一種主動聲吶識別方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種主動聲吶識別方法，該方法是發(fā)射方在聲吶發(fā)出的探測信號中嵌入水印，接收方通過對水印的探測來識別發(fā)送方信號，包括四個部分，數(shù)字水印預(yù)處理，水印生成，水印嵌入，水印探測。具體方法是在一個聲吶波形的時頻系數(shù)中嵌入水印，水印是由兩個安全密鑰產(chǎn)生。第一密鑰是擴展碼。第二密鑰是用于選擇和修改聲吶的所選擇的時間?頻率單元的嵌入掩模，根據(jù)嵌入規(guī)則水印分布在聲吶探測信號的分塊DCT系數(shù)中，匹配濾波接收器產(chǎn)生經(jīng)過信道模型的擴頻水印的復(fù)制相關(guān)水印，探測器模型成功的檢測需要訪問這兩個擴展碼和嵌入掩模。本發(fā)明可以產(chǎn)生精度更高的檢測概率，增加了可控性和識別性能。
【專利說明】
一種主動聲吶識別方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及水聲探測領(lǐng)域，尤其涉及一種主動聲吶識別方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水聲信道中充滿了天然存在的或人為的來源不明的聲發(fā)射，其中一個主要的發(fā)射 來源就是主動聲吶。在水聲對抗領(lǐng)域，利用虛假水聲信號迷惑、誘騙對方已成為各國海軍常 用的技術(shù)手段。隨著水聲對抗技術(shù)的發(fā)展，敵對方常常通過發(fā)射高度相似的信號實施干擾 或者誘騙。因此，迫切需要開展主動聲吶信號的身份識別新技術(shù)的研究。因此出現(xiàn)通過對信 號嵌入水印來認(rèn)證發(fā)送聲吶波形。這種方法對實現(xiàn)有效的識別來自于敵方或是我方的聲吶 探測信號至關(guān)重要，水下環(huán)境的復(fù)雜性，錯綜復(fù)雜的信息發(fā)送，有效的識別出正確信息對正 常探測發(fā)揮著重要作用。
[0003] 之前出現(xiàn)應(yīng)用于探測的方法最早是正交頻分復(fù)用(0FDM) "星座抖動"，其中的抖動 就是水印，根據(jù)抖動的特性來識別探測信號，這種方法容易受環(huán)境影響，錯誤識別率較高。 為解決這一問題數(shù)字水印技術(shù)應(yīng)運而生，數(shù)字水印技術(shù)的關(guān)鍵就是如何提高信號識別的精 度。海洋水聲探測中存在相似信號以及偽裝信號或是復(fù)制信號，該技術(shù)可以有效的識別探 測信號的真實身份并且有效識別出來偽裝或是復(fù)制信號，另一方面的應(yīng)用就是在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 為基礎(chǔ)進行的通信導(dǎo)航，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有移動特性，他們發(fā)射的信號中嵌入發(fā)射信號的位置 信息對無人航行器的導(dǎo)航有重要的價值，基于現(xiàn)有通過目標(biāo)特征進行鑒別分類這種方法是 不足的，有學(xué)者提出在主動聲吶發(fā)射的信號中嵌入數(shù)字水印，通過檢測接收信號中是否含 有水印鑒別其身份。針對主動聲吶信號的鑒別提出分別用短時傅里葉變換(STFT)和離散余 弦變換(DCT)進行水印嵌入。但是算法比較復(fù)雜而且并沒有充分考慮到海洋信道多途、衰減 以及多普勒頻移等因素。