本發(fā)明涉及低截獲概率通信波形設(shè)計(jì)，尤其是涉及一種基于海洋哺乳類動(dòng)物聲音信號(hào)合成的低截獲概率通信波形設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

水下低截獲通信聲吶著重在于信息的保密能力以及接收端的還原能力。雖然近些年低截獲聲吶通信系統(tǒng)發(fā)展較快，然而大部分是具有特性形式的信號(hào)。由于水聲信道的特點(diǎn)使得相同聲源級(jí)的信號(hào)并不能實(shí)現(xiàn)在不同距離上的低截獲通信?；诖?，提出了通過仿生信號(hào)作為信息載體的方法，與單純的降低信噪比不同，仿生是利用海洋中所存在的生物信號(hào)作為調(diào)制波形。這種信號(hào)可以取自鯨魚、海豚或者其它海洋哺乳類動(dòng)物聲音。海豚或者海洋哺乳類動(dòng)物聲音利用聲信號(hào)來進(jìn)行通信，其主要利用聲音信號(hào)來進(jìn)行通信。這種通信方式允許通信信號(hào)被檢測(cè)到，但是識(shí)別時(shí)會(huì)被當(dāng)作海洋生物噪聲探測(cè)，達(dá)到低截獲通信的目的，然而這種方法攜帶信息較少，并不利于實(shí)時(shí)通信。

水下聲吶系統(tǒng)可以利用擬合仿生信號(hào)，即通過利用其他信號(hào)構(gòu)造海豚或者海洋哺乳類動(dòng)物聲音信號(hào)的方法進(jìn)行信息隱藏，截獲端接收到信號(hào)后會(huì)被認(rèn)為是生物噪聲而增加了信號(hào)的保密能力，并且信息攜帶量有所增加，實(shí)現(xiàn)聲吶的低截獲通信。

針對(duì)傳統(tǒng)的海洋低截獲通信存在的問題，本發(fā)明提出擬合仿生信號(hào)的方法，這樣可以大大提高信息的保密能力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于海洋哺乳類動(dòng)物信號(hào)合成的低截獲概率波形設(shè)計(jì)方法。該方法利用高斯函數(shù)、高斯函數(shù)的導(dǎo)數(shù)或者橢球波函數(shù)等基本小波函數(shù)及其導(dǎo)函數(shù)跟海洋哺乳類動(dòng)物聲音信號(hào)的相似性，將高斯函數(shù)、高斯函數(shù)的導(dǎo)數(shù)或者橢球波函數(shù)等基本小波函數(shù)及其導(dǎo)函數(shù)作為擬合海洋哺乳類動(dòng)物聲音信號(hào)的基函數(shù)。擬合成的仿海洋哺乳類動(dòng)物聲音信號(hào)在被截獲時(shí)，也會(huì)被當(dāng)作海洋生物噪聲處理，而從達(dá)到低截獲概率通信的目的。而且擬合一個(gè)海洋哺乳類動(dòng)物聲音單脈沖需要多種高斯函數(shù)、高斯函數(shù)的導(dǎo)數(shù)或者橢球波函數(shù)等基本小波函數(shù)，所以可以把信息調(diào)制在這幾個(gè)波形中。相比于基于時(shí)延差的信息攜帶方式來說，這種方法使信息攜帶量有所增加，并且編碼的靈活性有所增強(qiáng)。

而要對(duì)海洋哺乳類動(dòng)物聲音信號(hào)進(jìn)行擬合，首先要對(duì)海洋哺乳類動(dòng)物的聲音信號(hào)的時(shí)域、頻域以及模糊函數(shù)進(jìn)行分析。對(duì)海洋哺乳類動(dòng)物聲音信號(hào)的分析，將作為判定信號(hào)擬合效果的依據(jù)。

其次通過高斯函數(shù)、高斯函數(shù)的導(dǎo)數(shù)或者橢球波函數(shù)等基本小波函數(shù)及各階導(dǎo)數(shù)進(jìn)行海洋哺乳類動(dòng)物聲音信號(hào)的擬合，需要對(duì)高斯函數(shù)、高斯函數(shù)的導(dǎo)數(shù)或者橢球波函數(shù)等基本小波函數(shù)及其導(dǎo)函數(shù)進(jìn)行分析。

一個(gè)高斯脈沖p(t)可以用下列表達(dá)式進(jìn)行描述：

其中σ為標(biāo)準(zhǔn)差。

高斯函數(shù)、高斯函數(shù)的導(dǎo)數(shù)或者橢球波函數(shù)等基本小波函數(shù)具有各階導(dǎo)函數(shù)形式，其表達(dá)式如下所示：

