一種利用海豚叫聲的仿生水聲通信方法*

劉凇佐 喬鋼 尹艷玲

(哈爾濱工程大學,水聲技術重點實驗室,哈爾濱150001)

(2012年12月2日收到;2013年2月4日收到修改稿)

1 引言

水聲通信網[1]在海洋環境監測、自然災害預警、港口及近岸檢測、特別是對于水下偵察與作戰群體的管理、指揮與調試等方面都有十分重要的作用.為防止水聲通信網工作時節點暴露、非友好節點接入或節點間交互信息時被偵聽,水下通信時對隱蔽性的要求越來越高.

如何實現水下通信功能又不被發現是一個具有意義的研究課題,歐洲七國聯合承擔的UCAU(UUV covert acoustic communication)項目[2]研究的核心內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[3]研究了多載波擴頻隱蔽水聲通信技術,文獻[4]研究了直接序列擴頻結合RAKE接收機技術的低檢測概率條件下的隱蔽水聲通信技術,文獻[5,6]研究了多子帶OFDM隱蔽水下通信技術,利用頻率分集合并提高處理增益.這些技術均是研究在固定載波調制下的低信噪比隱蔽水下通信技術.由于水聲信道的時間擴展、頻率擴展以及嚴重的衰減特性,相同聲源級的信號不能實現在不同距離上的隱蔽通信,尤其當收發節點間存在監聽設備時,將無法實現隱蔽通信.

針對傳統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[7]信號實現通信功能.對海豚叫聲信號進行分割,提取出獨立的嘀嗒聲信號,借鑒脈位調制技術[8],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,信息調制在相鄰嘀嗒聲的時間間隔上,調制后的信號與原始海豚叫聲信號在聲音上沒有明顯區別,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[9]方法,本文采用壓縮感知理論(compressed sensing,CS)[10,11]下的匹配追蹤算法(matching pursuit,MP)[12]在時域進行信道估計,利用虛擬時反鏡技術[13]實現信道均衡.理論研究和湖上實驗證實了采用仿生學偽裝的手段實現水聲隱蔽通信的可行性和有效性.

2 海豚叫聲信號分析

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)的定位信號以及應急和模擬信號[14].通訊信號一般持續時間從幾百毫秒到幾秒,其主要能量集中在聲頻范圍內,是一種調幅和調頻脈沖信號.定位信號一般持續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,在應急和模擬信號方面研究的較少,一般是生物學家感興趣的領域.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.

圖1 海豚哨聲信號時域波形與短時頻譜 (a)哨聲信號時域波形;(b)哨聲信號短時頻譜

從圖1可以看出,海豚的哨聲信號具有持續時間長(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特性[15],基于此種特性,利用海豚哨聲信號實現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,嘀嗒聲信號持續時間短(100—200 ms),帶寬從幾百赫茲到數千赫茲.本文將信息以時延差的形式調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,來實現信息調制.

圖2 海豚嘀嗒聲信號時域波形與短時頻譜 (a)嘀嗒聲信號時域波形;(b)嘀嗒聲信號短時頻譜

在具體的通信過程中,為實現仿生偽裝隱蔽通信的效果,根據實際情況的需要選擇合適的海豚叫聲信號.例如,在不同海域應選擇本地的海豚叫聲信號用于通信;在不同季節應選擇當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,應選擇相關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的叫聲信號用于通信.

3 基于海豚叫聲的仿生水聲通信系統方案

3.1 仿生水聲通信信號幀結構

基于海豚叫聲的仿生偽裝水聲通信信號幀結構包括兩部分,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.具體結構如圖3所示.

圖3 仿生水聲通信信號幀結構

利用時延差信息編碼原理[8],通過改變不同嘀嗒聲之間的相對位置來實現對仿生信號的信息調制.這種通信體制具有很多優點：調制技術成熟簡單,傳輸穩定,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[16].

3.2 海豚嘀嗒聲信息編碼

時延差信息編碼原理[8]是利用連續發射的多個信號,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化為二進制后相鄰只存在1 bit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,達到信息傳輸的目的,滿足本文所研究的基于仿生的通信技術的需要.

圖4 海豚嘀嗒聲時延差編碼示意圖

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n bit信息,則將編碼時間均勻分為(2n-1)份,編碼量化間隔Δτ=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=6 bit信息,則將編碼時間均勻分為63份,若數字信息為“1 1 0 1 1 0”,則k=36.

