DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-34297-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41507349
تاريخ النشر: 2026-01-08
المؤلف: Muhammad Bilal وآخرون
الموضوع الرئيسي: المركبات تحت الماء وأنظمة الاتصال
نظرة عامة
تقدم البحث تقنية جديدة للتواصل الصوتي تحت الماء بشكل سري تحاكي صفارات الحيتان القاتلة الزائفة (Pseudorca crassidens). تستخدم هذه الطريقة تحويل السيفستروم لدمج معلومات سرية داخل الصفارات الشبيهة بالحيتان، مما يتيح نقلًا آمنًا حتى في وجود متطفلين محتملين. تجعل الخصائص الفريدة لتوقيع الماء في إشارة التواصل غير قابلة للاكتشاف من قبل المتسللين، مما يعزز سرية التبادلات تحت الماء.
تظهر التجارب التي أجريت في بحر الصين الجنوبي فعالية النموذج، حيث تحقق معدل خطأ بت أقل بكثير من الطرق التقليدية، إلى جانب سعة توقيع ماء عالية تبلغ 55.5 بت سري في الثانية. تضمن التقنية عدم القابلية للإدراك بنسبة 100%، كما تم التأكيد من خلال الشبكات العصبية التلافيفية (CNN) في تقييمات التعلم الآلي. بشكل عام، لا تحسن هذه الطريقة المبتكرة فقط من قوة وسعة التواصل تحت الماء، بل تلتزم أيضًا بقيود احتمال التعرف المنخفض (LPR) الصارمة، مما يجعلها حلاً واعدًا للتواصل البحري الآمن.
مقدمة
في سياق المخاوف العالمية المتزايدة بشأن أمان البيانات، ارتفع الطلب على التواصل الصوتي تحت الماء بشكل سري (CUAC) بشكل كبير، خاصة في التطبيقات البحرية والعسكرية. يقود هذا الارتفاع الحاجة إلى حماية المعلومات الحساسة من الوصول غير المصرح به والتدخلات الخبيثة. يستكشف الباحثون بنشاط تقنيات مبتكرة تتحدى نماذج التواصل التقليدية لتعزيز القدرات السرية لأنظمة التواصل تحت الماء.
ظهرت الحاجة الملحة لطرق نقل فعالة سرية في البيئات تحت الماء كتركيز بحثي حاسم في العقد الحالي. يهتم البحارة وعلماء المحيطات بشكل خاص بتطوير استراتيجيات لنقل البيانات بشكل آمن مع حمايتها من المتطفلين والكيانات المعادية. على الرغم من محدودية الأبحاث الحالية في هذا المجال، هناك جهد منسق لتحديد وتنفيذ تدابير يمكن أن تخفي قنوات التواصل بشكل فعال، مما يضمن سرية المعلومات المنقولة.
طرق
في هذا القسم، يتم توضيح المنهجية للتقنية المقترحة للتواصل الصوتي تحت الماء بشكل سري باستخدام تحويل السيفستروم لتكرار صفارات Pseudorca crassidens (الحوت القاتل الزائف). تتضمن الخطوة الأولية تحليل خصائص ضوضاء المحيط، والتي تعتبر حاسمة لفهم البيئة الصوتية. يتم تبرير اختيار صفارات Pseudorca crassidens من خلال انتشارها الواسع وخصائص التردد المحددة، مما يمثل تطبيقها الأول في إنشاء التواصل السري المقلد.
لتحسين وضوح الإشارات الصوتية، يستخدم البحث طريقة إزالة الضوضاء باستخدام الموجات. تقلل هذه التقنية بشكل فعال من الضوضاء الخلفية، مثل أصوات الشحنات وغيرها من الأصوات البحرية، مع الحفاظ على سلامة الزمن والطيف لنداءات الحوت القاتل الزائف. تحسن إزالة الضوضاء باستخدام الموجات نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR)، وهو أمر ضروري للكشف الدقيق وتحليل الصفارات. يتم تمثيل المنهجية بصريًا في مخطط انسيابي، يبرز الخطوات من جمع ضوضاء المحيط إلى تصنيف الصفارات التي تمت إزالة الضوضاء منها باستخدام الشبكات العصبية التلافيفية (CNN)، مما يسهل في النهاية التواصل وفق قيود LPR.
نقاش
يناقش هذا القسم التقدم في التواصل الصوتي تحت الماء بشكل سري (CUAC)، خاصة من خلال الاستخدام المبتكر لتقنيات المحاكاة المستوحاة من أصوات الحيتان. تاريخيًا، اعتمد CUAC على طرق مثل الطيف المنتشر بتسلسل مباشر (DSSS) وتقسيم الترددات المتعامدة (OFDM) لإخفاء الإشارات، لكن هذه الأساليب تواجه قيودًا في معدل البيانات والمسافة الفعالة للتواصل. أدت إدخال CUAC البيوني، الذي يستخدم الأصوات الطبيعية تحت الماء لترميز البيانات، إلى تعزيز كبير في خصائص احتمال التعرف المنخفض (LPR)، مما يسمح بأن يُنظر إلى التواصل السري كضوضاء طبيعية للمحيط. يبرز البحث استخدام صفارات Pseudorca crassidens كإشارة حاملة، باستخدام تعديل السيفستروم لتوقيع المعلومات السرية، مما يحقق عدم قابلية إدراك عالية وأداء قوي في البيئات تحت الماء.