式中n表示求導(dǎo)的階數(shù)。

高斯函數(shù)、高斯函數(shù)的導(dǎo)數(shù)或者橢球波函數(shù)等基本小波函數(shù)的求導(dǎo)階數(shù)越高，則過零點(diǎn)的數(shù)目越多，且頻率也越高。而且，高斯函數(shù)、高斯函數(shù)的導(dǎo)數(shù)或者橢球波函數(shù)等基本小波函數(shù)的各階導(dǎo)函數(shù)之中，自相關(guān)性較強(qiáng)而互相關(guān)性較弱，這為擬合海洋哺乳類動(dòng)物的聲音信號(hào)提供了理論依據(jù)。聲音脈沖串具有相似的特點(diǎn)，因此只要計(jì)算出聲音脈沖串的包絡(luò)，就可以用高斯函數(shù)、高斯函數(shù)的導(dǎo)數(shù)或者橢球波函數(shù)等基本小波函數(shù)及其各階導(dǎo)函數(shù)進(jìn)行擬合。

在許多情況下，單個(gè)脈沖所具備的特征并不能滿足某些要求，所以本發(fā)明使用n個(gè)高斯函數(shù)、高斯函數(shù)的導(dǎo)數(shù)或者橢球波函數(shù)等基本小波函數(shù)的線性組合，每個(gè)高斯函數(shù)、高斯函數(shù)的導(dǎo)數(shù)或者橢球波函數(shù)等基本小波函數(shù)認(rèn)為是n維空間中的基函數(shù)。高斯線性組合函數(shù)的權(quán)重則與最終擬合海洋哺乳類動(dòng)物的聲音信號(hào)的效果有關(guān)。

本發(fā)明用高斯函數(shù)、高斯函數(shù)的導(dǎo)數(shù)或者橢球波函數(shù)等基本小波函數(shù)擬合海洋哺乳類動(dòng)物聲音信號(hào)的過程如下：

步驟一：提取出海洋哺乳類動(dòng)物聲音信號(hào)的包絡(luò)；

步驟二：求得該信號(hào)包絡(luò)的極值點(diǎn)；

步驟三：提取出極值點(diǎn)間的波形；

步驟四：產(chǎn)生n個(gè)基本小波函數(shù)的線性組合；

步驟五：將組合函數(shù)與極值點(diǎn)間的波形進(jìn)行相關(guān)并取最值；

步驟六：設(shè)定一個(gè)迭代值，將步驟三～步驟五的過程進(jìn)行迭代,不斷調(diào)整線性組合函數(shù)的權(quán)重。

其中步驟一具體為對(duì)海洋哺乳類動(dòng)物聲音原始信號(hào)求hilbert變換，然后求得其解析式，其幅度變化即為對(duì)應(yīng)的原始信號(hào)的包絡(luò)變化；

原始信號(hào)x(t)的希爾伯特變換為：

得到的解析表達(dá)式為：

則得到解析表達(dá)式的幅度為：

其幅度變化即為對(duì)應(yīng)的原始信號(hào)的包絡(luò)變化。

其中步驟二具體為通過對(duì)于原始信號(hào)求微分，通過微分函數(shù)為零，求得一系列的解，其對(duì)應(yīng)的位置即為一系列不同的極值點(diǎn)；

設(shè)函數(shù)x(t)在變量的一個(gè)鄰域內(nèi)有定義，若對(duì)于該鄰域內(nèi)已于該變量都恒存在：x(t)＜f(x0)或者x(t)＞f(x0)，則分別稱為改點(diǎn)為最大值或者最小值，如該函數(shù)x(t)在該點(diǎn)處可導(dǎo)，則在該點(diǎn)處取得極值，則：x'(t)＝0成立。

其中步驟四中的基本小波函數(shù)為高斯函數(shù)、橢球波函數(shù)或者扁長(zhǎng)橢球波函數(shù)。

對(duì)于最終擬合出的仿海洋哺乳類動(dòng)物聲音信號(hào)，分析該信號(hào)的抗噪聲性能，保證擬合后的信號(hào)正常通信，可以符合通信要求。

本發(fā)明提出用高斯函數(shù)、高斯函數(shù)的導(dǎo)數(shù)或者橢球波函數(shù)等基本小波函數(shù)及其導(dǎo)函數(shù)來擬合海洋哺乳類動(dòng)物聲音信號(hào)，并將最終的擬合信號(hào)應(yīng)用于低截獲概率通信波形設(shè)計(jì)中。

