[发明专利]一种鲸目动物叫声合成与修饰方法

说明书

本发明公开一种鲸目动物叫声合成与修饰方法，设定一个鲸目动物的tonal sound为s_T(t)，对应的仿生信号为s_b(t)，为了构造s_b(t)，将s_T(t)分为M段，M为大于等于1的正整数，使用M个仿生信号段模仿被分成M段的s_T(t)；最后将M个仿生信号段首尾拼接得到s_b(t)，通过修改拼接后的s_b(t)的参数，实现tonal sound的修饰，以满足仿生伪装隐蔽水声探测和通信的有效性需求；具体包括以下步骤：(1)构造仿生信号s_b(t)中的每个仿生信号段的时频表达式；(2)构造分段仿生信号s_N(t)；(3)提取tonal sound的包络，并将其作为仿生信号的包络；(4)合成仿生信号s_b(t)；(5)若tonal sound有谐波，则重复步骤(1)～(4)直到修饰完成。

技术领域

本发明属于水声信号处理领域，特别是一种鲸目动物叫声的合成与修饰方法。

背景技术

由于会主动发送信号，主动声呐探测(Active Sonar Detection，ASD)系统和水声通信(Underwater AcousticCommunication，UAC)系统容易被水下侦查系统发现，在过去几十年间，各国研究人员提出了许多方法以提高ASD信号和UAC信号的隐蔽性。传统ASD信号和UAC信号隐蔽技术可分为三类：低截获概率(Low Probability of Interception,LPI)技术(第一类)、LPD(Low Probability of Detection,LPD)技术(第二类)和仿生伪装隐蔽水声探测和通信技术(第三类)。

LPI技术通过跳频、跳时等技术，不断改变传统人造信号的参数来提高信号被识别出来的难度，以实现隐蔽探测和通信。但这类技术所采用的人造信号具有明显的特征，容易被敌方水下侦察系统识别出来。

LPD技术通过降低传统人造信号的信噪，使信号隐藏在海洋背景噪声中，以实现隐蔽ASD和UAC。但仍可以通过能量检测、能量谱密度分析等技术将其检测出来，并且低信噪比信号会大大降低探测和通信的距离和可靠性。

与LPI技术和LPD技术不同，仿生伪装隐蔽水声探测和通信技术的思路是：将声呐信号或通信信号伪装成在海洋中广泛存在的鲸目动物的叫声，以诱骗敌方，使其将通信和声呐信号误作为由鲸目动物所产生的海洋动物噪声而过滤掉，从而实现通信和声呐信号的隐蔽。

仿生信号的设计是仿生伪装隐蔽探测和通信的关键。更具体地说，仿生信号应满足ASD和UAC的有效性(例如信号传输距离，通信速率和检测精度)和隐蔽性要求。其中，ASD和UAC的有效性取决于仿生信号的探测(或通信)性能。此外，隐蔽性取决于仿生信号的伪装能力，进一步的，仿生信号的伪装能力取决于仿生信号与真实鲸目动物声音的相似性。因此，必须同时考虑仿生信号的伪装能力和有效性。

仿生信号的设计包括信号的合成和修饰。为了确保伪装能力，在合成仿生信号时，要尽可能接近真实鲸目动物声音的声学特性(如波形形状，频率分布和时频分布)。但是，具有高伪装能力的仿生信号不一定满足ASD和UAC的性能要求。因此，为了确保有效性，还需要对仿生信号进行修饰，这意味着需要根据ASD和UAC的性能要求对仿生信号的参数进行微调。

多年来，在基于鲸目动物声音的仿生信号设计方面已经取得了一些进展。一些研究人员使用原始的鲸类声音来构建仿生信号。但是，原始鲸目动物声音数据库是有限的，并且很难找到能够满足ASD和UAC有效性要求的原始鲸目动物声音。由于使用原始鲸类声音的这些限制，一些研究人员试图建立合适的仿生信号模型来模仿原始鲸目动物声音。

Tonal sound是鲸目动物声音的重要组成部分，这种声音由齿鲸和须鲸产生的，这两种鲸鱼是包含所有现存鲸鱼的姊妹分支。由于在鲸目动物中，tonal sound的声学特性差异很大，因此这种声音一般被定义为调频信号。