Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng mảng cảm biến thu tín hiệu thủy âm trong vùng biển nông

Chia sẻ: Gaocaolon6 Gaocaolon6 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:125

Thêm vào BST

Báo xấu

80
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án bao gồm 3 chương với các nội dung: mảng cảm biến thủy âm và vấn đề nâng cao chất lượng mảng ở vùng biển nông; giải pháp nâng cao chất lượng tín hiệu trên cơ sở tạo búp sóng mảng tùy biến; giải pháp xử lý tín hiệu mảng cảm biến thủy âm trong vùng biển nông.

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 mảng cảm biến thu tín hiệu thủy âm trong vùng biển nông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ PHAN HỒNG MINH NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG MẢNG CẢM BIẾN THU TÍN HIỆU THỦY ÂM TRONG VÙNG BIỂN NÔNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ PHAN HỒNG MINH NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG MẢNG CẢM BIẾN THU TÍN HIỆU THỦY ÂM TRONG VÙNG BIỂN NÔNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9 52 02 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. PHAN TRỌNG HANH 2. TS. VŨ VĂN BINH Hà Nội - 2020
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 chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng 06 năm 2020 TÁC GIẢ Phan Hồng Minh
ii MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................... v DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................. ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................................... x MỞ ĐẦU........................................................................................................... 1 1 CHƢƠNG 1: MẢNG CẢM BIẾN THỦY ÂM VÀ VẤN ĐỀ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG MẢNG Ở VÙNG BIỂN NÔNG ............................................ 5 1.1 Tổng quan mảng cảm biến thủy âm ................................................... 5 1.1.1 Mô hình mảng cảm biến.................................................................. 5 1.1.2 Mảng cảm biến và hệ thống sonar thủy âm thụ động ..................... 7 1.2 Vùng biển nông và các đặc trƣng cơ bản ......................................... 12 1.2.1 Khái niệm vùng biển nông ............................................................ 12 1.2.2 Hiệu ứng phản xạ đa đƣờng trong vùng biển nông....................... 12 1.2.3 Ảnh hƣởng tham số của biển nông đến chất lƣợng của hệ thống sonar thủy âm thụ động............................................................................ 16 1.3 Một số giải pháp nâng cao chất lƣợng mảng cảm biến. ................... 17 1.3.1 Tối ƣu hóa cấu trúc hình học của mảng ........................................ 17 1.3.2 Kỹ thuật tạo búp sóng mảng cảm biến .......................................... 19 1.3.3 Xử lý tín hiệu mảng cảm biến ....................................................... 20 1.4 Vấn đề nâng cao chất lƣợng mảng cảm biến thủy âm và hƣớng nghiên cứu của luận án ................................................................................ 22 1.4.1 Các nghiên cứu liên quan đã công bố ........................................... 22 1.4.2 Yêu cầu và hƣớng nghiên cứu của luận án ................................... 27 1.4.3 Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án ............................................... 29 1.5 Kết luận chƣơng 1 ............................................................................ 30