又提出信道相關(guān)特性對水印聲吶的影響以及利用嵌入水印提高探 測性能等方法，在已經(jīng)提出的方法中根據(jù)水印嵌入并沒有考慮水印嵌入的規(guī)則的改變，以 及嵌入帶寬的改變，受水下環(huán)境影響較大。本文是基于在已經(jīng)提出的理論基礎(chǔ)上結(jié)合對水 下聲信道的考慮，提出利用二維變換基本矩陣在時頻域的分塊DCT變換，通過改變系數(shù)嵌入 擴頻水印，產(chǎn)生更高的檢測性能，以及最佳的嵌入方式。本發(fā)明提出的方法全面考慮到水印 探測環(huán)境對探測性能的提高，該方法對這些信號的身份識別能力進一步加強，所以如何有 效的分辨出真?zhèn)涡盘栆约巴悇e的聲吶識別信號身份，成為現(xiàn)在亟需解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：本發(fā)明針對聲吶探測信號以及相似度極高的偽裝信號的身份識別，能 有效的分辨這些信號，
[0005] 技術(shù)方案:一種主動聲吶識別方法，包括如下步驟：
[0006] S1:將水印進行預(yù)處理
[0007] 步驟S1-1:將聲吶探測信號生成x(t)，并且對其取樣點為N產(chǎn)生離散信號X;
[0008] 步驟S1-2:對步驟S1-1所得到的離散信號進行分塊，將T秒的時間間隔進行取樣分 成Μ塊，每一塊包含著m = N/M;每一塊長度是Tb = T/M，X被排列為m X Μ的矩陣；
[0009]步驟S1-3:將步驟S1-2分塊后的信號利用二維DCT變換的基本酉矩陣Α進行DCT變 換產(chǎn)生DCT系數(shù)矩陣Θ ;其中A是mXM矩陣；
[0010] S2:生成以及嵌入水印序列
[0011] 步驟S2-1:生成水印序列，水印序列產(chǎn)生的基礎(chǔ)是擴頻矩陣C=[ci，c2,. . .，CM]e RmXM其中ce{±l}和二進制掩碼Me{〇，l}兩個秘鑰的產(chǎn)生，擴頻序列是結(jié)合信道模型產(chǎn)生， 掩碼則是由嵌入位置決定；
[0012] 步驟S2-2:在步驟S2-1產(chǎn)生的擴頻矩陣和二進制掩碼兩者的基礎(chǔ)上進行Hadamard 乘積形成擴頻水印W;
[0013] 步驟S2-3:擴頻矩陣掩蔽水印矩陣，并且包含當(dāng)在對應(yīng)的位置的掩模具有一個邏 輯1，只對DCT系數(shù)對應(yīng)于由水印所修改的1的位置的系數(shù)；
[0014] 步驟S2-4:生成的水印W如所述步驟S2-3嵌入DCT系數(shù)中，嵌入水印后的系數(shù)矩陣 為水印強度K為可控因子，根據(jù)SWR(信號和水印功率之比)來改變；
[0015] 步驟S2-5:根據(jù)產(chǎn)生的被水印的系數(shù)矩陣通過矩陣變換產(chǎn)生被水印的聲吶信號矩 陣XW(3XW被重新排列為1 XN取樣矢量；
[0016] 步驟S2_6:Xw(t)表示加入水印的聲吶波形，由此可以得出水印w(t)是被水印波形 和沒有水印波形之差；
[0017] S2:對水印進行檢測
[0018] 步驟S3-1:接收含有水印的信號yw(t)，由步驟s2_6得到的xw(t)經(jīng)過信道脈沖響h (t，T)所得到的接收響應(yīng)；
[0019] 步驟S3-2:將所得到的yw(t)進行重新取樣和重新排列為mXM矩陣Y w，并且對￥|進 行DCT系數(shù)轉(zhuǎn)換，得到轉(zhuǎn)換的DCT系數(shù)；
[0020] 步驟S3-3:水印是根據(jù)在步驟S2-6的基礎(chǔ)上得到，水印通過被濾波器模型化的信 道產(chǎn)生補償水印?(〇·根據(jù)接收到的水印的估計值，計算在接收器通過由相應(yīng)的FIR濾波器 的濾波每個段，并在檢測器用于副本相關(guān)，估計水印值表示為 h
