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解码鲸鱼的“语言​”——天津大学创造性提出模拟抹香鲸叫声串的通信技术 破解国际水下隐蔽通信难题

      2018-10-31       

本站讯(通讯员 赵习钧)移动通讯、实时对讲、卫星电话…新一代移动通信技术越来越为人们所熟知,然而对于大洋中的潜艇、载人潜水器等是如何通信的,我们可能知之甚少。陆海空通信中,对于以海洋为典型代表的水下通信,是人类至今仍在努力探索的通信领域,其难度甚至超过了“上九天揽月”。

日前,天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室蒋佳佳副教授提出了模仿抹香鲸叫声串规律的新型仿生伪装隐蔽水声通信方法。首次借用鲸鱼“语言”实现水下隐蔽通信,具有伪装诱骗性强,信息传输高度隐蔽,通信距离远的特点,在国防和军事领域具有广阔应用前景。相关研究成果形成的论文《用于水下声学安全通信的仿生隐身术》发表在国际通信领域顶级期刊《IEEE Communications Magazine》(IEEE通信杂志)上。蒋佳佳副教授是论文的第一作者,文章的通讯作者为天津大学精仪学院段发阶教授。

潜艇、水下机器人、水下滑翔机等水下军事平台在进行水下信息传输、组网等军事活动时,必须向外发射通信波,但也由此容易造成自身暴露,危及平台安全。水下隐蔽通信已经成为各国军事专家关注的焦点。

传统解决水下隐蔽通信的方法主要可归为两类,第一类方法是通过改变人造通信信号的参数,如跳频、跳时等,用以增加敌方截获通信信号的难度,使截获概率降低,即低截获概率策略。但这类方法采用的是具有明显特征的人造通信信号,很容易被敌方的侦察系统识别与分类,导致其隐蔽性有限。第二类方法是通过降低通信信号的发射功率以增加敌方探测通信信号的难度,即低探测概率,但功率的降低会大大限制通信的距离,无法满足水下远距离隐蔽通信的需求。

为破解这一难题,科研团队首次提出利用抹香鲸原始叫声作为通信信息载波,同时模拟抹香鲸原始叫声串构造仿生通信信号串,以仿生伪装策略实现水下通信信息隐蔽传输。

仿生伪装隐蔽通信策略

模仿抹香鲸的叫声,用于水下通信,为什么能躲避敌方侦查探测?原来,当前主流的水下通信侦察系统将海洋中鲸、海豚所发出的叫声归为海洋噪声而过滤掉,而天大科研人员对海洋中抹香鲸的叫声进行了深入研究,综合多项核心技术,提出一种快速准确的抹香鲸叫声脉冲摘取方法。基于自相关、互相关和相关性阈值等约束条件,从摘取出的叫声脉冲库里筛选出了大量满足时延差通信编码要求的叫声脉冲,并根据抹香鲸叫声串的规律,发展出了一种跳组差分时延差通信编解码方法。

仿生伪装通信帧结构及编码原理

(a)-(d)仿生伪装通信帧及其处理过程, (e)仿生伪装通信帧时频图, (f)真实的鲸叫声串时频图

由于通信码使用的是原始鲸叫声脉冲,同时,通信串中通信码间的时间间隔规律与抹香鲸真实叫声串中叫声脉冲间的时间间隔规律高度匹配,所以被构造的仿生通信串具有非常强的伪装诱骗性能,从而能实现信息的高度隐蔽传输。

与此同时,由于通过伪装而不是通过降低通信波的发射功率来实现隐蔽,通信波不怕被敌方探测和截获到,可以通过提高通信波发射功率的方式来解决远距离隐蔽通信的难题。

该项技术成果的有效性和伪装隐蔽性分别通过湖试实验和神经网络信号分类器测试,得到了很好的验证。

据了解,该技术具备极强的可扩展性,可扩展至海豚等多种海洋哺乳动物叫声,并可广泛应用于水下潜潜通信、潜基通信、潜舰通信、UUV-UUV通信、海上遥控遥测、水下测量、水下局域网互联、海上平台和水下设备遥控、水下通信-探测-定位-导航一体化设计等国防和军事领域,具有广泛的应用前景。

10月17日,该研究成果发表在国际通信领域顶级期刊《IEEE Communications Magazine》上,中科院JCR影响因子为10.435,在通信领域全球排名第二。

该研究得到国家自然科学青年基金、中国科协“青年人才托举工程”项目以及天津市自然科学青年基金的支持。

论文网址:https://ieeexplore.ieee.org/document/8493136

(编辑 赵习钧 李瑞玲)