基于超聲波的仿生噪聲通信方法

基于超聲波的仿生噪聲通信方法

1隱蔽噪聲通信聲音網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境評估、自然災(zāi)害警報、港口和岸附近的檢測，尤其是水下調(diào)查和作戰(zhàn)群體的管理、指揮和調(diào)試方面發(fā)揮著非常重要的作用。為了防止在水期間暴露節(jié)點，檢測非友好節(jié)點或節(jié)點之間的交互式信息，水下通信中的隱蔽性要求越來越高。如何實現(xiàn)水下通信功能又不被發(fā)現(xiàn)是一個具有意義的研究課題,歐洲七國聯(lián)合承擔(dān)的UCAU(UUVcovertacousticcommunication)項目研究的核心內(nèi)容就是隱蔽水下通信.通常水下隱蔽通信方法是使通信信號隱藏于背景噪聲中,即低信噪比條件下的隱蔽通信,如文獻研究了多載波擴頻隱蔽水聲通信技術(shù),文獻研究了直接序列擴頻結(jié)合RAKE接收機技術(shù)的低檢測概率條件下的隱蔽水聲通信技術(shù),文獻研究了多子帶OFDM隱蔽水下通信技術(shù),利用頻率分集合并提高處理增益.這些技術(shù)均是研究在固定載波調(diào)制下的低信噪比隱蔽水下通信技術(shù).由于水聲信道的時間擴展、頻率擴展以及嚴(yán)重的衰減特性,相同聲源級的信號不能實現(xiàn)在不同距離上的隱蔽通信,尤其當(dāng)收發(fā)節(jié)點間存在監(jiān)聽設(shè)備時,將無法實現(xiàn)隱蔽通信.針對傳統(tǒng)隱蔽水聲通信方法存在的問題,本文提出仿生偽裝的方法,采用海洋中固有的海豚叫聲信號作為信息載體,允許通信信號被探測到,但在識別過程中被當(dāng)作海洋生物噪聲排除,達到隱蔽通信的效果,嘗試解決水下隱蔽通信問題.研究了海豚叫聲信號特點,利用海豚哨聲和嘀嗒聲信號實現(xiàn)通信功能.對海豚叫聲信號進行分割,提取出獨立的嘀嗒聲信號,借鑒脈位調(diào)制技術(shù),改進其信息碼元形式,利用海豚嘀嗒聲作為脈沖信號進行通信,信息調(diào)制在相鄰嘀嗒聲的時間間隔上,調(diào)制后的信號與原始海豚叫聲信號在聲音上沒有明顯區(qū)別,具有更高的隱蔽性.由于海豚嘀嗒聲信號不是固定載波,為克服時變、頻變、空變水聲信道對接收信號造成的影響不適合采用判決反饋等信道均衡方法,本文采用壓縮感知理論(compressedsensing,CS)下的匹配追蹤算法(matchingpursuit,MP)在時域進行信道估計,利用虛擬時反鏡技術(shù)實現(xiàn)信道均衡.理論研究和湖上實驗證實了采用仿生學(xué)偽裝的手段實現(xiàn)水聲隱蔽通信的可行性和有效性.2海藻哨聲和化學(xué)信號的時域特性海豚的叫聲信號可以分為三類:被稱為“哨聲”(whistle)的通訊信號、被稱為“嘀嗒聲”(click)的定位信號以及應(yīng)急和模擬信號.通訊信號一般持續(xù)時間從幾百毫秒到幾秒,其主要能量集中在聲頻范圍內(nèi),是一種調(diào)幅和調(diào)頻脈沖信號.定位信號一般持續(xù)時間從幾十毫秒到上百毫秒,信號能量集中在較寬的超聲頻范圍內(nèi),在應(yīng)急和模擬信號方面研究的較少,一般是生物學(xué)家感興趣的領(lǐng)域.對采集到的海豚哨聲和嘀嗒聲信號進行短時傅里葉分析,得到信號的時域波形圖和短時頻譜如圖1和圖2所示.從圖1可以看出,海豚的哨聲信號具有持續(xù)時間長(秒量級)、帶寬大的特點,同時每個海豚哨聲信號譜具有不同的包絡(luò)特性,基于此種特性,利用海豚哨聲信號實現(xiàn)仿生通信的信號同步與識別功能.圖2給出了22個不同的嘀嗒聲的時域波形和短時頻譜圖,嘀嗒聲信號持續(xù)時間短(100—200ms),帶寬從幾百赫茲到數(shù)千赫茲.