iii 2 CHƢƠNG 2: GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG TÍN HIỆU TRÊN CƠ SỞ TẠO BÚP SÓNG MẢNG TÙY BIẾN................................... 31 2.1 Kỹ thuật tạo búp sóng mảng cảm biến ............................................. 31 2.1.1 Tạo búp sóng với mảng thẳng ....................................................... 33 2.1.2 Tạo búp sóng mảng cảm biến có cấu trúc hình học khác nhau .... 41 2.2 Tạo búp sóng thích nghi cho mảng cảm biến................................... 47 2.2.1 Mô hình và phƣơng pháp tạo búp sóng thích nghi ....................... 47 2.2.2 Tạo búp sóng thích nghi Frost....................................................... 49 2.3 Giải pháp xử lý đa đƣờng trên cơ sở tạo búp sóng mảng tùy biến .. 52 2.3.1 Tạo búp sóng tùy biến với mảng phẳng ........................................ 52 2.3.2 Tính toán và tùy biến mảng để giảm ảnh hƣởng đa đƣờng .......... 56 2.4 Đánh giá hiệu quả phƣơng pháp tạo búp sóng mảng tùy biến ......... 60 2.4.1 Triệt giảm tạp ồn của tín hiệu ....................................................... 60 2.4.2 Nâng cao độ lợi tín hiệu với mảng tùy biến .................................. 65 2.5 Kết luận chƣơng 2 ............................................................................ 66 3 CHƢƠNG 3: GIẢI PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU MẢNG CẢM BIẾN THỦY ÂM TRONG VÙNG BIỂN NÔNG ................................................................ 68 3.1 Xây dựng giải pháp .......................................................................... 68 3.1.1 Mô hình xử lý tín hiệu ................................................................... 68 3.1.2 Đề xuất giải pháp xử lý tín hiệu .................................................... 69 3.2 Phân tích các phần tử độc lập ICA với mảng tùy biến..................... 72 3.2.1 Kỹ thuật phân tích các phần tử độc lập ICA ................................. 72 3.2.2 Xử lý tín hiệu ICA nâng cao chất lƣợng định vị mục tiêu ............ 76 3.3 Giải tích chập mù đa kênh ................................................................ 85 3.3.1 Mô hình giải tích chập mù đa kênh ............................................... 85 3.3.2 Điều kiện giải tích chập mù đa kênh cho mảng cảm biến ............ 88 3.3.3 Ứng dụng mạng nơ ron truyền thẳng để giải tích chập mù .......... 89
iv 3.3.4 Huấn luyện mạng FFNNs tách tín hiệu mong muốn .................... 92 3.3.5 Mô phỏng xử lý tín hiệu đa đƣờng với FFNNs ............................ 94 3.4 Đánh giá hiệu quả giải pháp xử lý tín hiệu phức hợp ...................... 98 3.4.1 Nâng cao tỷ số SNR và độ lợi sau xử lý ICA ............................... 98 3.4.2 Nâng cao SNR và độ lợi sau xử lý với mạng nơ ron FFNNs ....... 99 3.5 Kết luận chƣơng 3 .......................................................................... 100 KẾT LUẬN ................................................................................................... 101 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .............. 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 105
