Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:123

Thêm vào BST

Báo xấu

16
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA" trình bày tổng quan về định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA; Đề xuất giải pháp phát hiện sự kiện âm thanh và nâng cao độ chính xác ước lượng khác biệt thời gian đến; Xây dựng giải pháp định vị nguồn âm với vận tốc âm thanh là biến số.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ TRẦN CÔNG THÌN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐỊNH VỊ NGUỒN ÂM SỬ DỤNG NGUYÊN LÝ TDOA LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ TRẦN CÔNG THÌN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐỊNH VỊ NGUỒN ÂM SỬ DỤNG NGUYÊN LÝ TDOA Ngành : Kỹ thuật điện tử Mã số : 9 52 02 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS Bùi Ngọc Mỹ 2. PGS. TS Nguyễn Huy Hoàng Hà Nội – 2022
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng 07 năm 2022 TÁC GIẢ Trần Công Thìn
ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận án, Nghiên cứu sinh đã nhận được sự định hướng, giúp đỡ, các ý kiến đóng góp quý báu và những lời động viên của các nhà khoa học, các thầy cô giáo, đồng nghiệp và gia đình. Trước hết, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy PGS.TS Bùi Ngọc Mỹ, PGS.TS Nguyễn Huy Hoàng đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu. Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn Ban Giám đốc Viện KH-CN quân sự, thủ trưởng và cán bộ, nhân viên Phòng Đào tạo đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu. Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các nhà khoa học của Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Viện Điện tử . . . đã có các góp ý quý báu cho nghiên cứu sinh trong quá trình thực hiện Luận án này. Cuối cùng xin bày tỏ lời cảm ơn tới các đồng nghiệp, gia đình, bạn bè đã luôn động viên, chia sẻ, ủng hộ và giúp đỡ tôi vượt qua khó khăn để đạt được những kết quả nghiên cứu trong Luận án này. NCS Trần Công Thìn
iii MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT . . . . . . . . . . vi DANH MỤC CÁC BẢNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix DANH MỤC CÁC HÌNH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ NGUỒN ÂM SỬ DỤNG NGUYÊN LÝ TDOA 6 1.1 Sự phát triển và khả năng ứng dụng của các kỹ thuật định vị nguồn âm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1.1 Sự phát triển của kỹ thuật định vị nguồn âm thanh . . . . . . . 6 1.1.2 Khả năng ứng dụng của kỹ thuật định vị nguồn âm . . . . . . 7 1.2 Mô hình hệ thống định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA . . . 13 1.2.1 Phân loại các kỹ thuật định vị nguồn âm . . . . . . . . . . . . 13 1.2.2 Mô hình hệ thống định vị nguồn âm . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2.3 Định vị nguồn âm dựa trên nguyên lý TDOA . . . . . . . . . . 19 1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.3.1 Các bước thực hiện định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA 20 1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.4 Một số kết quả nghiên cứu về định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA hiện nay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.4.1 Các nghiên cứu liên quan tới phát hiện sự kiện âm thanh . . . . 24 1.4.2 Các nghiên cứu liên quan tới ước tính khác biệt thời gian đến . 25 1.4.3 Các nghiên cứu liên quan tới tính toán vị trí nguồn âm . . . . . 27