本文將信息以時延差的形式調(diào)制在相鄰的嘀嗒聲信號之間,以不破壞每個海豚嘀嗒叫聲信號的特點為前提,通過改變不同嘀嗒聲在時域上的位置,來實現(xiàn)信息調(diào)制.在具體的通信過程中,為實現(xiàn)仿生偽裝隱蔽通信的效果,根據(jù)實際情況的需要選擇合適的海豚叫聲信號.例如,在不同海域應(yīng)選擇本地的海豚叫聲信號用于通信;在不同季節(jié)應(yīng)選擇當(dāng)季的海豚叫聲信號用于通信;為了提高通信速率、抑制相鄰碼元間的多途干擾,應(yīng)選擇相關(guān)性良好的海豚叫聲樣本用于通信.所以,需要事先建立一個基于海豚叫聲的仿生信號庫,這樣,在具體的通信過程中只需要從該庫中選擇適當(dāng)?shù)慕新曅盘栍糜谕ㄐ?3根據(jù)海南島聲音模擬通信系統(tǒng)的方案3.1仿生信號傳輸機制設(shè)計基于海豚叫聲的仿生偽裝水聲通信信號幀結(jié)構(gòu)包括兩部分,一部分是由哨聲信號組成的同步序列,另一部分是由海豚嘀嗒聲信號組成的信息編碼序列,在這兩部分之間插入空白信號作為保護間隔,防止多徑引起同步信號與信息序列之間的干擾.具體結(jié)構(gòu)如圖3所示.利用時延差信息編碼原理,通過改變不同嘀嗒聲之間的相對位置來實現(xiàn)對仿生信號的信息調(diào)制.這種通信體制具有很多優(yōu)點:調(diào)制技術(shù)成熟簡單,傳輸穩(wěn)定,功耗低,在速率要求不高的情況下,對信道隨機不均勻性有較強的抗干擾能力,適合在水聲信道下工作.3.2編碼時間的確定時延差信息編碼原理是利用連續(xù)發(fā)射的多個信號,以信號之間的時延差長度代表不同的信息.采用格雷碼編碼方法,使十進制編碼的時延差值轉(zhuǎn)化為二進制后相鄰只存在1bit的不同,以此來提高通信的可靠性.將海豚叫聲信號用于時延差編碼體制中,在不破壞原始的海豚嘀嗒聲信號聲音特性前提下,達到信息傳輸?shù)哪康?滿足本文所研究的基于仿生的通信技術(shù)的需要.如圖4所示τdi(i=1,2,3,···,L)表示每個海豚click叫聲信號相對上一個海豚click叫聲信號的時延差值,即編碼時間;Tpi表示每個海豚click叫聲信號脈寬,Tc為最大編碼時間,若每個碼元攜帶nbit信息,則將編碼時間均勻分為(2n-1)份,編碼量化間隔?τ=Tc/(2n-1),時延差τd為k為二進制信源采用格雷碼編碼后的十進制信息,例如每個碼元攜帶n=6bit信息,則將編碼時間均勻分為63份,若數(shù)字信息為“110110”,則k=36.由于該體制通信系統(tǒng)中每個叫聲信號的寬度不同,編碼時間也不相同,所以系統(tǒng)通信速率為從(2)式可以看出,在不考慮每個海豚叫聲信號寬度不一致的情況下,編碼時間Tc一定時,通信速率與每個碼元攜帶的比特信息數(shù)有關(guān),每個碼元所攜帶的信息量n越大,則通信速率越高,而此時編碼量化間隔?τ就越小,這就對系統(tǒng)的時延估計精度要求越高.由此可見,時延估計的精度越高,則編碼量化層?τ可分得越細,每個碼元所攜帶的信息量也就越大,通信速率越高.3.3可靠性評估和平衡3.3.1信號估計mp假設(shè)一個長度為L的信道,噪聲是方差為σ2的加性高斯白噪聲,信號經(jīng)過此信道后,在接收端信號表示為其中,n=0,1,···,N-1,s(n)為發(fā)射信號,r(n)為接收信號,h(l)為信道的沖激響應(yīng),v(n)為引入的加性高斯白噪聲.將上式改寫為矩陣形式為簡化為其中,sl是訓(xùn)練矩陣S的列向量.由于稀疏多徑信道中抽頭系數(shù)大多數(shù)為零或很小,則接收信號r可以看作是訓(xùn)練矩陣S中的少數(shù)列向量的線性組合.這樣,對接收信號r進行稀疏信號分解,就可以得到信道沖激響應(yīng).