采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明利用了高斯函數(shù)、高斯函數(shù)的導(dǎo)數(shù)或者橢球波函數(shù)等基本小波函數(shù)與海洋哺乳類動(dòng)物聲音信號(hào)的相似性，將高斯函數(shù)、高斯函數(shù)的導(dǎo)數(shù)或者橢球波函數(shù)等基本小波函數(shù)及其導(dǎo)函數(shù)作為擬合海洋哺乳類動(dòng)物聲音信號(hào)的基函數(shù)，使得擬合成的仿海洋哺乳類動(dòng)物聲音信號(hào)在被截獲時(shí)，也會(huì)被當(dāng)作海洋生物噪聲處理，而從達(dá)到低截獲概率通信的目的。并且將信息調(diào)制在擬合海洋哺乳類動(dòng)物聲音信號(hào)的幾個(gè)高斯函數(shù)、高斯函數(shù)的導(dǎo)數(shù)或者橢球波函數(shù)等基本小波函數(shù)中，使得攜帶信息有所增多，編碼的靈活性有所增強(qiáng)。

附圖說明

圖1是海豚聲音信號(hào)的時(shí)域、頻域分析圖及信號(hào)模糊函數(shù)圖。

圖2是本發(fā)明提供的高斯函數(shù)、高斯函數(shù)的導(dǎo)數(shù)或者橢球波函數(shù)等基本小波函數(shù)的各階導(dǎo)函數(shù)時(shí)域圖。

圖3是本發(fā)明提供的高斯函數(shù)、高斯函數(shù)的導(dǎo)數(shù)或者橢球波函數(shù)等基本小波函數(shù)自相關(guān)及與其他階數(shù)導(dǎo)函數(shù)的互相關(guān)特性圖。

圖4是本發(fā)明提供的高斯函數(shù)、高斯函數(shù)的導(dǎo)數(shù)或者橢球波函數(shù)等基本小波函數(shù)構(gòu)造海豚聲音信號(hào)的擬合流程圖；

圖5為海豚原始信號(hào)的包絡(luò)圖；

圖6為高斯函數(shù)、高斯函數(shù)的導(dǎo)數(shù)或者橢球波或者扁長(zhǎng)橢球波函數(shù)等基本小波函數(shù)的線性組合圖；

圖7為海豚信號(hào)與重構(gòu)信號(hào)的相關(guān)特性圖。

具體實(shí)施方法

為使本發(fā)明的目的、方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

對(duì)海洋哺乳類動(dòng)物聲音信號(hào)進(jìn)行擬合，首先要對(duì)海洋哺乳類動(dòng)物聲音信號(hào)的時(shí)域、頻域以及模糊函數(shù)進(jìn)行分析。

海洋哺乳類動(dòng)物聲音進(jìn)行通信時(shí)發(fā)出的是聲音脈沖串，通過對(duì)信號(hào)的模糊度函數(shù)，可以分析出其速度分辨率和距離分辨率。本實(shí)施例以海豚為例，見圖1，通過信號(hào)的模糊度函數(shù)可以看出，海豚聲音信號(hào)的距離分辨力較低，但是其速度分辨力較高，雖然距離分辨力不高，但是若只是作為低截獲通信是綽綽有余的。以上對(duì)海豚聲音信號(hào)的分析，將作為判定信號(hào)擬合效果的依據(jù)。

本發(fā)明實(shí)施例是通過高斯函數(shù)、高斯函數(shù)的導(dǎo)數(shù)或者橢球波函數(shù)等基本小波函數(shù)及各階導(dǎo)數(shù)進(jìn)行海豚聲音信號(hào)的擬合，因此還需要對(duì)高斯函數(shù)、高斯函數(shù)的導(dǎo)數(shù)或者橢球波函數(shù)等基本小波函數(shù)及其導(dǎo)函數(shù)進(jìn)行分析。

一個(gè)高斯脈沖p(t)可以用下列表達(dá)式進(jìn)行描述：

其中σ為標(biāo)準(zhǔn)差。

高斯函數(shù)、高斯函數(shù)的導(dǎo)數(shù)或者橢球波函數(shù)等基本小波函數(shù)具有各階導(dǎo)函數(shù)形式，其表達(dá)式如下所示：

式中n表示求導(dǎo)的階數(shù)。

本發(fā)明分析高斯函數(shù)、高斯函數(shù)的導(dǎo)數(shù)或者橢球波函數(shù)等基本小波函數(shù)的前15階導(dǎo)函數(shù)，如圖2所示。顯然，求導(dǎo)階數(shù)越高，過零點(diǎn)的數(shù)目就越多，并且其頻率越高。

高斯脈沖的n階導(dǎo)數(shù)的幅度譜為：

設(shè)當(dāng)f＝fm時(shí)|xn(f)|取最大值，則fm稱為最大峰值發(fā)射頻率，fm可通過對(duì)上式求導(dǎo)并令其為零求出：