v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ thƣờng, in Biến số (a, x, m,n, M, N) nghiêng Chữ thƣờng, in đậm Véc tơ (a, I, P) Chữ hoa, in đậm Ma trận (A, X, S, H) [.]* Toán tử liên hợp phức [.]H Lấy chuyển vị A-1 Phép lấy nghịch đảo ma trận ⊗ Phép nhân chập ( 𝑧 𝑟, 𝑡 ⊗ 𝑕 𝑟, 𝑡 ) {.} Tập hợp giá trị một dãy số ( {xn (ti),n = 1,..., N} ) E{.} Phép lấy kỳ vọng (E{s} = A-1E{x} ) 𝐱 Làm trắng hóa ma trận x GA Độ lợi mảng cảm biến r, 𝑟 Khoảng cách tƣơng đối của cảm biến và nguồn âm 𝑧 𝑟, 𝑡 Trƣờng áp suất âm (đầu vào của bộ cảm biến) 𝑥 𝑟, 𝑡 Đáp ứng không gian thời gian tín hiệu đầu ra 𝑦 𝑟, 𝑡 Nguồn âm Ψ 𝑟, 𝑡 Đáp ứng môi trƣờng nƣớc ω, 𝑘, t Tần số, số sóng đến và thời gian δ, d Khoảng cách giữa các cảm biến As(fi) Mật độ phổ công suất của s(ti) 𝐷 𝑓, θ, ϕ Véc tơ quay của búp sóng chính 𝜎𝑛2 𝑓𝑖 Mật độ phổ công suất của nhiễu S Ma trận tƣơng quan tín hiệu ( 𝑺 𝑓𝑖 , θ, ϕ ) R(fi ) Không gian ma trân tƣơng quan của nhiễu ( 𝑅𝑚𝑛 𝑓, 𝑑𝑛𝑚 . 𝑅𝜀 𝑓𝑖 = 𝜎𝑛2 𝑓𝑖 𝑅𝜀 𝑓𝑖 ) τn(θ, ϕ) Thời gian trễ tín hiệu đến giữa các cảm biến θϕ Góc phƣơng vị, góc ngẩng c, f, λ Tốc độ, tần số, bƣớc sóng của âm trong nƣớc  đt D  Sai số truyền sóng âm  mt D Sai số thăng dáng mức âm  tn D  Sai số lệch tâm nguồn âm
vi ∆𝑓𝑚𝑡 Băng thông của máy thu H Độ sâu kênh âm aj1, aj2 , …, ajN Hệ số suy giảm s1, s2,.., sN Nguồn âm pn Vị trí cảm biến thủy âm ( p1(x1,y1,z1) ) 𝑎 Véc tơ chỉ hƣớng sóng đến k Số sóng đến (𝜔𝜏𝑛 = 𝐤 𝑇 𝐩𝑛 ) 𝐯𝐤 (𝐤) Véc tơ đa tạp của mảng ( 𝑦(𝑡, 𝐤) = 𝒘𝐻 𝐯𝐤 (𝐤)𝑒 𝑗𝜔𝑡 ) 𝐵𝜃 𝜃 Búp sóng trong không gian θ ( 𝐵𝜃 𝜃 = 𝐰 𝐻 𝐯𝜃 𝜃 ) 𝑾 Trọng số của mảng (𝒘𝐻 ) ϒ.𝜓 𝜓 Hàm của tần số sóng trong không gian ψ NxM Số lƣợng hydrophone trong mảng BWNN Độ rộng búp tính từ điểm = 0 đến điểm = 0 của búp chính (Beamwith Null to Null) 2D Hai chiều 3D Ba chiều ADC Chuyển đổi tƣơng tự số A-NL Tạp âm môi trƣờng xung quanh (Ambient - Noise Level) ATR Kỹ thuật đảo thời gian nhân tạo (Artificial Time Reversal) BD Giải tích chập mù (Blind Deconvolution) DEMON Giải điều chế tách sóng đƣờng bao (Demodulation of Envelope Modulation On Noise) DI Chỉ số định hƣớng thu (Receiving Directivity Index) DSP Xử lý tín hiệu số (Digital Sig nal Processing) DT Xác lập ngƣỡng phát hiện (Detection Threshold) FFNWs Mạng nơ ron đƣờng tiến, hoặc lan truyền tiến (Feed-Forward Neural Networks) FFT Biến đổi Fourier nhanh
vii FIR Đáp ứng xung hữu hạn (Finite Impulse Response) GSC Triệt búp sóng phụ (Generalized sidelobe canceller) HDPR Đo xa thụ động trực tiếp theo phƣơng ngang (Horizontal Direct Passive Ranging) HPBW Độ rộng nửa công suất (half-power beamwidth) ICA Phân tích các phần tử độc lập (Independent Components Analysis) IIR Đáp ứng xung vô hạn (Infinite Impulse Response) LCMV Ràng buộc tuyến tính với phƣơng sai nhỏ nhất (Linearly Constrained Minimum Variance) LMS Trung bình bình phƣơng tối thiểu LOFAR Phân tích và ghi âm tần số tín hiệu thủy âm (Low- Frequency Analysis and Recording) LTI Tuyến tính bất biến theo thời gian (Linear Time Invariant) MBD Giải tích chập mù đa kênh (Multi-Channel Blind Deconvolution) MISO Nhiều đầu vào một đầu ra (Multi Input Single Output) MVDR Đáp ứng không méo với phƣơng sai nhỏ nhất (Minimum Variance Distortionless Response) SIMO Một đầu vào nhiều đầu ra (Single Input Multi Output) SINR Tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng với tạp âm (Signal to Interference plus Noise Ratio) SL Mức công suất phát của nguồn âm (Projector Source Level) SL Mức công suất phát ra từ mục tiêu (Taget Source Level) S-NL Mức tạp âm nội bộ của thiết bị (Seft - Noise Level) SNR Tỷ số tín hiệu tạp âm STR Kỹ thuật đồng bộ đảo thời gian (Synthetic Time Reversal)
viii TDOA Thời điểm khác nhau của sóng tới (Time Diffirence Of Arrivals) TL(PL) Suy hao đƣờng truyền kênh âm (Transmission Loss/ Propagation Loss) ULA Mảng thẳng cách đều (Uniform Linear Arrays)
