基于水聲傳感器的高保真加密傳輸方法

齊 娜，傅 巍，李金平，呂 穎，劉海龍

（中國電子科技集團公司第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150028）

0 引 言

水下目標(biāo)探測作為一種檢測、定位、識別和跟蹤的手段越來越受到各國海洋探測領(lǐng)域的關(guān)注。海上測量船具有機動性強、靈活性大、測量范圍大等特點［1］。由于海洋資源的重要性，海洋上各種艦船目標(biāo)的自動檢測方法不斷更新，對海洋目標(biāo)檢測意義重大。目標(biāo)檢測方法的解決思路主要是基于模板匹配、知識標(biāo)識、圖像分析及其學(xué)習(xí)等方法［2］。目前，通過聲納探測的方法也得到廣泛應(yīng)用。在海洋中通過聲納探測器收集的目標(biāo)信息通常是通過無線傳輸形式輸送給上位機進(jìn)行信息處理。在報文傳輸過程中面臨眾多安全風(fēng)險，極易被外來入侵設(shè)備截獲。國內(nèi)在水聲探測領(lǐng)域大力發(fā)展探測技術(shù)，但對水聲探測器的信息傳輸安全方面研究薄弱。如何快速安全地將承載的目標(biāo)信息高效融合、加密是當(dāng)前急需解決的問題，為海洋水聲探測信息交換及傳輸工作創(chuàng)造穩(wěn)定、可靠的環(huán)境。通常信息加密采用軟件加密方式，但在海洋上軟件加密方式需要的處理器相對復(fù)雜且加密速度慢，滿足不了信息實時性及小型化要求。

目前，數(shù)據(jù)的隱私安全問題日益凸顯，對于數(shù)據(jù)的保護意識及相關(guān)措施手段已提上日程［3～5］。用于數(shù)據(jù)加、解密的算法有許多，公用密鑰（RSA）密碼體質(zhì)是一種模冪運算的加密體質(zhì)，是唯一被廣泛接受和應(yīng)用的一種體質(zhì)，本文結(jié)合現(xiàn)場可編程門陣列（field programmable gate array，F(xiàn)PGA ）高速數(shù)字處理芯片為目標(biāo)信息進(jìn)行融合、加密、編碼，為目標(biāo)信息提供可靠、安全的傳輸環(huán)境［6，7］。本文提出了一種加密信息簇式高保真海上目標(biāo)探測方法。利用高精度水聲探測組件及FPGA高速數(shù)字處理器，結(jié)合RSA數(shù)字加密算法實現(xiàn)目標(biāo)信息在海上可靠、安全的無線數(shù)字傳輸，并在數(shù)據(jù)終端通過界面顯示。

1 相關(guān)理論

1.1 水聲傳感器的目標(biāo)判別與定位

水聲主被動定位系統(tǒng)的工作原理要求完成大量的互相關(guān)、自相關(guān)、快速傅里葉變換（FFT）、求互譜等運算［8］。信號處理原理框圖如圖1所示。

圖1 信號處理框圖

多功能水下浮標(biāo)檢測到目標(biāo)信號后，利用直方圖方位估計方法對目標(biāo)信號進(jìn)行方位估計（目標(biāo)相對于水聽器的方位θ）。直方圖方位估計是一種統(tǒng)計方法，是在聲壓、振速共扼互譜的基礎(chǔ)上對每一個頻點進(jìn)行方位估計，然后對所有頻點的方位估計值進(jìn)行直方圖統(tǒng)計得到某一時刻的方位估計曲線，曲線最大值對應(yīng)的方位即為目標(biāo)方位估計值。單矢量水聲傳感器輸出聲壓p（t）和振速vx（t），vy（t）信號，矢量平均聲強值為

