tǒng)水聲通信技術(shù)中，通信信號(hào)以一種海洋環(huán)境中不存在的，即“噪聲”的形式被引入到水聲環(huán)境中。一方面由于這種大聲源級(jí)“

2、噪聲”的引入，對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生較嚴(yán)重的影響，科學(xué)家認(rèn)為歷史上幾次鯨目動(dòng)物集體擱淺就是由于海軍采用高聲源級(jí)的通信聲吶導(dǎo)致的；另一方面從通信安全的角度來(lái)看，被動(dòng)聲吶也很容易探測(cè)到這種海洋中以前不存在的“噪聲”信號(hào)。因此，開(kāi)發(fā)一種水聲通信技術(shù)，可以在實(shí)現(xiàn)水下隱蔽安全聲通信，并且不影響海洋生態(tài)環(huán)境具有重要的意義。
　　傳統(tǒng)水下隱蔽安全聲通信多從低接收信噪比角度出發(fā)，在發(fā)射端降低通信信號(hào)輻射聲功率，將信號(hào)隱藏在海洋背景環(huán)境噪聲中，實(shí)現(xiàn)隱蔽

3、通信的效果；采用擴(kuò)頻或分集的調(diào)制方式，在接收端得到處理增益，實(shí)現(xiàn)信號(hào)正確解調(diào)。但在實(shí)際被動(dòng)聲探測(cè)過(guò)程中，被動(dòng)聲吶長(zhǎng)時(shí)間積分仍可探測(cè)到此類(lèi)通信信號(hào)，尤其在距離聲源較近位置時(shí)，信號(hào)功率依然較高，無(wú)法有效實(shí)現(xiàn)隱蔽水聲通信的目的。因此，傳統(tǒng)技術(shù)難以徹底解決水下隱蔽安全聲通信問(wèn)題。
　　近年來(lái)，人們對(duì)仿生學(xué)技術(shù)研究越來(lái)越廣泛，如模仿鯨目動(dòng)物身體構(gòu)造研究新型水下潛器，模仿鯨目動(dòng)物皮膚研究新型水中小阻力材料。本文基于海洋仿生學(xué)思想，從仿生偽裝角

4、度出發(fā)，提出采用真實(shí)或模擬的鯨目動(dòng)物叫聲作為通信信號(hào)，允許通信信號(hào)被探測(cè)，但是在識(shí)別階段被排除，達(dá)到隱蔽通信的效果，嘗試解決水下隱蔽安全聲通信問(wèn)題，同時(shí)由于采用海洋中固有的鯨目動(dòng)物叫聲作為通信信號(hào)，沒(méi)有引入可被視為海洋中“噪聲”的傳統(tǒng)水聲通信信號(hào)，可以起到不影響生態(tài)環(huán)境的效果。
　　鯨目動(dòng)物分為齒鯨亞目和須鯨亞目，齒鯨體積小，產(chǎn)生的信號(hào)聲源級(jí)低、頻率較高；須鯨體積大，產(chǎn)生的信號(hào)聲源級(jí)高、頻率較低。鯨目動(dòng)物靠聲信號(hào)來(lái)定位和尋找食物，

5、并用于個(gè)體間交流，由于其種類(lèi)繁多，聲音特性十分豐富。為更好的了解鯨目動(dòng)物叫聲特性，從功能上將鯨目動(dòng)物聲音分為回聲定位信號(hào)和通信信號(hào)，從時(shí)域、頻域以及時(shí)頻聯(lián)合分布來(lái)闡述鯨目動(dòng)物的聲音特性，給出部分鯨目動(dòng)物叫聲的指向性、聲源級(jí)和信噪比的計(jì)算方法，為仿生偽裝水聲通信技術(shù)研究提供技術(shù)支撐和依據(jù)。
　　提出利用鯨目動(dòng)物低頻嘀嗒聲信號(hào)的仿生偽裝水聲通信方法。設(shè)計(jì)了仿生通信信號(hào)幀結(jié)構(gòu)，利用海豚哨聲信號(hào)實(shí)現(xiàn)同步與識(shí)別，采用差分脈沖位置調(diào)制技術(shù)，不

6、改變每一個(gè)嘀嗒聲信號(hào)波形，信息調(diào)制在相鄰鯨目動(dòng)物嘀嗒聲信號(hào)的時(shí)間間隔，基于壓縮傳感理論對(duì)稀疏水聲信道建模，以哨聲信號(hào)作為探測(cè)序列，采用匹配追蹤技術(shù)估計(jì)信道，虛擬時(shí)反技術(shù)實(shí)現(xiàn)信道多途抑制。通過(guò)仿真和外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該方法的有效性和可行性。
　　提出基于海豚哨聲信號(hào)的仿生偽裝水聲通信方法。海豚哨聲信號(hào)具有多階諧波、寬帶、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、時(shí)頻譜輪廓形狀多樣化等特點(diǎn)?；诤ｋ嗌诼曅盘?hào)時(shí)頻譜輪廓進(jìn)行信息調(diào)制，實(shí)現(xiàn)仿生通信。主要包括海豚哨聲信號(hào)建模

7、、時(shí)頻域譜輪廓提取和調(diào)制解調(diào)技術(shù)?；谡倚盘?hào)模型對(duì)海豚聲信號(hào)建模；時(shí)頻譜包絡(luò)提取包括哨聲信號(hào)時(shí)頻變換、包絡(luò)提取、剔除野點(diǎn)和平滑技術(shù)；提出基于海豚哨聲信號(hào)時(shí)頻譜輪廓線的分段LFM調(diào)制法，采用相關(guān)法實(shí)現(xiàn)解調(diào)，進(jìn)行了理論分析和仿真。
　　提出擴(kuò)頻信號(hào)隱藏于須鯨背景叫聲下的仿生偽裝水聲通信方法。從人耳聽(tīng)覺(jué)掩蔽效應(yīng)角度出發(fā)實(shí)現(xiàn)隱蔽通信效果，將低聲源級(jí)的擴(kuò)頻信號(hào)隱藏在高聲源級(jí)的須鯨叫聲信號(hào)合適的時(shí)頻分布區(qū)間。設(shè)計(jì)適合該體制的通信幀結(jié)構(gòu)，采用