ix DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1: Các kỹ thuật tạo búp sóng thông thường. ..................................... 33 Bảng 2.2: Tính HPBW trong các không gian khác nhau................................ 41 Bảng 2.3: Các kỹ thuật tạo búp sóng thích nghi. ........................................... 47 Bảng 2.4: Độ lợi GA tại các góc hướng của mảng phẳng tùy biến. ............... 58 Bảng 2.5: Độ lợi của mảng thường ULA theo 3 góc tới của tín hiệu. ............ 66 Bảng 2.6: Độ lợi của mảng phẳng tùy biến theo 3 góc tới của tín hiệu. ........ 66 Bảng 3.1: Vị trí các cụm hydrophone. ............................................................ 83 Bảng 3.2: Tính toán định vị mục tiêu 1. .......................................................... 84 Bảng 3.3: Tính toán định vị mục tiêu 2. .......................................................... 84 Bảng 3.4: Tính toán định vị mục tiêu 3. .......................................................... 85 Bảng 3.5: Tính toán tỷ số SNR để xác định độ lợi sau xử lý ICA. .................. 99
x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1: Mô hình thu tín hiệu không gian thời gian của mảng cảm biến. ...... 6 Hình 1.2: Mô hình cấu trúc hệ thống sonar thủy âm thụ động......................... 8 Hình 1.3: Hiệu ứng đa đường ở vùng biển nông. ........................................... 13 Hình 1.4: Mô phỏng hiệu ứng đa đường với 5 tia âm. ................................... 15 Hình 1.5: Tín hiệu xung bị ảnh hưởng đa đường. .......................................... 15 Hình 1.6: Búp sóng mảng thẳng có 5 phần tử. ............................................... 19 Hình 1.7: Sơ đồ khối hệ thống xử lý tín hiệu mảng cảm biến. ........................ 20 Hình 1.8: Mô hình giải tích chập mù sử dụng mạng nơ ron. ......................... 21 Hình 1.9: Mô hình xử lý tín hiệu nâng cao chất lượng mảng cảm biến. ........ 29 Hình 2.1: Mảng cảm biến và tạo búp sóng cho mảng. ................................... 31 Hình 2.2: Mảng thẳng bố trí theo trục z. ........................................................ 33 Hình 2.3: Búp sóng mảng thẳng ϒ(ψ): ψ = 2𝜋𝜆𝑑. 𝑐𝑜𝑠𝜃, 𝑁 = 11. ................ 37 Hình 2.4: Búp sóng mảng thẳng |ϒ(ψ)| theo dB. ........................................... 38 Hình 2.5: Búp sóng mảng thẳng |ϒ(ψ)| tính theo hàm loga (dB). ................. 38 Hình 2.6: Búp sóng mảng thẳng ϒ(ψ) vẽ trong tọa độ cực (dB). ................... 39 Hình 2.7: Búp sóng mảng thẳng ϒ(ψ) vẽ trong không gian 3D. .................... 39 Hình 2.8: Độ rộng búp sóng chính. ................................................................ 40 Hình 2.9: Búp sóng mảng tròn khi quay 0o. .................................................... 43 Hình 2.10: Búp sóng mảng tròn khi quay 45o. ................................................ 43 Hình 2.11: Búp sóng mảng phẳng 5x5 quay 0o............................................... 44 Hình 2.12: Búp sóng mảng phẳng 5x5 quay 45o............................................. 44 Hình 2.13: Búp sóng mảng trụ tròn 5x10 quay 0o. ......................................... 45 Hình 2.14: Búp sóng mảng trụ tròn 5x10 quay 30o. ....................................... 45 Hình 2.15: Búp sóng mảng cầu 42 phần tử quay [0,0] o. ................................ 46 Hình 2.16: Búp sóng mảng cầu 42 phần tử quay [30,25] o. ............................ 46
