An J, Park GH, Kim W, Kim IS, Lee DH. · The Journal of the Acoustical Society of America · 2026

Whistle mimicking underwater acoustic communication with Nyquist constrained autoencoder learned whale waveforms.

Resumo em português

Comunicação acústica subaquática biomimética é atraente para operações militares encobertas porque disfarça sinais de comunicação como assobios de mamíferos marinhos, mas em esquemas de imitação de assobios do tipo modificação, o disfarce e a confiabilidade da comunicação estão fortemente relacionados e frequentemente se contrapõem. O método proposto aborda esse problema estabelecendo uma estrutura de aprendizado de formas de onda de assobios de baleia que extrai pulsos de banda base de assobios reais de Pseudorca crassidens, aprende formas de onda simbólicas representativas com restrição de Nyquist por meio de um autoencoder, e as combina com durações simbólicas adaptativas guiadas pelo envelope para preservar as estatísticas das formas de onda semelhantes às de baleias enquanto equaliza a energia dos símbolos. O método proposto é avaliado em termos de mimetismo usando a Avaliação da Ocultação de Sons que Imitam Mamíferos Marinhos (ECSM3) e cumulantes de ordem superior, e em termos de desempenho de comunicação usando a Taxa de Erro de Bits (BER) sob Ruído Branco Gaussiano Aditivo, um canal subaquático simulado, e testes marítimos de 1,5 km contra BOK, modulação contínua de frequência portadora variável (CV-CFM), modulação híbrida por divisão ortogonal de frequência (HODFM) e chaveamento por deslocamento de fase de duração variável (V-DPSK) com taxas de dados compatíveis. O método proposto alcança a maior média da pontuação ECSM3 com a menor variação e a menor BER entre os esquemas com a mesma taxa; no teste marítimo de 1,5 km a 250 bps, obteve BER de 0,0245, correspondendo a cerca de 72,8%, 79,4% e 87,4% menor BER do que V-DPSK, HODFM e CV-CFM, respectivamente, demonstrando que pulsos aprendidos semelhantes aos de baleia podem simultaneamente melhorar o disfarce e a comunicação acústica subaquática confiável.

Resumo original em inglês

Biomimetic underwater acoustic communication is attractive for covert military operations because it disguises communication signals as marine-mammal whistles, but in modification-type whistle-mimicking schemes, concealment and communication reliability are tightly coupled and often trade off against each other. The proposed method addresses this problem by establishing a whale-whistle waveform-learning framework that extracts baseband pulses from real false killer whale whistles, learns Nyquist-constrained representative symbol waveforms through an autoencoder, and combines them with envelope-driven adaptive symbol durations to preserve whale-like waveform statistics while equalizing symbol energy. The proposed method is evaluated in terms of mimicry using Evaluation of Covertness of Sound Mimicking Marine Mammals (ECSM3) and higher-order cumulants, and in terms of communication performance using Bit Error Rate (BER) under Additive White Gaussian Noise, a simulated underwater channel, and 1.5 km sea trials against BOK, continuous varying carrier frequency modulation (CV-CFM), Hybrid Orthogonal Division Frequency Modulation (HODFM), and Variable Duartion Phase Shift Keying (V-DPSK) at matched data rates. The proposed method achieves the highest mean ECSM3 score with the smallest variation and the lowest BER among the same-rate schemes; in the 1.5 km sea trial at 250 bps, it attains a BER of 0.0245, which corresponds to about 72.8%, 79.4%, and 87.4% lower BER than V-DPSK, HODFM, and CV-CFM, respectively, demonstrating that learned whale-like pulses can simultaneously improve covertness and reliable underwater acoustic communication.