由于該體制通信系統中每個叫聲信號的寬度不同,編碼時間也不相同,所以系統通信速率為

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有關,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Δτ就越小,這就對系統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Δτ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 信道估計與均衡

3.3.1基于MP算法的稀疏信道估計

假設一個長度為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)為發射信號,r(n)為接收信號,h(l)為信道的沖激響應,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是訓練矩陣S的列向量.由于稀疏多徑信道中抽頭系數大多數為零或很小,則接收信號r可以看作是訓練矩陣S中的少數列向量的線性組合.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.本文采用基于壓縮感知理論的匹配追蹤算法實現信道估計.

MP算法[12]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建信號的稀疏逼近,然后求出逼近后的殘差.繼續從過完備原子庫中選擇與殘差最匹配的原子,并更新殘差.經過多次迭代,直到滿足標準為止[12].這個標準通常是殘差小于某個很小的值,或者迭代次數滿足一定值.

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＜M,Φ可表示為

其中,φi∈ RN,i=1,2,···,M,通常稱 Φ為詞典或原子庫,φi為詞典中的原子.本文中發射信號為詞典,接收信號為觀測向量,信道沖激響應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k=0;

其中λk是被選中的原子在字典Φ中的標號,例如第k步選出的原子時字典中的φλk原子;γ是一個很小的常量,代表給定的殘差門限.

3.3.2虛擬時間反轉鏡信道均衡

虛擬時間反轉鏡(VTRM)技術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,將接收到的信息碼與估計信道的時間反轉做卷積,虛擬的實現時間反轉鏡[13].圖5給出了虛擬式時間反轉鏡原理框圖.

圖5 虛擬式時間反轉鏡原理框圖

結合仿生通信特點,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h′(t),將其時間反轉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：?h(t)=h(t)?h′(-t),稱為虛擬時間反轉信道,可視為系統最終經過的有效“信道”.當h′(t)逼近于h(t)時,二者相匹配,即“多途”信號能量疊加,產生聚焦效應,此時,?h(t)近似于信道的h(t)自相關函數,當聲信道較復雜時其相關峰可視為“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生的碼間干擾,并獲得了聚焦增益,實現均衡的效果.

4 仿真研究與湖試驗證

4.1 仿真研究

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[17,18]開發的BELLHOP射線模型軟件計算信道沖激響應,該模型利用高斯波束軌跡法,克服了傳統射線模型中聲影區強度為零和焦散線截面積為零處聲強度為無窮大的缺陷,信道仿真參數如表1所示.聲速剖面采用實驗中實測的數據,如圖6所示.圖7是仿真計算出的信道沖激響應,該信道多途比較復雜,最大多途時延約為300 ms.

圖6 聲速剖面

表1 信道仿真參數

仿生信號幀結構如圖3所示,系統采樣率48 kHz,其中海豚哨聲信號時長470 ms,哨聲信號與嘀嗒聲信號保護間隔100 ms,采用格雷碼將二進制信息向表示時延的十進制數據映射,信息調制在相鄰兩個嘀嗒聲間隔,時間分辨率1 ms,每幀十個海豚嘀嗒聲,傳遞信息54 bit,根據(2)式,通信速率為42.66 bps.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雜且信噪比很低的情況下工作,且經過信道均衡后,系統性能有明顯的改善.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誤差較大,導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.當信噪比變高時,信道估計比較準確,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,下面給出湖試結果.

圖7 仿真信道沖激響應

圖8 仿真誤碼率曲線

4.2 湖試驗證

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.發射船與接收船處水域深約20 m,試驗時,發射與接收換能器吊放深度均為7 m,收、發節點分別位于兩艘處于自由漂泊狀態的船上,風浪使節點間存在緩慢的相對運動,在約2 km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,分別發送了包含不同碼元數的數據,每幀的碼元數從5到10不同,每個碼元攜帶6 bit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30 ms.

圖9 LFM信號估計的時變信道沖激響應

發射信號采用圖3所示的幀結構,以碼元數為10時的一組仿生信號舉例,由海豚嘀嗒聲構成的信息序列如圖10(a)所示,每個碼元的自相關性以及和其他碼元的互相關性如圖10(b)所示,圖中按最大碼元相關峰值對相關后的波形進行了歸一化,從圖中可以看出,每個碼元自相關性較好,相關峰比較尖銳.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,搜索最大多途數為50,最大多途時延為35 ms,估計的信道沖激響應如圖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30 ms,與上述用LFM信號估計的信道沖激響應比較符合.對接收信號與發射信號直接進行相關和通過VTRM均衡后的相關曲線分別如圖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,未經均衡的信號其相關性很差,個別信號已經無法找到明顯的相關峰,造成解碼錯誤;然而通過VTRM均衡后的信號,相當于經過了一個信道沖激響應近似如圖11(b)所示的信道.圖11(b)是估計出的信道沖激響應的自相關,一般稱為時反信道,可以看出若忽略抽頭系數小于歸一化幅度0.2的路徑,時反信道的多途時延約為2 ms,也即虛擬時反后,實現了信道的壓縮和能量的聚焦,改善了信號的相關特性,如圖10(f)所示,虛擬時反均衡處理后的信號相關特性較均衡前有明顯的改善.