xi Hình 2.17: Mô hình tạo búp sóng thích nghi của B. Widrow [39]. ................ 48 Hình 2.18: Thuật toán tạo búp sóng Frost. .................................................... 49 Hình 2.19: Tạo búp sóng thích nghi với thuật toán Frost. ............................. 52 Hình 2.20: Cấu trúc hình học và chùm búp sóng mảng phẳng 5x7. .............. 53 Hình 2.21: Búp sóng mảng thẳng 1x5. ........................................................... 54 Hình 2.22: Búp sóng mảng phẳng đường tròn. .............................................. 55 Hình 2.23: Búp sóng mảng phẳng hình thang. ............................................... 55 Hình 2.24: Cấu trúc hình học của một số mảng phẳng. ................................. 56 Hình 2.25: Búp sóng mảng thẳng 30 hydrophone. ......................................... 56 Hình 2.26: Tạo búp sóng với 3 mảng thẳng độc lập 10 hydrophone. ............ 57 Hình 2.27: Tạo búp sóng với 1 mảng thẳng và 2 mảng xoay 10o ................... 57 Hình 2.28: Tùy biến thành 3 mảng và búp sóng mảng phẳng 4x6. ................ 60 Hình 2.29: Búp sóng mảng thẳng 1x6 quay 180o và 1x5 quay 25o. ............... 60 Hình 2.30: Một số tín hiệu âm thanh dưới nước sử dụng để mô phỏng. ........ 61 Hình 2.31: Mảng thường ULA và mảng phẳng tùy biến. ............................... 62 Hình 2.32: Tín hiệu hỗn hợp thu tại cảm biến bất kỳ. .................................... 62 Hình 2.33: Tạo búp sóng Delay and Time mảng ULA góc S1 [-30O, 0O]. ...... 63 Hình 2.34: Tạo búp sóng Delay and Time mảng tùy biến góc S1 [-30O, 0O]. . 63 Hình 2.35: Tạo búp sóng thích nghi Frost mảng ULA góc S1 [-30O, 0O]. ...... 64 Hình 2.36: Tạo búp sóng thích nghi Frost mảng tùy biến góc S1 [-30O, 0O].. 64 Hình 3.1:Mô hình giải pháp xử lý tín hiệu mảng cảm biến. ........................... 68 Hình 3.2: Lưu đồ thuật giải thuật xử lý tín hiệu. ............................................ 70 Hình 3.3: Lưu đồ giải thuật tạo búp sóng mảng tùy biến. .............................. 71 Hình 3.4: Phân tách hỗn hợp âm thành các nguồn âm riêng biệt. ................. 75 Hình 3.5: Mảng cảm biến định vị mục tiêu. .................................................... 78 Hình 3.6: Xác định TDOA của tín hiệu thuỷ âm đến các hydrophone. .......... 81 Hình 3.7: Mô hình ICA để định vị đa mục tiêu. .............................................. 82
xii Hình 3.8: Cấu hình mảng cảm biến. ............................................................... 83 Hình 3.9: Tách hỗn hợp âm thanh mục tiêu thành các nguồn âm độc lập. .... 84 Hình 3.10: Mô hình minh họa giải tích chập mù đa kênh. ............................. 87 Hình 3.11: Cấu trúc hình học mạng nơ ron FFNWs. ..................................... 90 Hình 3.12: Hướng của hai luồng tín hiệu trong một lớp tri giác. .................. 91 Hình 3.13: Biểu đồ tín hiệu thuật toán truyền có phản hồi. ........................... 93 Hình 3.14: Tín hiệu đa đường với 10 tia trong kênh thủy âm. ....................... 95 Hình 3.15: Tín hiệu xung phát. ....................................................................... 96 Hình 3.16:Tín hiệu ảnh hưởng bởi hiệu ứng đa đường. ................................. 96 Hình 3.17: Các mẫu huấn luyện và mẫu tín hiệu đưa vào mạng nơ ron. ....... 97 Hình 3.18: Tín hiệu sau khi xử lý bằng mạng nơ ron. .................................... 97 Hình 3.19: Tín hiệu miền tần số. ..................................................................... 99