取高斯函數(shù)、高斯函數(shù)的導(dǎo)數(shù)或者橢球波函數(shù)等基本小波函數(shù)的自相關(guān)及與剩下15階導(dǎo)數(shù)的互相關(guān)可以得到如圖3所示結(jié)果。高斯函數(shù)、高斯函數(shù)的導(dǎo)數(shù)或者橢球波函數(shù)等基本小波函數(shù)的各階導(dǎo)函數(shù)之中，自相關(guān)性較強(qiáng)而互相關(guān)性較弱，這為擬合海豚的聲音信號(hào)提供了理論依據(jù)。聲音脈沖串具有相似的特點(diǎn)，因此只要計(jì)算出聲音脈沖串的包絡(luò)，就可以用高斯函數(shù)、高斯函數(shù)的導(dǎo)數(shù)或者橢球波函數(shù)等基本小波函數(shù)及其各階導(dǎo)函數(shù)進(jìn)行擬合。

在許多情況下，單個(gè)脈沖所具備的特征并不能滿足某些要求，所以本發(fā)明使用n個(gè)高斯函數(shù)、高斯函數(shù)的導(dǎo)數(shù)或者橢球波函數(shù)等基本小波函數(shù)的線性組合，每個(gè)高斯函數(shù)、高斯函數(shù)的導(dǎo)數(shù)或者橢球波函數(shù)等基本小波函數(shù)認(rèn)為是n維空間中的基函數(shù)。高斯線性組合函數(shù)的權(quán)重則與最終擬合海豚聲音信號(hào)的效果有關(guān)。用數(shù)學(xué)式表達(dá)：

其中，si為權(quán)重系數(shù)。gi(t)表示第i階導(dǎo)數(shù)。

f(f)為f(t)的傅立葉變換。

見圖4的流程圖，本發(fā)明用高斯函數(shù)、高斯函數(shù)的導(dǎo)數(shù)或者橢球波函數(shù)等基本小波函數(shù)擬合海豚聲音信號(hào)的過程如下：

步驟一：提取出海豚聲音信號(hào)的包絡(luò)；

一個(gè)信號(hào)x(t)的希爾伯特變換為：

于是得到的解析表達(dá)式為：

則得到解析表達(dá)式的幅度為：

就是原始信號(hào)的包絡(luò)，如圖5所示。

步驟二：求得該信號(hào)包絡(luò)的極值點(diǎn)；

設(shè)函數(shù)x(t)在變量的一個(gè)鄰域內(nèi)有定義，若對(duì)于該鄰域內(nèi)已于該變量都恒存在：

x(t)＜f(x0)或者x(t)＞f(x0)，則分別稱為改點(diǎn)為最大值或者最小值。如果該函數(shù)x(t)在該點(diǎn)處可導(dǎo)，則在該點(diǎn)處取得極值，則：x'(t)＝0成立。

步驟三：提取出極值點(diǎn)間的波形；

步驟四：產(chǎn)生n個(gè)高斯函數(shù)、高斯函數(shù)的導(dǎo)數(shù)或者橢球波或者扁長(zhǎng)橢球波函數(shù)等基本小波函數(shù)的線性組合；見圖6。

步驟五：將高斯組合函數(shù)與極值點(diǎn)間的波形進(jìn)行相關(guān)并取最值；見圖7。

步驟六：設(shè)定一個(gè)迭代值，將步驟三～步驟五的過程進(jìn)行迭代,不斷調(diào)整高斯線性組合函數(shù)的權(quán)重。一般情況下，以相關(guān)值大于0.9以上，其性能就基本可以達(dá)到預(yù)設(shè)要求。高斯線性組合函數(shù)的權(quán)重則與最終的擬合效果有關(guān)。

對(duì)于最終擬合出的仿海豚聲音信號(hào)，分析該信號(hào)的抗噪聲性能，保證擬合后的信號(hào)正常通信，可以符合通信要求。

本發(fā)明以高斯函數(shù)為例進(jìn)行說明，其他基本母小波都可以實(shí)現(xiàn)相同功能，都在保護(hù)的范圍之內(nèi)。以高斯信號(hào)及其導(dǎo)函數(shù)作為基函數(shù)重構(gòu)了海洋哺乳類動(dòng)物聲音信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了低截獲概率通信，保證了信號(hào)的保密性，而且攜帶信息有所增多，通信質(zhì)量滿足要求，應(yīng)用于低截獲概率通信波形設(shè)計(jì)中，具有很好的實(shí)用性和良好的性能。