iv 1.5 Xây dựng bài toán nâng cao chất lượng định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.5.1 Đặt bài toán nâng cao chất lượng định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.5.2 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu và giới hạn của bài toán . . . . 29 1.5.3 Mô hình thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.6 Kết luận chương 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 CHƯƠNG 2. ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP PHÁT HIỆN SỰ KIỆN ÂM THANH VÀ NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ƯỚC LƯỢNG KHÁC BIỆT THỜI GIAN ĐẾN 35 2.1 Đề xuất giải pháp phát hiện sự kiện âm thanh . . . . . . . . . . . 35 2.1.1 Một số giải pháp phát hiện sự kiện âm thanh . . . . . . . . . . 35 2.1.2 Mô phỏng đánh giá khả năng phát hiện sự kiện âm thanh . . . 40 2.1.3 Đề xuất giải pháp tiền xử lý tín hiệu kết hợp bộ lọc tương quan 46 2.2 Đề xuất giải pháp nâng cao độ chính xác ước tính khác biệt thời gian đến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.2.1 Ước tính khác biệt thời gian đến sử dụng phương pháp tương quan chéo tổng quát . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.2.2 Đề xuất giải pháp nâng cao chất lượng ước tính khác biệt thời gian đến sử dụng trọng số thích nghi . . . . . . . . . . . . . . 63 2.2.3 Mô phỏng đánh giá giải pháp nâng cao chất lượng ước tính khác biệt thời gian đến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2.3 Kết luận chương 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ NGUỒN ÂM VỚI VẬN TỐC ÂM THANH LÀ BIẾN SỐ 75 3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc lan truyền âm thanh trong không khí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
v 3.2 Đề xuất phương pháp giải bài toán định vị nguồn âm với vận tốc âm thanh là biến số . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 3.2.1 Phương pháp chia nhỏ không gian định vị để giải bài toán định vị nguồn âm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 3.2.2 Mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của vận tốc âm thanh tới sai số định vị nguồn âm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.2.3 Phương pháp định vị nguồn âm coi vận tốc âm thanh là biến số 84 3.2.4 Kết quả mô phỏng của giải pháp . . . . . . . . . . . . . . . . 88 3.3 Định vị nguồn âm sử dụng nhiều cụm cảm biến . . . . . . . . . . . 89 3.4 Tổng hợp mô hình hệ thống định vị nguồn âm . . . . . . . . . . . . 92 3.4.1 Mô hình giải pháp tổng thể hệ thống định vị nguồn âm . . . . 92 3.4.2 Một số nhận xét khuyến nghị . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 3.5 Kết luận chương 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 KẾT LUẬN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO 102
vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT αi Hệ số suy giảm công suất β Hệ số loại bỏ thành phần biên độ γ Hằng số đặc trưng môi trường truyền âm Φ(f ) Hàm trọng số trong miền tần số cov(X, Y ) Hiệp phương sai của hai biến X&Y τij Trễ thời gian tới của hai cảm biến i&j (m) τi Thời gian âm thanh truyền từ nguồn tới cảm biến thứ i h đáp ứng xung của kênh truyền δX Độ lệch chuẩn của hai biến X ετ Sai số trễ thời gian tới xs Vị trí của nguồn âm trong không gian qm Vị trí của mỗi cụm cảm biến mi Vị trí của các cảm biến (m) ri Khoảng cách từ vị trí của cảm biến tới nguồn âm st Tín hiệu phát ra từ nguồn âm xi (t) Tín hiệu thu được tại cảm biến thứ i τij Trễ thời gian tới của hai cảm biến i&j v Vận tốc âm thanh L(z) Tỉ lệ khả năng xảy ra sự kiện âm thanh Hp0 Giả thuyết không có sự kiện âm thanh Hp1 Giả thuyết có sự kiện âm thanh cov(X, Y ) Hiệp phương sai của hai biến X&Y rM AX Hệ số tương quan cực trị rng Ngưỡng phát hiện sự kiện âm thanh A Ma trận chứa hệ số trộn