[0021] 步驟S3-4:對#(〇進行取樣并且排成mXM矩陣U，對矩陣U進行塊DCT變換得到系數(shù) 矩陣# ;
[0022] 步驟S3-5:在上述得出和A，.檢測標(biāo)準(zhǔn)定為|):和#_的;1^(^611；[118內(nèi)積，這個相當(dāng)于 整個對hadamard乘積之和，根據(jù)信號檢測算法得到檢驗統(tǒng)計量；
[0023]步驟S3-6:在檢驗統(tǒng)計量的計算中，水印檢測被規(guī)定為根據(jù)假設(shè)檢驗?zāi)温栠d 引理對接收水印進行檢測假設(shè)，根據(jù)公式產(chǎn)生檢測統(tǒng)計量作為門限;利用檢測概率，漏檢概 率，誤檢率來評估性能。
[0024]有益效果:本發(fā)明采用一種基于數(shù)字水印技術(shù)的基礎(chǔ)上進行信號鑒定的方法，主 要是包括三個主要部分水印預(yù)處理，水印序列的生成以及嵌入，水印探測三個主要的部分。 相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明直接在聲吶的發(fā)射信號嵌入水印，探測方可根據(jù)嵌入水印的特征 進行相應(yīng)的身份識別，并且嵌入的水印以及嵌入強度都是根據(jù)情況可控的，由于該方法嵌 入的方式的可變可選的，結(jié)合數(shù)字處理算法提高分辨精度。本發(fā)明在水聲領(lǐng)域可以得到較 靈活的應(yīng)用。更確切的說是聲吶信號的鑒定基于復(fù)雜的水下環(huán)境，水聲信道是充滿了來源 不明的聲發(fā)射，在水下自主航行器(AUV)、水下潛艇之間通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行通信具有實時移 動特性，本發(fā)明可以有效的提高導(dǎo)航的精度或是身份識別的準(zhǔn)確性。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明水印生成及嵌入模塊圖；
[0026] 圖2是本發(fā)明水印探測模塊圖；
[0027]圖3是本發(fā)明水印嵌入框圖圖；
[0028]圖4是本發(fā)明水印探測框圖圖。
【具體實施方式】
[0029]下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的實施案例進行詳細的描述；
[0030]如圖1-4所示，本發(fā)明的一種主動聲吶識別方法，是發(fā)射方在聲吶發(fā)出的探測信號 中嵌入水印，接收方通過對水印的探測來識別發(fā)送方信號，包括四個部分，數(shù)字水印預(yù)處 理，水印生成，水印嵌入，水印探測。具體方法是在一個聲吶波形的時頻系數(shù)中嵌入水印，水 印是由兩個安全密鑰產(chǎn)生。第一密鑰是擴頻碼。第二密鑰是用于選擇和修改聲吶的所選擇 的時間-頻率單元的嵌入掩模，根據(jù)嵌入規(guī)則水印分布在聲吶探測信號的分塊DCT系數(shù)中， 匹配濾波接收器產(chǎn)生經(jīng)過信道模型的擴頻水印的復(fù)制相關(guān)水印，探測器模型成功的檢測需 要訪問擴頻碼和嵌入掩模。這種方法可以產(chǎn)生精度更高的檢測概率，增加了可控性和識別 性能。
[0031 ]本發(fā)明的一種主動聲吶識別方法，包括如下步驟：
[0032] 水印進行預(yù)處理步驟：
[0033] 步驟S1-1:聲吶探測信號的表示x = exp( j*t .*2*pi*f0+j*pi*k*t. ~2)其中f0表示 初始頻率，k表示調(diào)頻斜率，對信號進行取樣得到