تظهر الطريقة المقترحة قدرة على نقل 100 بت من المعلومات السرية بمعدل 55.5 بت في الثانية مع الحفاظ على عدم القابلية للإدراك بشكل مثالي. يتم التحقق من عدم قابلية إدراك الإشارات المقلدة من خلال الارتباط الزمني والشبكات العصبية التلافيفية (CNN)، مما يؤكد أن الإشارات الموقعة تشبه بشكل وثيق الأصوات الحقيقية للحيتان. يؤكد البحث على إمكانيات هذا النموذج الجديد لـ CUAC للتواصل الآمن تحت الماء، خاصة في البيئات الصوتية المعقدة، ويحدد المنهجية لدمج واستخراج البيانات السرية، مما يضمن المرونة ضد عوامل تدهور الإشارة الشائعة تحت الماء.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-34297-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41507349
Publication Date: 2026-01-08
Author(s): Muhammad Bilal et al.
Primary Topic: Underwater Vehicles and Communication Systems
Overview
The research presents a novel technique for covert underwater acoustic communication that emulates the whistles of false killer whales (Pseudorca crassidens). This method utilizes cepstrum transform to embed secret information within the whale-like whistles, enabling secure transmission even in the presence of potential eavesdroppers. The unique watermarking characteristics of the communication signal render it undetectable to intruders, thus enhancing the confidentiality of underwater exchanges.
Experimental validation conducted in the South China Sea demonstrates the model’s effectiveness, achieving a bit error rate that is significantly lower than traditional methods, alongside a high watermark capacity of 55.5 covert bits per second. The technique ensures 100% imperceptibility, as confirmed through convolutional neural networks (CNN) in machine learning assessments. Overall, this innovative approach not only improves the robustness and capacity of underwater communication but also adheres to strict low probability of recognition (LPR) constraints, making it a promising solution for secure maritime communication.
Introduction
In the context of increasing global concerns regarding data security, the demand for Covert Underwater Acoustic Communication (CUAC) has risen significantly, particularly in marine and military applications. This surge is driven by the necessity to protect sensitive information from unauthorized access and malicious intrusions. Researchers are actively exploring innovative techniques that challenge traditional communication models to enhance the covert capabilities of underwater communication systems.
The urgency for effective covert transmission methods in underwater environments has emerged as a critical research focus in the current decade. Mariners and oceanographers are particularly interested in developing strategies to securely transmit data while safeguarding it from eavesdroppers and hostile entities. Despite the limited existing research in this domain, there is a concerted effort to identify and implement measures that can effectively conceal communication channels, thereby ensuring the confidentiality of transmitted information.
Methods
In this section, the methodology for the proposed technique of mimicry covert underwater acoustic communication (CUAC) using cepstrum transform to replicate Pseudorca crassidens (false killer whale) whistles is outlined. The initial step involves analyzing ocean noise characteristics, which are critical for understanding the acoustic environment. The choice of Pseudorca crassidens whistles is justified by their widespread presence and specific frequency characteristics, marking their first application in establishing mimicry covert communication.
To enhance the clarity of the acoustic signals, the research employs a wavelet denoising method. This technique effectively reduces background noise, such as shipping sounds and other marine vocalizations, while preserving the temporal and spectral integrity of the false killer whale calls. The wavelet denoising improves the signal-to-noise ratio (SNR), which is essential for accurate detection and analysis of the whistles. The methodology is visually represented in a flowchart, highlighting the steps from ocean noise collection to the classification of the denoised whistles using convolutional neural networks (CNN), ultimately facilitating LPR constraint communication.
Discussion
The section discusses advancements in Covert Underwater Acoustic Communication (CUAC), particularly through the innovative use of mimicry techniques inspired by cetacean vocalizations. Historically, CUAC has relied on methods such as Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) and Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) to obscure signals, but these approaches face limitations in data rate and effective communication distance. The introduction of bionic CUAC, which utilizes natural underwater sounds for encoding data, significantly enhances the Low Probability of Recognition (LPR) characteristics, allowing covert communication to be perceived as natural ocean noise. The research highlights the use of Pseudorca crassidens whistles as a carrier signal, employing cepstrum modulation for watermarking covert information, achieving high imperceptibility and robust performance in underwater environments.
The proposed method demonstrates a capacity to transmit 100 bits of covert information at a rate of 55.5 bits per second while maintaining perfect imperceptibility. The imperceptibility of the mimicked signals is validated through time correlation and convolutional neural networks (CNN), confirming that the watermarked signals closely resemble authentic cetacean sounds. The research emphasizes the potential of this novel CUAC model for secure underwater communication, particularly in complex acoustic environments, and outlines the methodology for embedding and extracting covert data, ensuring resilience against common underwater signal degradation factors.