基于鲸鸣声和相位简化PSK技术的生物启发型安全水下声学通信

《Applied Acoustics》：Bio-inspired secure underwater acoustic communication based on whale whistle and phase-reduced PSK

　　林黄|姜佳佳|李卓晨|谭金松|李照明|姚庆旺|侯小宗|孔伟辰|王洪坤

天津大学精密测量技术与仪器国家重点实验室，天津300072，中国

摘要

借鉴生物原理的安全水下声学通信策略通过伪装信息为鲸鱼叫声，使敌对者误将传输的信号识别为自然海洋哺乳动物的声音，从而实现通信安全。受此启发，提出了一种基于鲸鱼鸣叫和相位缩减相移键控（PR-PSK）的安全水下声学通信策略。该策略通过调制鲸鱼鸣叫的相位来传递信息。通过减少相邻调制符号之间的相位差，所提出的方法减轻了载波去相关性和相位调制引入的突然相位转变。此外，结合分数延迟匹配滤波（FD-MF）技术，进一步提高了通信系统的定时同步能力和伪装性能。以虎鲸的鸣叫为例，本文介绍了提取、编码、解码和帧结构设计的过程，并通过仿真和海上实验结果验证了所提方法的有效性和安全性。

引言

水下秘密通信已成为水下声学研究的主要焦点。传统的水下秘密通信方法通常可以分为两类。第一类是低截获概率（LPI）方法，通过连续改变信号参数来减少信息被截获的可能性[1]、[2]。然而，这些方法通常采用时间跳变和频率跳变等技术，其中通信符号是用连续波（CW）或线性频率调制（LFM）信号构成的，这些信号具有明显的人为特征。第二类是低检测概率（LPD）方法，通过降低信号噪声比（SNR）将传输信号隐藏在海洋背景噪声中[3]、[4]，或采用扩频和多载波调制技术来增加信号检测的难度。然而，低SNR限制了通信距离，且由人造信号合成的符号波形仍可能通过长期观察被识别。

生物启发的秘密通信策略代表了一种低识别概率（LPR）通信方法[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[14]、[15]。它利用海洋动物原始的发声——这些发声通常占据低频带，具有较高的源强度，并表现出独特的声学特征——作为通信信号或构建这些信号的模板。通过利用自然海洋哺乳动物的发声，传输的信号更有可能被归类为生物声音，并被检测系统抑制，从而与传统的LPI和LPD方法相比，实现了更远的通信距离和更好的隐蔽性。

鲸类发声一般分为三种类型：咔哒声、鸣叫声和脉冲呼叫[11]。其中，咔哒声和鸣叫声是最常见的鲸声形式。咔哒声是短时高源强度的脉冲信号，能够远距离传播，主要用于回声定位。相比之下，鸣叫声持续时间较长，具有丰富且定义明确的时间-频率谱，主要用于鲸鱼个体之间的信息交换。

目前使用鲸鱼鸣叫作为载波的生物启发通信策略主要集中在修改其时间-频率特性[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。这些方法将鸣叫声的时间-频率谱分成多个部分，并通过频率移键控（FSK）等调制技术改变每个部分的频率分布，从而通过频带变化传递信息[9]、[10]。然而，除了颤音成分外，鲸鱼鸣叫在时间-频率域通常是连续的。频率调制方法在谱中引入了不连续性或失真，这降低了通信策略的伪装性能。现有的识别方法已经开始利用这些伪迹进行检测[12]、[13]。

相位调制的鸣叫声通信通过改变鲸鱼鸣叫的相位来传递信息，同时最小化对其谱形的修改[14]、[15]。然而，当直接将相位调制应用于基于生物启发的LPR通信时，会出现一些特定于应用的约束，这些约束在现有的相位调制或同步框架中并未得到解决。首先，PSK中固有的全相位反转会降低与原始鸣叫模板的互相关性，影响基于相关性的定时同步和代码定位。其次，PSK引入的突然符号间相位转变会在瞬时相位轨迹中产生明显的非生物伪迹，最近的研究表明这些伪迹可以被鸣叫识别和分类算法利用，从而削弱了生物启发秘密通信的伪装效果[16]。第三，对于含有较高频率成分的鸣叫载波，样本级的定时同步往往不够充分，因为即使是很小的符号定时偏移（STO）也可能会导致显著的相位误差。这些问题表明，主要为人造正弦载波设计的传统相位调制和定时恢复方案并不适合生物启发的LPR通信。