圖10 發射與接收仿生通信信號時域波形和相關特性

圖11 估計的信道沖激響應與時反信道沖激響應

由于湖試中信道除直達聲外,在20 ms內還有與直達聲強度相仿的強多途,直接采用相關法測時延產生了較大的誤差,均衡前誤碼率較高,與仿真結果相比,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雜、強多途信道條件下的優勢,也驗證了虛擬時反信道均衡技術在以海洋生物叫聲為載波的仿生通信系統中的有效性.在通信信號聲音特性上,發射信號與接收信號具有較高的相似度,克服了傳統固定載波調制時帶來的聲暴露問題,實現了本文仿生偽裝隱蔽通信的目的.

5 結論

本文提出了一種基于海豚叫聲信號的仿生偽裝水聲通信方法,與傳統低信噪比條件下的擴頻、OFDM、混沌隱蔽通信相比,本方法采用海洋中固有的海豚叫聲作為信息載體,信息調制在相鄰海豚嘀嗒叫聲信號的時間間隔上,使探測方將仿生通信信號作為海洋生物叫聲主動排除達到隱蔽通信的目的,通信時不需要考慮降低信噪比的問題,提高了隱蔽通信距離和可靠性.從仿生角度解決水下隱蔽通信的問題,為防止水下通信網工作時節點暴露、非友好節點接入或節點間交互信息時被偵聽提供了很好的解決方案.最后通過外場實驗驗證了該仿生水聲通信方法的可行性和有效性,接收信號與發射信號在聲音上有較高的相似度,達到了仿生隱蔽水聲通信的效果.

[1]Sozer E M,Stojanovic M,Proakis JG 2000 IEEEJ.Oceanic Eng.25 72

[2]van Walree PA,Leus G 2009 IEEEJ.Oceanic Eng.34 645

[3]van Walree PA,Sangfelt E,Leus G 2008 Oceans 2008 Quebec City,Canada,September 15—18 2008 p264

[4]Ling J,He H,Li JA,Roberts W,Stoica P 2010 J.Acoust.Soc.Am.128 2898

[5]Leus G,van Walree PA 2008 IEEEJ.Sel.Area Commun.26 1662

[6]Leus G,van Walree P,Boschma J,Fanciullacci C,Gerritsen H,Tusoni P,2008 Oceans 2008 Quebec City,Canada,September 15—18 2008 p391

[7]Clausen K T,Wahlberg M,Beedholm K,Deruiter S,Madsen PT 2010 Bioacoustics Inter.J.A.S.Rec.20 1

[8]Yin JW,Hui JY,Wang Y L,Hui J2007Acta Phys.Sin.56(in Chinese)[殷敬偉,惠俊英,王逸林,惠娟2007物理學報56 56]

[9]Stojanovic M,Catipovic JA,Proakis JG 1994 IEEE J.Oceanic Eng.19 100

[10]Donoho D L 2006 IEEETrans.Inf.Theory 52 1289

[11]Candes EJ,Romberg J,Tao T 2006 IEEETrans.Inf.Theory 52 489

[12]Cotter SF,Rao B D 2002 IEEETrans.Commun.50 374

[13]Yin JW,Wang Y L,Wang L,Hui JY 2009 Chin.Sci.Bull.54 1302

[14]Lammers M O,Au W W L,Herzing D L 2003 J.Acoust.Soc.Am.114 1629

[15]Sims PQ,Vaughn R,Hung SK,Wuersia B 2012 J.Acoust.Soc.Am.131 EL48

[16]Yin JW,Zhang X,Sheng X L,Sun C 2012 Acta Commun.6 121(in Chinese)[殷敬偉,張曉,生雪莉,孫超2012通信學報6 121]

[17]Siderius M,Porter M B 2008 J.Acoust.Soc.Am.124 137

[18]BELLHOP gaussian beam/finite element beam code Porter M http：//oalib.hlsresearc-h.com/Rays/index.html[2011-11-11]