遠(yuǎn)場平面波的聲壓函數(shù)為［9～11］

對聲壓函數(shù)求微分得

該式為歐拉方程，對歐拉方程進(jìn)行積分進(jìn)而可求出振速函數(shù)為

式中 ρ為介質(zhì)密度，ω為角頻率，c 為角頻率，k ＝ω／c 為波數(shù)，r為位置矢量，Δ為梯度運算。

對于平面波等聲場環(huán)境下，聲學(xué)歐姆定律有效，此時聲壓函數(shù)與振速函數(shù)的關(guān)系式為［12，13］

式中 x（t）為目標(biāo)信號，np（t）為環(huán)境噪聲干擾信號，θ為水平方位角。

另外，為了實現(xiàn)方位直方圖統(tǒng)計，需要對每個頻點進(jìn)行方位估計，方位計算的表達(dá)式為

Iy（f）和Ix（f）為聲強流譜由式（6）估計出的方位與頻率f有關(guān)，不同頻點處的方位估計值有所差別，寬帶信號中如果存在周期性的強干擾或存在多目標(biāo)的情況下，平均聲強器無法得到目標(biāo)的真實方位，只能測得合成聲強流的方位，而且方位估計結(jié)果會偏向強度大的干擾（或強目標(biāo)）方位。而用直方圖統(tǒng)計的方法在單目標(biāo)時可以將線譜或窄帶強干擾抑制，在多目標(biāo)中含線譜信號時可以區(qū)分多目標(biāo)。直方圖統(tǒng)計主要是進(jìn)行各頻點的方位估計值統(tǒng)計，如果以1°作為統(tǒng)計間隔，則可以表示為

式中 ［］為取整運算，某個頻點f的方位估計值θ（f）轉(zhuǎn)換為角度后取整得到k。φ為一個數(shù)組，用于存放一次方位估計中所有在［-180° 180°］中各個角度的頻數(shù)，初始化時該數(shù)組為零，每得到1 個k 后，數(shù)組中對應(yīng)角度的頻數(shù)值φ（k）加1。最后統(tǒng)計結(jié)果即為方位估計結(jié)果［14，15］。

1.2 加、解密算法

加密算法采用非對稱加密算法RSA，其加密端和解密端使用不同的密鑰，并且解密端使用的密鑰不能從加密端使用的密鑰推導(dǎo)出，這樣就使得密鑰分發(fā)簡單，而且存儲的空間減少，這是由于需要保存的密鑰量少［16］。本文將多組數(shù)據(jù)以信息排列的方式融合成單組數(shù)據(jù)串，并加密信息簇的方式轉(zhuǎn)化成密文，加密算法采用非對稱加密算法RSA，經(jīng)過加密的數(shù)據(jù)串以密碼報文的形式通過RS-485數(shù)據(jù)傳輸格式送出。RSA 加、解密算法原理框圖如圖2所示。

圖2 加、解密原理框圖

1.2.1 RSA加密初始化［17］

1）系統(tǒng)產(chǎn)生2個大素數(shù)p，q（保密）；

2）計算n ＝p ×q（公開），歐拉函數(shù)φ（n）＝（p -1）×（q-1）（保密）；

3）隨機選取整數(shù)e（公開）作為公鑰，滿足gcd（e，φ（n））＝1；

4）計算解密密鑰d（保密）作為私鑰，滿足e×d ＝1 mod（φ（n））；也就是說d ＝e-1mod（φ（n）），銷毀p，q，φ（n）。

1.2.2 RSA加、解密算法

1）首先將明文分塊并數(shù)字化，每個數(shù)字化明文塊的長度應(yīng)不大于［log2n］（算出二進(jìn)制的最多位），然后對每個明文塊m（0 ＜m ＜n）依次進(jìn)行加密變換和解密變換；

2）加密變換：使用公鑰e加密明文m，即c ＝memod（n）；

3）解密變換：使用私鑰d獲得明文m，即m ＝cdmod（n）。

1.3 模冪算法

RSA加解密過程實際難點就是模冪運算的過程，為了達(dá)到足夠的安全性，目前模數(shù)N至少為1 024 位，數(shù)據(jù)運算量大，因此，本文設(shè)計選擇基2 的Montgomery 作為模冪的核心算法?；?的模冪算法描述主要為選取A，B，N，滿足A ＜N，B ＜N，N ＜R ＝2n，gcd（N，2）＝1

