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距離傳輸?shù)男盘栃问剑虼送ǔＲ月暡ㄗ鳛橥ㄐ判盘栞d體實現(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、擴頻以及脈位調(diào)制技術(shù)。顯著的特點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，通信過程中使用盡可能高的發(fā)射聲源級，進而實現(xiàn)更好的通信效果。
　　傳統(tǒng)水聲通信技術(shù)中，通信信號以一種海洋環(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“

2、噪聲”的引入，對海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生較嚴(yán)重的影響，科學(xué)家認為歷史上幾次鯨目動物集體擱淺就是由于海軍采用高聲源級的通信聲吶導(dǎo)致的；另一方面從通信安全的角度來看，被動聲吶也很容易探測到這種海洋中以前不存在的“噪聲”信號。因此，開發(fā)一種水聲通信技術(shù)，可以在實現(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)射端降低通信信號輻射聲功率，將信號隱藏在海洋背景環(huán)境噪聲中，實現(xiàn)隱蔽

3、通信的效果；采用擴頻或分集的調(diào)制方式，在接收端得到處理增益，實現(xiàn)信號正確解調(diào)。但在實際被動聲探測過程中，被動聲吶長時間積分仍可探測到此類通信信號，尤其在距離聲源較近位置時，信號功率依然較高，無法有效實現(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題。
　　近年來，人們對仿生學(xué)技術(shù)研究越來越廣泛，如模仿鯨目動物身體構(gòu)造研究新型水下潛器，模仿鯨目動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)，提出采用真實或模擬的鯨目動物叫聲作為通信信號，允許通信信號被探測，但是在識別階段被排除，達到隱蔽通信的效果，嘗試解決水下隱蔽安全聲通信問題，同時由于采用海洋中固有的鯨目動物叫聲作為通信信號，沒有引入可被視為海洋中“噪聲”的傳統(tǒng)水聲通信信號，可以起到不影響生態(tài)環(huán)境的效果。
　　鯨目動物分為齒鯨亞目和須鯨亞目，齒鯨體積小，產(chǎn)生的信號聲源級低、頻率較高；須鯨體積大，產(chǎn)生的信號聲源級高、頻率較低。鯨目動物靠聲信號來定位和尋找食物，

5、并用于個體間交流，由于其種類繁多，聲音特性十分豐富。為更好的了解鯨目動物叫聲特性，從功能上將鯨目動物聲音分為回聲定位信號和通信信號，從時域、頻域以及時頻聯(lián)合分布來闡述鯨目動物的聲音特性，給出部分鯨目動物叫聲的指向性、聲源級和信噪比的計算方法，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)。
　　提出利用鯨目動物低頻嘀嗒聲信號的仿生偽裝水聲通信方法。設(shè)計了仿生通信信號幀結(jié)構(gòu)，利用海豚哨聲信號實現(xiàn)同步與識別，采用差分脈沖位置調(diào)制技術(shù)，不

6、改變每一個嘀嗒聲信號波形，信息調(diào)制在相鄰鯨目動物嘀嗒聲信號的時間間隔，基于壓縮傳感理論對稀疏水聲信道建模，以哨聲信號作為探測序列，采用匹配追蹤技術(shù)估計信道，虛擬時反技術(shù)實現(xiàn)信道多途抑制。通過仿真和外場實驗證實了該方法的有效性和可行性。
　　提出基于海豚哨聲信號的仿生偽裝水聲通信方法。海豚哨聲信號具有多階諧波、寬帶、持續(xù)時間長、時頻譜輪廓形狀多樣化等特點。基于海豚哨聲信號時頻譜輪廓進行信息調(diào)制，實現(xiàn)仿生通信。主要包括海豚哨聲信號建模

7、、時頻域譜輪廓提取和調(diào)制解調(diào)技術(shù)?；谡倚盘柲Ｐ蛯ｋ嗦曅盘柦?；時頻譜包絡(luò)提取包括哨聲信號時頻變換、包絡(luò)提取、剔除野點和平滑技術(shù)；提出基于海豚哨聲信號時頻譜輪廓線的分段LFM調(diào)制法，采用相關(guān)法實現(xiàn)解調(diào)，進行了理論分析和仿真。
　　提出擴頻信號隱藏于須鯨背景叫聲下的仿生偽裝水聲通信方法。從人耳聽覺掩蔽效應(yīng)角度出發(fā)實現(xiàn)隱蔽通信效果，將低聲源級的擴頻信號隱藏在高聲源級的須鯨叫聲信號合適的時頻分布區(qū)間。設(shè)計適合該體制的通信幀結(jié)構(gòu)，采用