vii y Vector tín hiệu sau quy tâm z Vector tín hiệu sau trắng hóa J(z) Khoảng cách thông tín tới tín hiệu có phâ bố chuẩn Gi Hàm đối tượng Negentropy Sxi xj (f ) Hàm Cross Spectrum γ Hằng số đặc trưng môi trường truyền âm R Hằng số khí phổ T Nhiệt độ không khí M Khối lượng phân tử trung bình ASLS Hệ thống định vị tiếng nổ súng (Acoustic Shooter Locating System) BP F Lọc dải thông (Band Pass Filter) CCC Tương quan chéo kinh điển (Classical Cross Correlation) CN N Mạng Neural tích chập (Convolutional Neural Networks) DOA Góc đến (Direction of Arrival) GN SS Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu (Global Navigation Satellite System) GCC Tương quan chéo tổng quát (Generalized Cross Correlation) GCF Trường phối hợp toàn cục (Global Coherence Field) EBL Định vị dựa trên đặc trưng năng lượng (Energy Based Localization) ER Tỉ lệ năng lượng (Energy Ratio) FFT Biến đổi Fourier nhanh (Fast Fourier Transform) F IR Đáp ứng xung hữu hạn (Finite Impulse Response) ICA Phân tích thành phần độc lập (Independent Component Analysis) IF F T Biến đổi Fourier ngược nhanh (Inverse Fast Fourier Transform) M EM S Cảm biến vi cơ (Micro Electro Mechanical Systems) ML Học máy (Machine Learning) M U SIC Phân lớp nhiều tín hiệu (MUltiple SIgnal Classification) P HAT Biến đổi pha (Phase Transform) RN N Mạng Neural hồi tiếp (Recurrent Neural Networks)
viii SCOT Làm trơn tín hiệu (Smoothed Coherence Transform) SSL Định vị nguồn âm thanh (Sound Source Localization) SN R Tỉ số tín trên tạp (Signal to Noise Ratio) SRP Định hướng phản hồi năng lượng (Steered Response Power) SKAT Sự kiện âm thanh T BL Định vị theo đặc trưng thời gian (Time Based Locaclization) T DOA Khác biệt thời gian đến (Time Difference of Arrival) T DE Ước tính thời gian trễ (Time Delay Estimation) T OA Thời gian đến (Time of Arrival) WF Lọc băng con (Wavelet Filter)
ix DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1 Hệ số tương quan trung bình tại các cự ly khác nhau . . . 43 Bảng 2.2 Hệ số tương quan trung bình sau bộ lọc thông dải . . . . . 48 Bảng 2.3 Hệ số tương quan trung bình sau bộ ICA . . . . . . . . . 56 Bảng 2.4 Sai số sai khác biệt thời gian đến cự ly 100m . . . . . . . 71 Bảng 2.5 Sai số sai khác biệt thời gian đến cự ly 500m . . . . . . . 73 Bảng 3.1 Sai số định vị trung bình tại các cự ly . . . . . . . . . . . 83
x DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1 Bảng mạch của hệ thống SoundCompass . . . . . . . . . 8 Hình 1.2 Thiết bị SoundCam của hãng CAE . . . . . . . . . . . . 9 Hình 1.3 Một hình ảnh hoạt động của SoundCam . . . . . . . . . 9 Hình 1.4 Hệ thống trinh sát máy bay của Mỹ năm 1921 . . . . . . . 10 Hình 1.5 Sản phẩm ASLS của hãng Rheinmetall . . . . . . . . . . 11 Hình 1.6 Thiết bị Bionic XS-56 Array của hãng CAE . . . . . . . . 12 Hình 1.7 Phân loại các phương pháp định vị nguồn âm thanh . . . . 14 Hình 1.8 Mô hình định vị nguồn âm . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Hình 1.9 Sơ đồ khối chức năng hệ thống định vị nguồn âm . . . . . 21 Hình 1.10 Cảm biến âm thanh INMP401 . . . . . . . . . . . . . . . 30 Hình 1.11 Cụm 08 cảm biến âm thanh . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Hình 1.12 Tín hiệu phát ra từ nguồn âm . . . . . . . . . . . . . . . 31 Hình 1.13 Tín hiệu âm thanh thu được tại các cự ly khác nhau . . . . 32 Hình 2.1 Phát hiện tiếng nổ đầu nòng của súng AK47 theo biên độ . 36 Hình 2.2 Các bước phát hiện sự kiện âm thanh theo biên độ . . . . 36 Hình 2.3 Lưu đồ thuật toán phát hiện SKAT dùng lọc tương quan . 39 Hình 2.4 Mô phỏng phát hiện sự kiên âm thanh . . . . . . . . . . . 40 Hình 2.5 Xác suất phát hiện sự kiện âm thanh . . . . . . . . . . . . 41 Hình 2.6 Phát hiện sự kiện âm thanh theo biên độ cự ly 100m . . . 42 Hình 2.7 Phát hiện sự kiện âm thanh theo biên độ cự ly 300m . . . 42 Hình 2.8 Phát hiện SKAT dùng bộ lọc tương quan cự ly 100m . . . 43 Hình 2.9 Phát hiện SKAT dùng bộ lọc tương quan cự ly 200m . . . 44 Hình 2.10 Phát hiện SKAT dùng bộ lọc tương quan cự ly 300m . . . 44 Hình 2.11 Phát hiện SKAT dùng bộ lọc tương quan cự ly 400m . . . 45