尽管连续相位调制（CPM）和部分响应方案也强调相位连续性，但它们的设计目标侧重于频谱效率或ISI控制，而不是保持自然鸣叫载波的相关结构和生物合理性。为了解决这些问题，本文提出了一种基于PR-PSK的模仿鸣叫的安全水下声学通信（UAC）策略。通过减少调制过程中引入的相位差，所提出的策略增强了调制信号和参考信号之间的相关性。结合FD-MF技术，在接收端构建多个多相参考信号以校正传输过程中的STO。本文的主要贡献如下：

(i) 提出了一种在LPR约束下的生物启发相位调制水下声学通信策略。通过限制符号间相位变化，引入了PR-PSK方案来提高鸣叫模板的相关性和相位连续性，并与FD-MF策略结合用于子样本定时对齐。

(ii) 开发了一种基于图像处理的鸣叫提取和分析重建方法，用于生成生物仿造的载波。采用自适应阈值、区域生长分割和分段B样条拟合来获得真实鲸鱼鸣叫的平滑连续时间-频率轮廓，为相干相位调制提供生物学上合理且易于相关的载波。

(iii) 实现了所提出的模仿鸣叫的通信框架，并通过实验进行了验证。提供了仿真和海上试验结果，以评估所提出的PR-PSK和FD-MF设计的性能，并分析了调制角度和符号间隔等关键参数对比特错误率、同步性能和生物仿造相似性的影响。

在本文中，采用传统的BPSK调制的鸣叫作为基准，因为它们代表了同一基于鸣叫的通信框架内最直接的相位调制方案。这种比较旨在隔离符号间相位减少对同步、相关性和检测相关性能的影响，而不是与基于根本不同载波构建的调制方案进行基准测试。

本文的其余部分组织如下。第2节介绍了鲸鱼鸣叫的特征和基于图像的鸣叫提取和拟合方法。第3节介绍了基于PR-PSK的鸣叫调制策略及其相应的FD-MF同步方法。第4节描述了编码和解码过程以及通信帧结构。第5节提供了仿真和海上试验结果，以验证所提方法的性能。最后，第6节总结了本文。

**摘要片段**

**鸣叫分析和提取**

鲸鱼鸣叫具有长而连续的持续时间以及高度多样的时间-频率模式。许多研究人员认为，鲸鱼利用鸣叫的时间和频谱变化来传递信息[17]。图1显示了一些鲸类鸣叫的频谱图，数据来自Watkins海洋哺乳动物声音数据库[18]。可以观察到，不同鲸类物种的鸣叫在持续时间、频率分布范围上存在差异。

**改进策略**

传统的PSK调制方案通过离散移动载波信号的相位来传递数字信息。尽管这种方法在传统通信系统中具有良好的调制效率，但在应用于生物启发的鲸鱼鸣叫通信时会出现两个关键问题。首先，相位反转导致载波去相关，从而削弱了接收器基于相关峰实现符号定时的能力。其次，瞬时相位...

**基于生物启发的安全PR-PSK通信**

基于第3节提出的PR-PSK调制和FD-MF同步方法，本节构建了一个完整的模仿鸣叫的通信系统。

**编码过程**

如图5所示，编码过程主要可以分为三个部分：

**实验**

实验中使用的鸣叫载波来自Watkins海洋哺乳动物声音数据库，其提取和拟合遵循第2节中描述的程序。为了匹配声学换能器的操作频率范围，仅在500 Hz – 8 kHz频带内保留了鸣叫成分。根据预定义的选择标准，从数据库中选取了100个虎鲸鸣叫。

**结论**

本文研究了一种使用鲸鱼鸣叫作为载波的生物启发安全水下声学通信方案。采用基于图像处理的方法从真实的鸣叫记录中提取和重建平滑的时间-频率轮廓，为相位调制提供可分析描述的载波。为了克服传统PSK导致的同步性能下降和相位不连续性问题，采用了一种相位缩减的PSK调制策略和分数延迟匹配滤波技术。

**CRediT作者贡献声明**

林黄：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草案，可视化，数据管理，概念化。姜佳佳：可视化，验证。李卓晨：资金获取，形式分析。谭金松：调查。李照明：方法论。姚庆旺：项目管理。侯小宗：项目管理。孔伟辰：软件。王洪坤：监督。

**利益冲突声明**

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

**致谢**

本工作部分得到了国家自然科学基金（项目编号62231011、92360306）、天津杰出青年科学家基金项目（24JCJQJC00240）和天津大学跨学科中心新兴前沿培育计划的支持。