令S0＝0，i從0至n-1循環(huán)

如果S0＞N，那么Sn-N 為計算結(jié)果，否則Sn為計算結(jié)果［18］。

2 海上目標(biāo)探測方法模型

深海區(qū)存在目標(biāo)信號與海雜［19］，目標(biāo)信號在深海區(qū)經(jīng)過預(yù)處理后的矢量水聽器相互正交的2個方向的聲信號信息vx，vy和聲壓水聽器聲壓信號p（t）經(jīng)過24 位高精度模／數(shù)（A／D）采集后進(jìn)入綜合處理器FPGA，多組承載著被測目標(biāo)信息的數(shù)組進(jìn)入FPGA 數(shù)字處理器完成信息的融合、加密、編碼。首先，將多組以信息排列的方式融合成單組數(shù)據(jù)串并加密信息簇的方式轉(zhuǎn)換成密文，加密算法采用非對稱加密算法RSA，經(jīng)過加密的數(shù)據(jù)串以密碼報文的形式通過RS-485數(shù)據(jù)傳輸格式送出，在無線傳輸過程確保信息的安全性。

海上目標(biāo)探測系統(tǒng)主要包括水聲探測組件，高精度A／D采集組件，F(xiàn)PGA數(shù)字處理器，無線數(shù)字傳輸單元及上位機顯示界面。水聲探測組件位于深海區(qū)，高精度數(shù)字處理單元級無線數(shù)字傳輸組件位于淺水區(qū)。解密盒及上位機顯示界面位于接收終端。探測原理如圖3所示。

圖3 海上目標(biāo)探測原理框圖

2.1 水聲探測組件

水聲探測組件包括磁傳感器、矢量水聲傳感器、聲壓水聲傳感器，目標(biāo)信號通過水聲探測組件轉(zhuǎn)換為微弱的電信號，水聲探測組件的輸出信號中既包括目標(biāo)信號，還包括各種噪聲源產(chǎn)生的噪聲，這種混合信號需經(jīng)過放大、濾波、隔離等方式進(jìn)行預(yù)處理。水聲信號由聲壓水聽器和矢量水聽器進(jìn)入水聲探測組件電路進(jìn)行初步處理后，再由處理電路進(jìn)行處理。磁傳感器敏感軸正方向與矢量水聲傳感器的y軸振速通道平行，其輸出的數(shù)字信號直接通過FPGA 硬件處理器進(jìn)行信息加密。

2.2 數(shù)字處理單元

如圖4所示，高精度數(shù)字處理單元包括高精度A／D采集組件，F(xiàn)PGA數(shù)字處理器及無線數(shù)字傳輸單元。高精度A／D采集組件包括3組數(shù)字采集器，利用24位高速數(shù)字采集芯片ADS1256實現(xiàn)信號的高度還原。3組數(shù)字采集器同時同時工作，0 時差同步采集，保證水聲信號的高精度、高保真。FPGA數(shù)字處理器完成信息的融合、加密、編碼。多組承載著被測目標(biāo)信息的數(shù)組進(jìn)入FPGA后首先進(jìn)行預(yù)處理，同時會先將3組采集到的聲信號與磁信號排列、組合成一個數(shù)據(jù)串送給加密模塊進(jìn)行加密處理。加密后的數(shù)據(jù)會按照特定的幀格式從IO口送出。數(shù)據(jù)串以密碼報文的形式通過485數(shù)據(jù)傳輸格式送出，在無線傳輸過程確保信息的安全性。數(shù)字系統(tǒng)處理框圖如圖4所示。

圖4 數(shù)字處理系統(tǒng)框圖

無線數(shù)字傳輸組件利用LoRa 擴頻技術(shù)實現(xiàn)遠(yuǎn)距離高可靠傳輸，無線數(shù)字傳輸組件糾錯能力強，在突發(fā)干擾的情況下，能主動糾正被干擾的數(shù)據(jù)包。