[0034] X= {x(n)，n = 1，2· · ·，N} (1)
[0035] N為采樣點的個數(shù)，采樣時間長度是T。
[0036] 步驟S1-2:對所得到的離散信號進行分塊，分成Μ塊，每一塊長度為Tb = T/M，每一 塊的采樣點數(shù)為m，m = N/M，并且用矩陣X表示。
[0037]步驟S1-3:分塊之后的信號矩陣X進行DCT變換，本發(fā)明采用的是二維DCT變換的基 本矩A，A表示成如下式
[0039] A是酉矩陣，變換對可以通過一下表示
[0040] 0 =AXeRmXM
[0041 ] χ=ΑτΘ eRmXM (3)
[0042] Θ是每一塊的DCT系數(shù)
[0043] Θ =[θ!,θ2......ΘΜ] (4)
[0044] 水印產(chǎn)生及嵌入步驟：
[0045] 步驟S2-1:水印序列是由擴頻矩ce {±1}，
[0046] C=[ci,C2,...,cM]eRmXM (5)
[0047] 二進制掩碼Me {〇，1}兩個秘鑰結(jié)合產(chǎn)生的二進制掩碼是在擴頻的基礎(chǔ)上產(chǎn)生，通 過對擴頻序列的重塑，本發(fā)明采用的擴頻序列是PN序列。分散到選擇的時間-頻率單元中的 水印位是由一個擴頻率=矩陣的乘積c e {± 1}和一個二進制掩碼Me {〇，1}控制。
[0048] 步驟S2-2:在已經(jīng)產(chǎn)生的擴頻矩陣和二進制掩碼兩者的基礎(chǔ)上進行Hadamard乘積 形成擴頻水印w。W是由C和Μ的hadamard相乘建模，其定義為兩個矩陣的逐元素乘積，水印負 載是單一的比特we {〇，i}，w表示成如下：
[0049] ff=wC〇MeRmXM
[0050] =[ffi,ff2, , , ,Wm]
[0051] ffj e RmX1 (6)
[0052] 步驟S2-3:，當(dāng)在對應(yīng)的位置的掩模具有一個邏輯1，只對DCT對應(yīng)于由水印所修改 的1的位置的系數(shù)，乘法由掩模部分地破壞了擴展序列的正交性但是這并沒有實質(zhì)性的影 響。
[0053]步驟S2-4:水印如上述S2-3所述嵌入DCT系數(shù)中，嵌入系數(shù)后的被水印的系數(shù)矩陣 可以表示如下
[0054] 0W= 0+kffeRmXM (7)
[0055] 其中K表示水印強度根據(jù)SWR(信號和水印功率之比）。
[0056] 步驟S2-5:根據(jù)產(chǎn)生的被水印的系數(shù)矩陣通過矩陣變換產(chǎn)生被水印的聲吶信號
[0057] 矩陣 Xw，Xw=AT0w (8)
[0058] Xw被重新排列為1XN取樣矢量。
[0059] 步驟S2_6:Xw(t)表示加入水印的聲吶波形，由此可以得出水印w(t)是被水印波形 和沒有水印波形之差，表示如下
[0060] w(t) =xw(t)-x(t) (9)
[0061 ] 水印檢測步驟：
[0062]步驟S3-1:接收含有水印的信號yw(t)，它是由步驟s2_6得到的xw(t)經(jīng)過信道脈沖 響h(t，W所得到的接受相應(yīng)，其中信道脈沖響應(yīng)表達式為
[0064] 其中P為路徑指數(shù)，AP(t)表示時變路徑相位，Tp(t) = Tp_aPt表示時變延時，aP表示 多普勒因子。通過脈沖響應(yīng)的式子可以表示為：
[0066] 步驟S3-2:將所得到的yw(t)進行重新取樣和重新排列為mXM矩陣Yw，并且對￥|進 行DCT系數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的DCT系數(shù)表示為