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Biển đặc biệt quan trọng đối với quốc phòng an ninh, với phát triển kinh tế xã hội và hội nhập với thế giới. Tất cả các quốc gia có biển đều phải có phƣơng án và giải pháp bảo vệ an toàn vùng biển, vùng đảo, vùng lãnh hải hợp pháp của mình. Bảo vệ an toàn các căn cứ quân sự ven biển và các quần đảo trên biển, phát hiện nhận dạng mục tiêu để phòng chống các mục tiêu dƣới nƣớc xâm nhập từ biển là rất cấp thiết. Đất nƣớc Việt Nam là một nƣớc đang phát triển và yêu chuộng hoà bình, vũ khí khí tài trang bị cho quân đội chủ yếu để phòng thủ và bảo vệ chủ quyền. Việc phát hiện và cảnh giới bờ biển từ xa nhằm chống xâm nhập của các mục tiêu dƣới nƣớc bảo vệ các căn cứ quân sự ven biển, phục vụ tác chiến cho ngƣời chỉ huy là rất quan trọng và phù hợp với chủ trƣơng chung của Đảng và Nhà Nƣớc ta. Phát hiện và cảnh báo sớm các mục tiêu dƣới nƣớc nhằm bảo vệ vùng biển là một chiến lƣợc quân sự cần thiết, các quốc gia có biển thƣờng bố trí các hệ thống thu thuỷ âm riêng biệt hoặc bố trí nhiều hệ thống các sonar thụ động và chủ động trên toàn bộ khu vực cần bảo vệ thuộc lãnh hải của mình. Vùng biển Việt Nam phần lớn là vùng biển nƣớc nông, do vậy chịu nhiều sự tác động của môi trƣờng đến chất lƣợng thu tín hiệu thủy âm của các hệ thống sonar, điển hình là hiệu ứng đa đƣờng do tín hiệu bị phản xạ nhiều lần giữa tầng đáy và bề mặt đại dƣơng trƣớc khi đến bộ thu, một đặc trƣng nữa là tạp ồn của vùng biển nông cũng cao do chịu nhiều tác động của các nguồn gây nhiễu tự nhiên và nhân tạo. Do vậy, việc nghiên cứu các giải pháp nâng cao chất lƣợng tín hiệu thu đƣợc từ các hệ thống sonar có ý nghĩa quan trọng trong việc phát hiện mục tiêu, nó quyết định đến khả năng quan sát và cảnh báo sớm các nguy cơ tiềm ẩn dƣới nƣớc. Các hệ thống quan trắc cảnh giới và phòng thủ bờ biển, các giải pháp chống xâm nhập từ biển, phát hiện tàu ngầm, tàu nổi và cảnh báo sớm mục
2 tiêu dƣới nƣớc của các quốc gia trên thế giới đều tuyệt mật, không bao giờ đƣợc công bố, không bao giờ chuyển giao. Trên thế giới có rất nhiều hệ thống trinh sát thuỷ âm hiện đại sử dụng trong quân sự đƣợc phát triển bởi nhiều hãng khác nhau. Tuy nhiên việc thƣơng mại hóa và chuyển giao công nghệ là một việc vô cùng khó khăn bởi bị ràng buộc bởi nhiều yếu tố nhƣ chính trị, ngoại giao và nhiều vấn đề nhạy cảm khác. Bên cạnh đó các kết quả nghiên cứu về công nghệ thuỷ âm, sonar dƣới nƣớc có liên quan đến vũ khí quân sự, liên quan đến kỹ thuật phòng thủ cảnh giới cũng nhƣ tấn công các mục tiêu dƣới nƣớc đều đƣợc giữ bí mật, không đƣợc công bố. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Nghiên cứu các giải pháp mới nhằm giảm thiểu ảnh hƣởng của hiệu ứng đa đƣờng, tạp nhiễu của môi trƣờng lên mảng cảm biến của hệ thống sonar thụ động theo dõi đồng thời nhiều mục tiêu trong vùng biển nông: Giải pháp tùy biến cấu hình hình học của mảng cảm biến nhằm tăng độ lợi của mảng trên các hƣớng quan tâm; giải pháp khử đa đƣờng bằng kỹ thuật giải tích chập mù; giải pháp phân tích tín hiệu thu đƣợc thành các thành phần độc lập ứng với các mục tiêu khác nhau, từ đó nâng cao chất lƣợng phát hiện, định vị mục tiêu. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu của luận án là cấu trúc và phƣơng pháp xử lý tín hiệu mảng cảm biến thuỷ âm trong các tổ hợp khí tài sonar thụ động gắn cố định trên tàu hoặc các hệ sonar phát hiện định vị mục tiêu dạng phao thủy âm thụ động dùng trong vùng biển nông. Phạm vi nghiên cứu bao gồm: Nghiên cứu đặc tính của vùng biển nông và ảnh hƣởng của hiệu ứng đa đƣờng đến tín hiệu thu của hệ thống định vị thủy âm thụ động; Nghiên cứu xây dựng các giải pháp nâng cao chất lƣợng tín hiệu thu của mảng cảm biến thuỷ âm trên cơ sở lựa chọn mô hình cấu trúc phù hợp kết hợp với kỹ thuật tạo búp sóng tùy biến thích nghi, làm tăng độ lợi của mảng cảm biến thủy âm; Nghiên cứu xây dựng giải pháp giảm thiểu ảnh