xi Hình 2.12 Tín hiệu âm thanh sau lọc thông dải . . . . . . . . . . . . 47 Hình 2.13 Xác suất phát hiện sự kiện âm thanh sau bộ lọc BPF . . . 48 Hình 2.14 Hệ số tương quan ở cự ly 100m sử dụng bộ lọc thông dải . 49 Hình 2.15 Hệ số tương quan ở cự ly 500m sử dụng bộ lọc thông dải . 49 Hình 2.16 Mô hình hai nguồn âm trộn lẫn . . . . . . . . . . . . . . 50 Hình 2.17 Lưu đồ thuật toán phát hiện SKAT sử dụng ICA . . . . . 54 Hình 2.18 Tín hiệu âm thanh sau bộ phân tích âm thành phần độc lập 55 Hình 2.19 Xác suất phát hiện sự kiện âm thanh sau bộ lọc ICA . . . 56 Hình 2.20 So sánh hệ số tương quan cự ly 100m . . . . . . . . . . . 57 Hình 2.21 So sánh hệ số tương quan cự ly 500m . . . . . . . . . . . 57 Hình 2.22 Giá trị GCC-PHAT trên cảm biến thứ i và thứ j . . . . . . 61 Hình 2.23 Sai số ước tính khác biệt thời gian đến với hệ số β . . . . 64 Hình 2.24 Lưu đồ thuật toán ước tính khác biệt thời gian đến . . . . 67 Hình 2.25 Các bước thực hiện thuật toán GCC-PHAT . . . . . . . . 69 Hình 2.26 Sai số ước tính khác biệt thời gian đến với hệ số β . . . . 70 Hình 2.27 Giá trị hàm GCC-PHAT ở cự ly 500m . . . . . . . . . . 71 Hình 2.28 Giá trị hàm GCC-PHAT-β -TN ở cự ly 500m . . . . . . . 72 Hình 3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm, áp suất tới vận tốc âm thanh 77 Hình 3.2 Ảnh hưởng của gió tới hướng truyền âm thanh . . . . . . 77 Hình 3.3 Bố trí không gian định vị và trí cảm biến . . . . . . . . . 78 Hình 3.4 Chia nhỏ không gian định vị . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Hình 3.5 Mô hình mô phỏng đánh giá độ chính xác định vị . . . . . 81 Hình 3.6 Sai số định vị theo cự ly . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Hình 3.7 Sai số định vị theo vận tốc âm thanh . . . . . . . . . . . . 84 Hình 3.8 Lưu đồ thuật toán giải pháp giải pháp định vị nguồn âm . 87 Hình 3.9 Sai số vận tốc âm thanh . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 Hình 3.10 Sai số định vị nguồn âm khi vận tốc âm thanh là biến số . 88 Hình 3.11 Định vị nguồn âm sử dụng 04 cụm cảm biến . . . . . . . 90
xii Hình 3.12 Sai số định vị theo cự ly với 1, 2 và 4 cụm cảm biến . . . . 92 Hình 3.13 Mô hình hệ thống định vị nguồn âm đề xuất . . . . . . . . 93 Hình 3.14 Cấu trúc các cụm cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Hình 3.15 Cấu trúc cụm trung tâm . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Định vị nguồn âm thanh là bài toán kỹ thuật quen thuộc, có lịch sử phát triển lâu dài và được ứng dụng thực tế rộng rãi trong quân sự cũng như dân sự. Trong các ứng dụng phục vụ mục đích dân sự, các hệ thống định vị nguồn âm được sử dụng để cảnh báo động đất, tìm kiếm cứu nạn, xác định nguồn ô nhiễm tiếng ồn, xác định vị trí hỏng hóc của máy móc... Trong quân sự, hệ thống định vị nguồn âm có nhiều ứng dụng quan trọng như trinh sát phát hiện đối tượng xâm nhập, xác định vị trí nguồn hỏa lực, xác định điểm nổ, định vị hỏa lực bắn tỉa... Hiện nay, TDOA (Khác biệt thời gian đến - Time Difference Of Arrival) là nguyên lý được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống định vị nguồn âm cho nhiều ứng dụng đa dạng. Cùng với sự phát triển của kỹ thuật điện tử, nguyên lý TDOA được áp dụng, tích hợp trên các phần cứng tiên tiến mang lại hiệu quả định vị với độ chính xác cao. Định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA có các lợi thế như: số lượng cảm biến âm thanh nhỏ, độ chính xác định vị cao, thời gian triển khai nhanh... Do đó rất phù hợp để xây dựng các hệ thống định vị ngoài trời có cự ly định vị xa như phát hiện định vị hỏa lực, trinh sát cảnh giới phát hiện xâm nhập... [22]. Tuy nhiên bản thân kỹ thuật định vị nguồn âm bằng TDOA cũng tồn tại một số nhược điểm như: chịu tác động lớn bởi các điều kiện môi trường, nhiễu và tạp âm, độ chính xác định vị suy giảm khi tỉ số SNR (Signal to Noise Ratio) nhỏ. Bên cạnh đó việc sử dụng nguyên lý TDOA cũng đòi hỏi tính đồng bộ rất cao về thời gian xử lý và tính toán giữa các cặp cảm biến. Do đó hiện nay có rất nhiều nghiên cứu tập trung vào nâng cao độ chính xác định vị nguồn âm bằng cách cải tiến phương pháp định vị dựa trên nguyên lý TDOA. Mặt khác, do liên