[0068] 其中$表示第i塊接收水印信號。
[0069] 步驟S3-3:水印是根據(jù)在步驟s2_6的基礎(chǔ)上得到，水印通過被濾波器模型化的信 道產(chǎn)生補償水印何0。
[0071 ]表示為每一塊的水印。FIR濾波器的系數(shù)
[0072] b = [bi，b2......bP] (14)
[0073] 接近時不變信道傳遞函數(shù)和由此延伸的脈沖響應(yīng)H(z)
[0074] H(z) = l+biz_1+......+bPz-p (15)
[0075] 信號被分為M塊每一個長度是Tb，信道被M個濾波器模型化，對于每一塊，濾波器抽 頭的濾波器組可以被布置作為Β矩陣的列
[0076] Β - [hv b2...,. ,bM), bi - [b^, bL . . . . .b^}, h(t) 0 hi (:16)
[0077] bi是表示對為時變信道脈沖響應(yīng)/?,_(Γ)以上第i塊的持續(xù)時間的估計值的濾波器抽 頭
[0079]接收到的水印的估計值，計算在接收器通過由相應(yīng)的FIR濾波器的濾波每個段，并 在檢測器用于副本相關(guān)。估計水印值可以表示為
[0081 ] 步驟S3-4 :對#(〇進行取樣并且排成m X Μ矩陣U，對矩陣U進行塊DCT變換得到 二 ζ??-/ (.19)步驟 S3-5 :在上述得出 _ 和#， 檢測標(biāo)準(zhǔn)定為(|和_#的frobenius內(nèi)積，這個相當(dāng)于整個對應(yīng)的hadamard乘積；
[0085] 其中rj表示內(nèi)積，其表達式如：
[0086] rj: ^wkOj^Wj > (22)
[0087] 如果水印有擴頻碼那么rj可以表示如下：
[0089]第一個和最后一個都是不相關(guān)的，因為擴頻碼和隱藏的噪聲和DCT系數(shù)是沒有關(guān) 系的，對于第二部分在達到m時有一個峰值，是每一塊最大的擴頻處理增益，如果聲吶沒有 被水印，w = 〇,和^最終T將會類似于高斯噪聲分布，如果水印探測嘗試了錯誤的密匙V要 么不屬于所述碼本或?qū)儆诓煌幕蝈e誤的來源，采用以下表示式子
[0091] η又會再一次接收到類噪聲的信號。
[0092] 步驟S3-6:以下一個檢驗統(tǒng)計量的計算中，水印檢測被規(guī)定為根據(jù)假設(shè)檢驗?zāi)?br>[0093] 曼皮爾遜引理，特別是每一個假設(shè)都被定義為如下
[0095]如果假設(shè)Ho被拒絕有利于Hi，如果
[0097] L(.)表示似然比A被選擇以實現(xiàn)一個指定的顯著性水平α。
[0098] 上述Γ⑴決定這檢測率PD，Pm，Pfp，水印檢測率Pd表示檢測出嵌入水印的信號含有 水印的概率，水印漏檢率P M表示嵌入的水印信號中不含有水印的概率，水印誤檢率PFP表示 嵌入的水印信號沒有被檢測出來水印的概率。
[0099] 本發(fā)明的有益效果是直接在聲吶的發(fā)射信號嵌入水印，探測方可根據(jù)嵌入水印的 特征進行相應(yīng)的身份識別，并且嵌入的水印以及嵌入強度都是根據(jù)情況可控的，由于本發(fā) 明嵌入的方式的可變可選的，結(jié)合數(shù)字處理算法提高分辨精度。在水聲領(lǐng)域可以得到較靈 活的應(yīng)用。
【主權(quán)項】