3 hƣởng đa đƣờng và tạp âm môi trƣờng đến tín hiệu thu, làm tăng tỷ số SNR của tín hiệu, từ đó nâng cao chất lƣợng phát hiện mục tiêu trong vùng biển nông. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu đã đƣợc sử dụng bao gồm: phân tích lý thuyết, xây dựng các mô hình toán học, sử dụng các công cụ mô phỏng Matlab, Simulink và thiết bị phòng thí nghiệm để kiểm chứng và thực nghiệm các giải pháp đề xuất. 5. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của luận án Việc nghiên cứu nâng cao chất lƣợng của mảng cảm biến thủy âm dùng cho hệ thống và thiết bị định vị thụ đồng các mục tiêu phát xạ thủy âm dƣới nƣớc đƣợc thực hiện trên cơ sở giải pháp về cấu trúc và xử lý tín hiệu thủy âm đối với vùng biển nông là giải quyết yêu cầu khoa học và yêu cầu thực tiễn hiện nay. Kết quả nghiên cứu của luận án với việc đề xuất một giải pháp về cấu trúc mảng và tạo búp sóng tùy biến thích nghi và một giải pháp xử lý tín hiệu thủy âm phức hợp trên cơ sở kết hợp hai kỹ thuật xử lý tín hiệu ICA và MBD sẽ đóng góp thêm về mặt lý luận đối với lĩnh vực định vị thủy âm. Đồng thời các kết quả nghiên cứu này đã gắn với những điều kiện và đặc điểm của vùng biển Việt Nam, do vậy sẽ là cơ sở và định hƣớng tốt khi thiết kế hệ thống hoặc thiết bị định vị thủy âm tại vùng biển Việt Nam phục vụ an ninh quốc phòng. 6. Nội dung nghiên cứu của luận án Theo nhƣ hiểu biết của NCS thì hiện nay có rất nhiều các đề tài, luận án nghiên cứu cải tiến vũ khí dƣới nƣớc, nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị thuỷ âm. Nhƣng chƣa có công trình nghiên cứu chuyên sâu nào liên quan đến nâng cao chất lƣợng mảng cảm biến thuỷ âm trong vùng biển nông theo giải pháp kết hợp thay đổi cấu trúc hình học và xử lý tín hiệu thủy âm. Trong tƣơng lai, việc xây dựng đƣợc các phƣơng pháp đo lƣờng thủy âm và kết hợp xử lý mảng cảm biến trong vùng biển Đông của Việt Nam có ý nghĩa quan trọng
4 trong phát triển khoa học công nghệ biển. Do đó, việc nghiên cứu các giải pháp xử lý mảng đang là vấn đề thách thức đã và đang đƣợc nhà khoa học trong nƣớc quan tâm. Vì vậy, nghiên cứu xây dựng các giải pháp và thuật toán nâng cao độ lợi của mảng, tỷ số SNR của tín hiệu kết hợp với mô phỏng thực nghiệm là những nội dung chính của luận án tiến sĩ kỹ thuật “Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng mảng cảm biến thu tín hiệu thủy âm trong vùng biển nông”. 7. Bố cục của luận án Luận án đƣợc bố cục gồm phần mở đầu, phần nội dung trình bày thành 3 chƣơng; chƣơng 1 tổng quan và 2 chƣơng nội dung kết quả nghiên cứu chính và phần kết luận. Chƣơng 1 của luận án giới thiệu tổng quan về mảng cảm biến thủy âm, mô hình hệ sonar thủy âm thụ động và một số các tham số tác động vào độ chính xác phát hiện, định vị, các tham số ảnh hƣởng đến chất lƣợng mảng cảm biến. Nêu đặc trƣng của biển nông ảnh hƣởng đến truyền sóng âm nhƣ hiệu ứng đa đƣờng tác động vào mảng cảm biến, các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc liên quan đến hƣớng nghiên cứu; từ đó đề ra hƣớng nghiên cứu của luận án. Chƣơng 2 đề xuất cấu trúc hình học mảng cảm biến và giải pháp tạo búp sóng tùy biến. Đƣa ra cơ sở toán học và mô hình của mảng, xử lý tín hiệu tạo búp sóng tùy biến kết hợp điều khiển quay búp sóng chính mảng cảm biến để nâng cao độ lợi của mảng, đây là cơ sở để tính toán mô phỏng thực nghiệm và đánh giá kết quả. Chƣơng 3 của luận án là một đề xuất giải pháp tổng thể mô hình xử lý tín hiệu thủy âm kết hợp phƣơng pháp phân tích các nguồn âm độc lập (ICA), xử lý thích nghi búp sóng mảng tùy biến và sử dụng mô hình mạng nơ ron để giải tích chập mù đa kênh ƣớc lƣợng khôi phục tái tạo lại tín hiệu ban đầu.