本文采用基于壓縮感知理論的匹配追蹤算法實現(xiàn)信道估計.MP算法的基本思想是在每一次的迭代過程中,從過完備原子庫Φ中(字典)選擇與信號最匹配的原子來構(gòu)建信號的稀疏逼近,然后求出逼近后的殘差.繼續(xù)從過完備原子庫中選擇與殘差最匹配的原子,并更新殘差.經(jīng)過多次迭代,直到滿足標(biāo)準(zhǔn)為止.這個標(biāo)準(zhǔn)通常是殘差小于某個很小的值,或者迭代次數(shù)滿足一定值.對于線性模型其中,x∈RM為待估計的稀疏信號,y∈RN為觀測向量,v∈RN為高斯噪聲向量,Φ∈RN×M,且N<MΦ可表示為其中,?i∈RN,i=1,2,···,M,通常稱Φ為詞典或原子庫,?i為詞典中的原子.本文中發(fā)射信號為詞典接收信號為觀測向量,信道沖激響應(yīng)為待估計的稀疏信號MP算法流程為初始化:殘差r0=y,信號估計x0=0和迭代次數(shù)k=0;條件判斷:當(dāng)時,k=k+1;如果:迭代終止.其中λk是被選中的原子在字典Φ中的標(biāo)號例如第k步選出的原子時字典中的原子;γ是一個很小的常量,代表給定的殘差門限.3.3.2vtt-pcr信號模型虛擬時間反轉(zhuǎn)鏡(VTRM)技術(shù)通過對接收到的探測信號進行處理而估計出信道沖激響應(yīng),將接收到的信息碼與估計信道的時間反轉(zhuǎn)做卷積,虛擬的實現(xiàn)時間反轉(zhuǎn)鏡.圖5給出了虛擬式時間反轉(zhuǎn)鏡原理框圖.結(jié)合仿生通信特點,將同步信號,即海豚的哨聲信號作為探測信號wr(t),基于稀疏水聲信道模型,采用匹配追蹤(MP)方法估計出信道沖激響應(yīng)h′(t),將其時間反轉(zhuǎn)h′(-t),接收到的信息信號sr(t)與h′(-t)作卷積,作為最終虛擬接收到的信號r(t),其波形近似于原信息波形s(t),VTRM處理過程表達式如下:記:,稱為虛擬時間反轉(zhuǎn)信道,可視為系統(tǒng)最終經(jīng)過的有效“信道”.當(dāng)h′(t)逼近于h(t)時,二者相匹配,即“多途”信號能量疊加,產(chǎn)生聚焦效應(yīng),此時,近似于信道的h(t)自相關(guān)函數(shù),當(dāng)聲信道較復(fù)雜時其相關(guān)峰可視為“單峰”,其主峰幅度明顯高于旁瓣即其他“多途”信號,可以抑制海洋信道多途擴展產(chǎn)生的碼間干擾,并獲得了聚焦增益,實現(xiàn)均衡的效果.4模擬研究與湖泊試驗4.1仿真結(jié)果與分析為驗證仿生偽裝水聲通信方法以及上述信道估計與均衡算法有效性,通過Matlab軟件對算法進行了蒙特卡羅仿真.采用由文獻開發(fā)的BELLHOP射線模型軟件計算信道沖激響應(yīng),該模型利用高斯波束軌跡法,克服了傳統(tǒng)射線模型中聲影區(qū)強度為零和焦散線截面積為零處聲強度為無窮大的缺陷,信道仿真參數(shù)如表1所示.聲速剖面采用實驗中實測的數(shù)據(jù),如圖6所示.圖7是仿真計算出的信道沖激響應(yīng),該信道多途比較復(fù)雜,最大多途時延約為300ms.仿生信號幀結(jié)構(gòu)如圖3所示,系統(tǒng)采樣率48kHz,其中海豚哨聲信號時長470ms,哨聲信號與嘀嗒聲信號保護間隔100ms,采用格雷碼將二進制信息向表示時延的十進制數(shù)據(jù)映射,信息調(diào)制在相鄰兩個嘀嗒聲間隔,時間分辨率1ms,每幀十個海豚嘀嗒聲,傳遞信息54bit,根據(jù)(2)式,通信速率為42.66bps.由仿真誤碼率曲線圖8可以看出,本文提出的仿生通信體制可以在信道多途比較復(fù)雜且信噪比很低的情況下工作,且經(jīng)過信道均衡后,系統(tǒng)性能有明顯的改善.