2 quan nhiều tới những ứng dụng quân sự, những kết quả nghiên cứu và giải pháp kỹ thuật chi tiết cho các hệ thống định vị nguồn âm thường ít được công bố rộng rãi, nguồn tài liệu khó tiếp cận. Do đó, nghiên cứu nâng cao chất lượng định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA nhằm đáp ứng các yêu cầu hiện nay và trong tương lai cho các hệ thống trinh sát, cảnh giới sử dụng cảm biến âm thanh là cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn. Xuất phát từ những lý do trên, luận án tiến sĩ “Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA” được đặt ra. Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ đóng góp thêm cơ sở khoa học trong tính toán thiết kế, làm cơ sở để mở ra một số hướng nghiên cứu tiếp theo, tiến tới làm chủ giải pháp kỹ thuật, phát triển ứng dụng các hệ thống định vị nguồn âm thanh. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của luận án tập trung vào việc xây dựng các thuật toán xử lý tín hiệu nhằm nâng cao chất lượng định vị nguồn âm thanh sử dụng nguyên lý TDOA, trong điều kiện ngoài trời, cự ly định vị xa, cụ thể như sau: • Nghiên cứu, xây dựng thuật toán phát hiện sự kiện âm thanh trong bài toán định vị nguồn âm theo nguyên lý TDOA; • Nghiên cứu, xây dựng thuật toán nâng cao độ chính xác ước lượng khác biệt thời gian tới; • Nghiên cứu, xây dựng thuật toán giải phương trình định vị nguồn âm trong điều kiên vận tốc âm thanh là một biến số; • Nghiên cứu, xây dựng mô hình hệ thống định vị nguồn âm thanh ngoài trời, cự ly định vị xa, theo nguyên lý TDOA. 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của luận án Đối tượng nghiên cứu của luận án tập trung vào giải pháp định vị nguồn âm thanh dựa trên nguyên lý TDOA. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc định vị
3 nguồn âm thanh cho lớp đối tượng ngoài trời, chịu ảnh hưởng của các điều kiện môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, gió, cự ly định vị xa. Hiệu quả của các giải pháp đề xuất được đánh giá thông qua phương pháp mô phỏng Monte-Carlo trên Matlab, kết hợp với dữ liệu được thu thập trong điều kiện thực tế. 4. Phương pháp nghiên cứu của luận án Vận dụng nguyên lý truyền âm TDOA, xác suất thống kê và giải tích để xây dựng các mối liên hệ toán học, đề xuất một số giải pháp trong bài toán định vị nguồn âm. Đánh giá kết quả bằng mô phỏng thống kê trên máy tính và thử nghiệm trên dữ liệu thu thập được trong điều kiện thực tế. 5. Nội dung nghiên cứu của luận án • Nghiên cứu tổng quan vấn đề định vị nguồn âm, trong đó trọng tâm là giải pháp định vị nguồn âm dựa trên nguyên lý TDOA. • Xây dựng các giải pháp kỹ thuật phát hiện sự kiện âm thanh cần định vị, xây dựng chương trình mô phỏng đánh giá hiệu quả của giải pháp. • Xây dựng các giải pháp kỹ thuật nâng cao chất lượng ước tính khác biệt thời gian đến giữa các cặp cảm biến, xây dựng chương trình mô phỏng đánh giá hiệu quả của giải pháp. • Xây dựng các giải pháp định vị nguồn âm trong điều kiện vận tốc âm thanh biến đổi, xây dựng chương trình mô phỏng đánh giá hiệu quả của giải pháp. • Xây dựng một cụm cảm biến âm thanh nhằm thu thập dữ liệu thực tế làm cơ sở cho các tính toán thử nghiệm. • Xây dựng mô hình hệ thống định vị nguồn âm tích hợp các giải pháp đã nghiên cứu nhằm nâng cao độ chính xác định vị nguồn âm.