5 1 CHƢƠNG 1: MẢNG CẢM BIẾN THỦY ÂM VÀ VẤN ĐỀ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG MẢNG Ở VÙNG BIỂN NÔNG 1.1 Tổng quan mảng cảm biến thủy âm Mô hình cơ bản của mảng cảm biến đƣợc thể hiện trong Hình 1.1, trong đó xử lý tín hiệu mảng đƣợc minh họa hai chiều (2D) liên quan đến phân tích phổ thời gian và không gian. Việc xử lý thời gian cung cấp các đặc tính phổ tần số đƣợc sử dụng để phát hiện phân loại mục tiêu, quá trình xử lý không gian cung cấp các thông tin về đặc tính định hƣớng (hƣớng, khoảng cách…) của một tín hiệu đƣợc phát hiện. Do đó, xử lý không gian - thời gian là khái niệm xử lý cơ bản trong hệ thống sonar và siêu âm dƣới nƣớc [33]. 1.1.1 Mô hình mảng cảm biến Nguồn âm đƣợc quan tâm trong sonar và siêu âm là các ứng dụng băng hẹp và băng rộng thỏa mãn phƣơng trình truyền sóng trong [31],[37], hơn nữa các thuộc tính không gian thời gian của chúng có thể tách rời độc lập đƣợc. Bởi vậy việc đo trƣờng áp 𝑧 𝑟, 𝑡 đƣợc kích thích bởi các nguồn âm có thể xác định đáp ứng không gian thời gian 𝑥 𝑟, 𝑡 . Véc tơ 𝑟 là vị trí tƣơng đối của cảm biến và nguồn âm, t là thời gian. Đáp ứng đầu ra 𝑥 𝑟, 𝑡 là tích chập của 𝑧 𝑟, 𝑡 và đáp ứng của mảng cảm biến 𝑕 𝑟, 𝑡 . 𝑥 𝑟 , 𝑡 = 𝑧 𝑟 , 𝑡 ⊗ 𝑕 𝑟, 𝑡 (1.1) Trong đó 𝑧 𝑟, 𝑡 đƣợc định nghĩa là đầu vào của bộ thu và là tích chập của các thuộc tính nguồn âm 𝑦 𝑟, 𝑡 và đáp ứng của môi trƣờng dƣới nƣớc Ψ 𝑟, 𝑡 . 𝑧 𝑟, 𝑡 = 𝑦 𝑟 , 𝑡 ⊗ Ψ 𝑟, 𝑡 (1.2) Biến đổi Fourier phƣơng trình (1.1) ta đƣợc: 𝑋 𝜔, 𝑘 = 𝑌 𝜔, 𝑘 . Ψ 𝜔, 𝑘 𝐻 𝜔, 𝑘 (1.3) Ở đây ω, 𝑘 là tần số và số sóng đến trong phổ không gian thời gian của phép biến đổi trong công thức (1.1)(1.2). Xử lý tín hiệu tạo búp sóng ở phía
6 mảng thu có thể ƣớc lƣợng đƣợc góc quan sát của mảng (bearing) và khoảng cách đến nguồn âm. 𝑦 𝑟, 𝑡 Ψ 𝑟, 𝑡 Không gian Nguồn Môi trường 𝑧 𝑟, 𝑡 𝑥𝑁 𝑟, 𝑡 Sóng phẳng θ δ 𝑧 𝑟, 𝑡 = 𝑦 𝑟 , 𝑡 ⊗ Ψ 𝑟, 𝑡 𝑥𝑛 +1 𝑟, 𝑡 𝑥𝑛 𝑟, 𝑡 𝑥1 𝑟, 𝑡 Mảng cảm biến Thời gian Thời gian trễ của tín hiệu 𝜏=0 𝜏𝑛+1 𝜏𝑁 đến các cảm biến 𝜏𝑛 𝜃 = 𝑛 − 1 𝛿𝑐𝑜𝑠𝜃/𝑐 Hình 1.1: Mô hình thu tín hiệu không gian thời gian của mảng cảm biến. Xét một mảng đa chiều gồm nhiều cảm biến có khoảng cách đều nhau là δ. Đầu ra của bộ cảm biến thứ n là một chuỗi thời gian biểu thị bởi xn (ti), trong đó (i = 1, ..., Ms) là các mẫu thời gian cho mỗi chuỗi thời gian cảm biến. X* là véc tơ chuyển vị liên hợp phức của x, do đó là vector hàng của chuỗi tín hiệu thời gian cảm biến nhận đƣợc {xn (ti), n = 1, 2, ..., N}, xn (ti) = sn(ti) + εn(ti), ở đây sn(ti) và εn(ti) là tín hiệu và các thành phần tạp nhiễu thu đƣợc theo thời gian của cảm biến. 𝑺 và 𝜺 là các véc tơ cột của tín hiệu và các thành phần tạp nhiễu của véc tơ 𝑿 của đầu ra cảm biến, (𝑥 = 𝑠 + 𝜀 ). 𝑀𝑠 𝑋𝑛 𝑓 = 𝑥𝑛 𝑡𝑖 exp −𝑗2𝜋𝑓𝑡𝑖 (1.4) 𝑖=1