解碼鯨魚的“語言”！天大創造性提出模擬抹香鯨叫聲串的通信技術，破解國際水下隱蔽通信難題

解碼鯨魚的“語言”！天大創造性提出模擬抹香鯨叫聲串的通信技術，破解國際水下隱蔽通信難題

導語

首次借用鯨魚“語言”實現水下隱蔽通信，具有偽裝誘騙性強，信息傳輸高度隱蔽，通信距離遠的特點，在國防和軍事領域具有廣闊應用前景。

移動通訊、實時對講、衛星電話…新一代移動通信技術越來越為人們所熟知，然而對于大洋中的潛艇、載人潛水器等是如何通信的，我們可能知之甚少。陸海空通信中，對于以海洋為典型代表的水下通信，是人類至今仍在努力探索的通信領域，其難度甚至超過了“上九天攬月”。

日前，天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室蔣佳佳副教授提出了模仿抹香鯨叫聲串規律的新型仿生偽裝隱蔽水聲通信方法。首次借用鯨魚“語言”實現水下隱蔽通信，具有偽裝誘騙性強，信息傳輸高度隱蔽，通信距離遠的特點，在國防和軍事領域具有廣闊應用前景。相關研究成果形成的論文《用于水下聲學安全通信的仿生隱身術》發表在國際通信領域頂級期刊《IEEE Communications Magazine》（IEEE通信雜志）上。蔣佳佳副教授是論文的第一作者，文章的通訊作者為天津大學精儀學院段發階教授。

潛艇、水下機器人、水下滑翔機等水下軍事平臺在進行水下信息傳輸、組網等軍事活動時，必須向外發射通信波，但也由此容易造成自身暴露，危及平臺安全。水下隱蔽通信已經成為各國軍事專家關注的焦點。

傳統解決水下隱蔽通信的方法主要可歸為兩類，第一類方法是通過改變人造通信信號的參數，如跳頻、跳時等，用以增加敵方截獲通信信號的難度，使截獲概率降低，即低截獲概率策略。但這類方法采用的是具有明顯特征的人造通信信號，很容易被敵方的偵察系統識別與分類，導致其隱蔽性有限。第二類方法是通過降低通信信號的發射功率以增加敵方探測通信信號的難度，即低探測概率，但功率的降低會大大限制通信的距離，無法滿足水下遠距離隱蔽通信的需求。

為破解這一難題，科研團隊首次提出利用抹香鯨原始叫聲作為通信信息載波，同時模擬抹香鯨原始叫聲串構造仿生通信信號串，以仿生偽裝策略實現水下通信信息隱蔽傳輸。

圖：仿生偽裝隱蔽通信策略

模仿抹香鯨的叫聲，用于水下通信，為什么能躲避敵方偵查探測？原來，當前主流的水下通信偵察系統將海洋中鯨、海豚所發出的叫聲歸為海洋噪聲而過濾掉，而天大科研人員對海洋中抹香鯨的叫聲進行了深入研究，綜合多項核心技術，提出一種快速準確的抹香鯨叫聲脈沖摘取方法。基于自相關、互相關和相關性閾值等約束條件，從摘取出的叫聲脈沖庫里篩選出了大量滿足時延差通信編碼要求的叫聲脈沖，并根據抹香鯨叫聲串的規律，發展出了一種跳組差分時延差通信編解碼方法。

圖：仿生偽裝通信幀結構及編碼原理

圖：(a)-(d)仿生偽裝通信幀及其處理過程, (e)仿生偽裝通信幀時頻圖, (f)真實的鯨叫聲串時頻圖

由于通信碼使用的是原始鯨叫聲脈沖，同時，通信串中通信碼間的時間間隔規律與抹香鯨真實叫聲串中叫聲脈沖間的時間間隔規律高度匹配，所以被構造的仿生通信串具有非常強的偽裝誘騙性能，從而能實現信息的高度隱蔽傳輸。

與此同時，由于通過偽裝而不是通過降低通信波的發射功率來實現隱蔽，通信波不怕被敵方探測和截獲到，可以通過提高通信波發射功率的方式來解決遠距離隱蔽通信的難題。

該項技術成果的有效性和偽裝隱蔽性分別通過湖試實驗和神經網絡信號分類器測試，得到了很好的驗證。

據了解，該技術具備極強的可擴展性，可擴展至海豚等多種海洋哺乳動物叫聲，并可廣泛應用于水下潛潛通信、潛基通信、潛艦通信、UUV-UUV通信、海上遙控遙測、水下測量、水下局域網互聯、海上平臺和水下設備遙控、水下通信-探測-定位-導航一體化設計等國防和軍事領域，具有廣泛的應用前景。

10月17日，該研究成果發表在國際通信領域頂級期刊《IEEE Communications Magazine》上，中科院JCR影響因子為10.435，在通信領域全球排名第二。

該研究得到國家自然科學青年基金、中國科協“青年人才托舉工程”項目以及天津市自然科學青年基金的支持。

文章鏈接：

Jiang Jia-jia, et al, "Bio-Inspired Steganography for Secure Underwater Acoustic Communications," IEEE Communications Magazine, Volume: 56 Issue: 10

（本文來源：天津大學新聞網；）