仿生隐蔽水声通信技术研究-信号与信息处理专业毕业论文.docx

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A Dissertation for the Degree of D. Eng
Biomimetics Based Covert Underwater munication
Candidate: Liu Songzuo
Supervisor: Prof. Qiao Gang
Academic Degree Applied for: Doctor of Engineering
Specialty: Signal and Information Processing
Date of Submission: January, 2014
Date of Oral Examination: March, 2014
University: Harbin Engineering University
哈尔滨工程大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明:本论文的所有工作,是在导师的指导下,由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出,并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
作者(签字):
日期: 年 月 日
哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明
本人完全了解学校保护知识产权的有关规定,即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索,可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文,可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。
本论文(□在授予学位后即可□在授予学位 12 个月后□解密后)由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。
作者(签字): 导师(签字):
日期: 年 月 日 年 月 日
仿生隐蔽水声通信技术研究
摘 要
由于声波是水下信道中唯一可远距离传输的信号形式,因此通常以声波作为通信信号载体实现水下通信目的,即水声通信技术。当前较流行的水声通信物理层技术包括单载波、多载波、扩频以及脉位调制技术。显著的特点是采用固定载波的调制方式,在给定需求情况下,采用相应的带宽,通信过程中使用尽可能高的发射声源级,进而实现更好的通信效果。
传统水声通信技术中,通信信号以一种海洋环境中不存在的,即“噪声”的形式被引入到水声环境中。一方面由于这种大声源级“噪声”的引入,对海洋生态环境产生较严重的影响,科学家认为历史上几次鲸目动物集体搁浅就是由于海军采用高声源级的通信声呐导致的;另一方面从通信安全的角度来看,被动声呐也很容易探测到这种海洋中以前不存在的“噪声”信号。因此,开发一种水声通信技术,可以在实现水下隐蔽安全声通信,并且不影响海洋生态环境具有重要的意义。
传统水下隐蔽安全声通信多从低接收信噪比角度出发,在发射端降低通信信号辐射声功率,将信号隐藏在海洋背景环境噪声中,实现隐蔽通信的效果;采用扩频或分集的调制方式,在接收端得到处理增益,实现信号正确解调。但在实际被动声探测过程中, 被动声呐长时间积分仍可探测到此类通信信号,尤其在距离声源较近位置时,信号功率依然较高,无法有效实现隐蔽水声通信的目的。因此,传统技术难以彻底解决水下隐蔽安全声通信问题。
近年来,人们对仿生学技术研究越来越广泛,如模仿鲸目动物身体构造研究新型水下潜器,模仿鲸目动物皮肤研究新型水中小阻力材料。本文基于海洋仿生学思想,从仿生伪装角度出发,提出采用真实或模拟的鲸目动物叫声作为通信信号,允许通信信号被探测,但是在识别阶段被排除,达到隐蔽通信的效果,尝试解决水下隐蔽安全声通信问题,同时由于采用海洋中固有的鲸目动物叫声作为通信信号,没有引入可被视为海洋中“噪声”的传统水声通信信号,可以起到不影响生态环境的效果。
鲸目动物分为齿鲸亚目和须鲸亚目,齿鲸体积小,产生的信号声源级低、频率较高; 须鲸体积大,产生的信号声源级高、频率较低。鲸目动物靠声信号来定位和寻找食物, 并用于个体间交流,由于其种类繁多,声音特性十分丰富。为更好的了解鲸目动物叫声特性,从功能上将鲸目动物声音分为回声定位信号和通信信号,从时域、频域以及时频联合分布来阐述鲸目动物的声音特性,给出部分鲸目动物叫声的指向性、声源级和信噪比的计算方法,为仿生伪装水声通信技术研究提供技术支撑和依据。
提出利用鲸目动物低频嘀嗒声信号的仿生伪装水声通信方法。设计了仿生通信信号帧结构,利用海豚哨声信号实现同步与