1. 一種主動聲響識別方法，其特征在于，包括如下步驟： S1:將水印進行預(yù)處理 步驟S1-1:將聲響探測信號生成x(t)，并且對其取樣點為N產(chǎn)生離散信號X; 步驟S1-2:對步驟S1-1所得到的離散信號進行分塊，將T秒的時間間隔進行取樣分成Μ 塊，每一塊包含著m = Ν/Μ;每一塊長度是Tb = Τ/Μ，X被排列為m X Μ的矩陣； 步驟S1-3:將步驟S1-2分塊后的信號利用二維DCT變換的基本酉矩陣A進行DCT變換產(chǎn) 生DCT系數(shù)矩陣Θ ;其中A是mXM矩陣； S2:生成W及嵌入水印序列 步驟S2-1 :生成水印序列，水印序列產(chǎn)生的基礎(chǔ)是擴頻矩陣C= ，C2，. . .，CM] e RmXM其 中ce{±l}和二進制掩碼Me {0,1}兩個秘鑰的產(chǎn)生，擴頻序列是結(jié)合信道模型產(chǎn)生，掩碼 則是由嵌入位置決定； 步驟S2-2:在步驟S2-1產(chǎn)生的擴頻矩陣和二進制掩碼兩者的基礎(chǔ)上進行化damard乘積 形成擴頻水印W; 步驟S2-3:擴頻矩陣掩蔽水印矩陣，并且包含當(dāng)在對應(yīng)的位置的掩模具有一個邏輯1， 只對DCT系數(shù)對應(yīng)于由水印所修改的1的位置的系數(shù)； 步驟S2-4:生成的水印W如所述步驟S2-3嵌入DCT系數(shù)中，嵌入水印后的系數(shù)矩陣為0W; 水印強度K為可控因子，根據(jù)SWR(信號和水印功率之比）來改變； 步驟S2-5:根據(jù)產(chǎn)生的被水印的系數(shù)矩陣通過矩陣變換產(chǎn)生被水印的聲響信號矩陣Xw。 Xw被重新排列為1 X N取樣矢量； 步驟S2-6: xw(t)表示加入水印的聲響波形，由此可W得出水印w(t)是被水印波形和沒 有水印波形之差； S2:對水印進行檢測 步驟S3-1:接收含有水印的信號yw(t)，由步驟S2-6得到的xw(t)經(jīng)過信道脈沖響h(t，T) 所得到的接收響應(yīng)； 步驟S3-2:將所得到的yw(t)進行重新取樣和重新排列為mXM矩陣Yw，并且對Yw進行DCT 系數(shù)轉(zhuǎn)換，得到轉(zhuǎn)換的DCT系數(shù)； 步驟S3-3:水印是根據(jù)在步驟S2-6的基礎(chǔ)上得到，水印通過被濾波器模型化的信道產(chǎn) 生補償水印成的，根據(jù)接收到的水印的估計值，計算在接收器通過由相應(yīng)的FIR濾波器的濾 波每個段，并在檢測器用于副本相關(guān)，估計水印值表示為別/); 步驟S3-4:對進行取樣并且排成mXM矩陣U，對矩陣U進行塊DCT變換得到系數(shù)矩陣 樂； 步驟S3-5:在上述得出.食和W，檢測標(biāo)準(zhǔn)定為0和亦的frobenius內(nèi)積，運個相當(dāng)于整個 對hadamard乘積之和，根據(jù)信號檢測算法得到檢驗統(tǒng)計量； 步驟S3-6:在檢驗統(tǒng)計量的計算中，水印檢測被規(guī)定為根據(jù)假設(shè)檢驗?zāi)温栠d引理 對接收水印進行檢測假設(shè)，根據(jù)公式產(chǎn)生檢測統(tǒng)計量作為口限；利用檢測概率，漏檢概率， 誤檢率來評估性能。
【文檔編號】G01S7/537GK106093919SQ201610397288
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月7日 公開號201610397288.X, CN 106093919 A, CN 106093919A, CN 201610397288, CN-A-106093919, CN106093919 A, CN106093919A, CN201610397288, CN201610397288.X
【發(fā)明人】王彪, 丁智慧, 楊奕飛, 戴躍偉
【申請人】江蘇科技大學(xué)