4 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu của luận án bổ sung thêm cơ sở lý thuyết và giải pháp kỹ thuật liên quan tới việc định vị nguồn âm thanh sử dụng nguyên lý TDOA, trong đó nhấn mạnh việc giảm nhẹ ảnh hưởng của điều kiện môi trường trong bài toán định vị nguồn âm ngoài trời, cự ly định vị xa, tỉ số SNR nhỏ. Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án có thể áp dụng vào các bài toán thực tế trong lĩnh vực quân sự cũng như dân sự như: định vị hỏa lực bắn tỉa, định vị hỏa lực pháo binh, xác định vị trí điểm nổ, định vị Flycam, phát hiện nguồn ô nhiễm tiếng ồn... 7. Bố cục của luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục các công trình đã công bố của tác giả, tài liệu tham khảo và phụ lục, nội dung của luận án gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA. Trình bày tổng quan về sự phát triển, phân tích phương pháp định vị nguồn âm dựa trên nguyên lý TDOA nói riêng, từ đó đặt ra bài toán nâng cao chất lượng định vị nguồn âm. Chương 2: Đề xuất giải pháp phát hiện sự kiện âm thanh và nâng cao độ chính xác ước lượng khác biệt thời gian đến. Xây dựng giải pháp phát hiện sự kiện âm thanh sử dụng bộ lọc tương quan kết hợp với giải pháp phân tích tín hiệu thành phần độc lập. Xây dựng giải pháp nâng cao chất lượng ước tính khác biệt thời gian đến sử dụng giải thuật GCC-PHAT-β -TN. Chương 3: Xây dựng giải pháp định vị nguồn âm với vận tốc âm thanh là biến số. Đánh giá ảnh hưởng của điều kiện môi trường tới vận tốc âm thanh và sai số
5 định vị nguồn âm, từ đó đưa ra giải pháp nâng cao chất lượng định vị nguồn âm thanh trong trường hợp coi vận tốc âm thanh là một biến số. Xây dựng mô hình hệ thống định vị nguồn âm với các giải pháp nâng cao chất lượng định vị được nghiên cứu trong luận án. Các nội dung và kết quả nghiên cứu chính của luận án đã được công bố trên 5 công trình khoa học tại các tạp chí, hội nghị bao gồm 03 bài tạp chí trong nước, 02 báo cáo hội nghị quốc gia và 01 báo cáo tại hội nghị khoa học quốc tế có phản biện.
6 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ NGUỒN ÂM SỬ DỤNG NGUYÊN LÝ TDOA Chương 1 của luận án trình bày tổng quan về sự phát triển, khả năng ứng dụng của kỹ thuật định vị nguồn âm, trong đó làm rõ mô hình, các bước thực hiện, các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA. Trên cơ sở các công trình nghiên cứu có liên quan và các yêu cầu thực tiễn, đặt ra bài toán, đối tượng, phạm vi nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng định vị nguồn âm theo nguyên lý TDOA. 1.1. Sự phát triển và khả năng ứng dụng của các kỹ thuật định vị nguồn âm 1.1.1. Sự phát triển của kỹ thuật định vị nguồn âm thanh Định vị nguồn âm thanh là kỹ thuật có lịch sử lâu dài, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng phục vụ mục đích dân sự cũng như quân sự. Các nhà khoa học đã quan tâm tới vấn đề định vị nguồn âm thanh từ thời kỳ Hy Lạp cổ đại, tuy nhiên những nghiên cứu hiện đại về vấn đề này chỉ mới được đặt ra vào thế kỷ 19. Năm 1876 Lord Rayleight đã thực hiện một nghiên cứu đánh giá khả năng định hướng nguồn âm thanh của con người, trong đó kết luận rằng tỷ lệ cường độ âm thanh giữa hai tai là cơ sở cho khả năng định hướng âm thanh của con người [49]. Nghiên cứu này là tiền đề cho phương pháp định vị nguồn âm dựa trên cường độ âm thanh được sử dụng rộng rãi hiện nay. Hai năm sau, Silvanus Thompson đã đưa ra một báo cáo, trong đó chứng minh bằng thực nghiệm rằng khả năng định vị nguồn âm của con người dựa trên sự lệch pha tương đối giữa âm thanh trên hai bên tai [59]. Tới năm 1907 Rayleight đưa ra một nghiên cứu trong đó chứng minh các luận điểm của