在信噪比較低的情況下,MP信道估計方法受噪聲影響,估計出的信道沖激響應(yīng)誤差較大,導(dǎo)致均衡后的誤碼率變高,且由于仿真的信道最大多途時延較長,而仿真的信號保護間隔小于信道的最大多途時延,因此估計的信道要比實際的信道長度短,所以均衡后仍存在一定的符號間干擾.當(dāng)信噪比變高時,信道估計比較準(zhǔn)確,均衡后的誤碼率迅速下降.為了更好地驗證上述算法的可靠性和有效性,下面給出湖試結(jié)果.4.2信號特性分析為驗證本文提出的基于海豚叫聲的仿生水聲通信方法的可行性,于2012年10月在黑龍江省海林市蓮花湖進行了湖試.發(fā)射船與接收船處水域深約20m,試驗時,發(fā)射與接收換能器吊放深度均為7m,收、發(fā)節(jié)點分別位于兩艘處于自由漂泊狀態(tài)的船上,風(fēng)浪使節(jié)點間存在緩慢的相對運動,在約2km的通信距離上進行了實驗.為了驗證不同碼元、不同通信速率時的通信效果,分別發(fā)送了包含不同碼元數(shù)的數(shù)據(jù),每幀的碼元數(shù)從5到10不同,每個碼元攜帶6bit信息,試驗中由于水面比較平靜,溫度較低,信道變化不大圖9為實驗過程中采用LFM信號進行拷貝相關(guān)處理后得到信道的多途擴展情況,從圖中可以看出,主要有5條明顯的多途,最大多途時延約為30ms.發(fā)射信號采用圖3所示的幀結(jié)構(gòu),以碼元數(shù)為10時的一組仿生信號舉例,由海豚嘀嗒聲構(gòu)成的信息序列如圖10(a)所示,每個碼元的自相關(guān)性以及和其他碼元的互相關(guān)性如圖10(b)所示,圖中按最大碼元相關(guān)峰值對相關(guān)后的波形進行了歸一化,從圖中可以看出,每個碼元自相關(guān)性較好,相關(guān)峰比較尖銳.但是如圖2所示,由于樣本聲音中含有豐富的線譜,因此其相關(guān)曲線的旁瓣較高.圖10(c)是接收到的嘀嗒聲信息序列.采用MP算法對接收到的信號進行估計信道搜索最大多途數(shù)為50,最大多途時延為35ms,估計的信道沖激響應(yīng)如圖11(a)所示,從圖中可以看出有5條比較明顯的到達路徑,信道的最大多途時延約為30ms,與上述用LFM信號估計的信道沖激響應(yīng)比較符合.對接收信號與發(fā)射信號直接進行相關(guān)和通過VTRM均衡后的相關(guān)曲線分別如圖10(d)和圖10(f)所示,從圖中可以看出,由于信道多途和噪聲的影響,未經(jīng)均衡的信號其相關(guān)性很差,個別信號已經(jīng)無法找到明顯的相關(guān)峰,造成解碼錯誤然而通過VTRM均衡后的信號,相當(dāng)于經(jīng)過了一個信道沖激響應(yīng)近似如圖11(b)所示的信道.圖11(b)是估計出的信道沖激響應(yīng)的自相關(guān),一般稱為時反信道,可以看出若忽略抽頭系數(shù)小于歸一化幅度0.2的路徑,時反信道的多途時延約為2ms,也即虛擬時反后,實現(xiàn)了信道的壓縮和能量的聚焦,改善了信號的相關(guān)特性,如圖10(f)所示,虛擬時反均衡處理后的信號相關(guān)特性較均衡前有明顯的改善.由于湖試中信道除直達聲外,在20ms內(nèi)還有與直達聲強度相仿的強多途,直接采用相關(guān)法測時延產(chǎn)生了較大的誤差,均衡前誤碼率較高,與仿真結(jié)果相比,湖試中均衡后的誤碼率較均衡前的誤碼率下降更迅速,進一步驗證了本文采用虛擬時反均衡在復(fù)雜、強多途信道條件下的優(yōu)勢,也驗證了虛擬時反信道均衡技術(shù)在以海洋生物叫聲為載波的仿生通信系統(tǒng)中的有效性.在通信信號聲音特性上,發(fā)射信號與接收信號具有較高的相似度,克服了傳統(tǒng)固定載波調(diào)制時帶來的聲暴露問題,實現(xiàn)了本文仿生偽裝隱蔽通信的目的.5仿生通信解決方案本文提出了一種基于