2.3 FPGA硬件編程

FPGA接到開始命令后，對FPGA 內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置，并對串口格式進(jìn)行配置，加密數(shù)據(jù)以128 位為1 組，接收16組數(shù)據(jù)后，F(xiàn)PGA內(nèi)部會生成1 組密鑰對128 位數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，加密后的數(shù)據(jù)拆分成16 幀數(shù)據(jù)，通過串口發(fā)送給無線傳輸模塊驅(qū)動程序，并通過無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機。

FPGA在加密、解密過程中大部分使用乘法器和加法器。乘法器和加法器主要耗費數(shù)字信號處理器（look-up table，LUT）和查找表（look-table，L-T）［20］。因此，在程序代碼寫入時要注意FPGA內(nèi)部資源的規(guī)劃，程序流程如圖5所示。

圖5 加、解密流程

3 加、解密仿真

在QuartusⅡ仿真軟件下的加、解密部分仿真［21］，運算中的數(shù)據(jù)長度設(shè)置為32位，加密后的密文發(fā)送到海上無線網(wǎng)絡(luò)上，設(shè)置n 為取模的模值，clk 為時鐘信號，頻率為33 M，rst為復(fù)位信號，rdy 為加密完成指示信號。2 個大素數(shù)p ＝999 959，q ＝998 117。經(jīng)過計算得出私鑰d ＝625 901 391 693，明文為625 901 391 693，加密后的密文為983 662232742，解密后信息為625901391693。從仿真結(jié)果中可以看出，經(jīng)過加密后的明文能夠成功解密回來。其中時鐘信號和復(fù)位信號與加密部分一致。

4 實 驗

深海中聲道受海水表面波浪、洋流和季節(jié)變化的影響小，水聲環(huán)境較為理想，正常的測量應(yīng)在深海放置水聲探測組件，聲道效應(yīng)更加穩(wěn)定。但由于實驗條件有限，實驗僅在潛水中完成，水聲探測系統(tǒng)在淺海域中的探測距離嚴(yán)重地受高衰減和有限水深限制，前者是由聲波與海面、海底的相互作用引起，后者造成了無法遠(yuǎn)距離聲傳播的弊端［22］。

實驗由于水深的影響，只接收到了水聽器聲壓信號，對聲壓信號進(jìn)行頻譜分析依然可以粗略分析到目標(biāo)信號的部分信息。取不同探測距離下采集數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域譜級分析，積分時間1 s。由圖6（a）可以看出，在800 Hz 處出現(xiàn)譜級最大值，以800 Hz處譜級為標(biāo)準(zhǔn)做歸一化，得到帶內(nèi)噪聲譜級約為-50 dB，比接收信號低50 dB。

圖6 遠(yuǎn)、近距離測試下數(shù)據(jù)頻域分析

由圖6（b）可知，系統(tǒng)接收到的信號頻譜歸一化圖，可以看到帶內(nèi)噪聲比信號譜級低60 dB左右。根據(jù)被動探測聲納方程中

按距離傳播損失TL ＝20logR計算，2000 m距離傳播損失為66 dB，500 m距離傳播損失為54 dB，相差12 dB。分析圖6（a）為2 000 m距離下探測結(jié)果，圖6（b）為500 m距離下探測結(jié)果。

5 結(jié) 論

本文采用RSA加、解密方式實現(xiàn)了海上目標(biāo)探測的空間安全傳輸，通過高精度水聲探測組件及FPGA 高速數(shù)字處理器實現(xiàn)目標(biāo)信息的采集、融合、加密、傳輸?shù)?。利用?shù)字處理手段，將目標(biāo)信號的正交的矢量水聲和聲壓水聲信號0時差采集和磁信號共同通過簇式加密的方式將信號同步無線傳輸給上位機。經(jīng)過實驗表明，本文實驗?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)高精度高保真目標(biāo)信息還原。