Cơ học & Điều khiển thiết bị bay<br />
<br />
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THAM SỐ LỚP ĐÁY<br />
ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỊNH VỊ MỤC TIÊU NGẦM<br />
TRONG VÙNG BIỂN NÔNG<br />
Trịnh Đăng Khánh1, Trần Phú Ninh2*, Lâm Viết Huy3, Đoàn Thế Hoàng2<br />
Tóm tắt: Bài báo trình bày về phương pháp định vị mục tiêu ngầm trong vùng<br />
biển nông. Mô phỏng và đánh giá sự ảnh hưởng của các tham số lớp đáy như vận<br />
tốc âm, mật độ môi trường đến độ chính xác quá trình định vị mục tiêu ngầm. Kết<br />
quả mô phỏng cho thấy sự thay đổi vận tốc âm, hệ số mật độ sẽ ảnh hưởng đến chất<br />
lượng định vị. Yêu cầu tối thiểu khi đánh giá vận tốc âm là sai số ∆c ≤ 10m/s và hệ<br />
số mật độ là sai số ≤ 0.5 /dB.<br />
Từ khóa: Mô hình truyền âm, Xử lý trường phối hợp, định vị, Vùng nước nông.<br />
<br />
1. GIỚI THIỆU<br />
Phát hiện và định vị nguồn âm trong vùng biển nước nông sử dụng phương<br />
pháp xử lý trường phối hợp (Matching Field Processing – MFP) đã được nghiên<br />
cứu [1-3]. Trong [4-5] chỉ ra có thể định vị mục tiêu ngầm sử dụng một<br />
hydrophone và định vị nguồn âm dải rộng có mức tín hiệu nhỏ trong vùng biển<br />
nước nông với một hydrophone.<br />
Đặc điểm truyền sóng trong vùng nước nông rất phức tạp, do vậy để định vị<br />
mục tiêu trong vùng nước nông phải gắn chặt với các yếu tố môi trường. Hay nói<br />
cách khác việc tính toán, mô hình hóa quá trình truyền âm chính xác sẽ quyết định<br />
lớn đến chất lượng định vị mục tiêu ngầm. Khái niệm về phương pháp trường phối<br />
hợp mang ý nghĩa là thuật toán định vị cần phối hợp với môi trường.<br />
Trong [9] nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số môi trường đến việc mô hình<br />
hóa âm và [10] nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số định vị. Kết quả, khi<br />
các tham số môi trường thay đổi sẽ làm cho việc tính hàm Green và trường thay<br />
thế sẽ sai lệch. Khi đó kết quả định vị cũng sẽ xảy ra sai số. Tuy nhiên [10] mới đề<br />
cập đến sự thay đổi của các tham số lớp nước trong môi trường thử nghiệm.<br />
Bài báo này trình bày phương pháp định vị nguồn âm dải rộng ở môi trường<br />
nước nông sử dụng một hydrophone và nghiên cứu sự ảnh hưởng các tham số lớp<br />
đáy đến chất lượng định vị. Phần đầu bài báo trình bày thuật toán định vị dùng<br />
phương pháp xử lý trường phối hợp sử dụng một hydrophone và ảnh hưởng của<br />
tham số lớp đáy đến chất lượng định vị; Phần tiếp theo trình bày về môi trường thử<br />
nghiệm; Phần cuối đưa ra kết quả mô phỏng và kết luận.<br />
2. THUẬT TOÁN ĐỊNH VỊ VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA THAM SỐ MÔI<br />
TRƯỜNG ĐẾN KẾT QUẢ ĐỊNH VỊ<br />
Thuật toán định vị MFP dải rộng sử dụng 1 hydrophone dựa vào nguyên tắc<br />
chia không gian cần quan sát thành các mắt lưới theo khoảng cách ri và độ sâu zj<br />
<br />
(Hình 1). Tiếp theo, tính trường thay thế r ij tại điểm thu khi giả thiết nguồn phát ở<br />
từng vị trí lưới với dữ liệu đo được tại hydrophone. Kết quả tương quan tốt nhất<br />
<br />
giữa tín hiệu trường thay thế và giá trị đo được tại hydrophone r sẽ xác định được<br />
vị trí nguồn [5].<br />
<br />
<br />
40 T. Đ. Khánh, …, “Nghiên cứu ảnh hưởng của tham số lớp đáy… trong vùng biển nông.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
2<br />
2<br />
e ij<br />
r rij (1)<br />
<br />
Thuật toán định vị trong bài báo này sử dụng phương pháp bình phương tối<br />
thiểu.<br />
2 2<br />
Khi đó tương quan tốt nhất ứng với giá trị e ij nhỏ nhất, hoặc giá trị 1 / e ij lớn<br />
nhất sẽ xác định được vị trí nguồn L (Localization).<br />
Tín hiệu trường thay thế ở hydrophone tương ứng với nguồn phát ở từng vị trí<br />
<br />
mắt lưới r ij tính bằng công thức sau [5].<br />
<br />
rij Gij .s n (2)<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 1. Minh họa thuật toán MFP với một hydrophone.<br />
Ở đó Gij là ma trận tích chập của hàm Green cho một vị trí thu và phát cố định<br />
tương ứng với mắt lưới ở vị trí ri, zj; s là véc tơ tín hiệu rời rạc theo thời gian; rij là<br />
véc tơ đo được tại hydrophone; n là tạp âm môi trường.<br />
Để tính ma trận tích chập Gij , phải tính giá trị hàm Green theo thời gian bằng<br />
giải phương trình sóng [7]:<br />
1 2 p<br />
2 p (3)<br />
c 2 t 2<br />
Trong đó, p là áp suất âm, còn c là vận tốc âm.<br />
Giá trị Hàm Green có thể tính trực tiếp theo phương trình (3) hoặc tính hàm<br />
Green theo tần số, sau đó biến đổi ngược IFFT để nhận được hàm Green theo thời<br />
gian. Như [3], có một số phương pháp tính hàm Green, trong đó có 3 phương pháp<br />
phổ biến là phương pháp tia, phương pháp mode và phương pháp parapolic.<br />
Phương pháp tia thường hay dùng ở tần số cao, vùng biển sâu; phương pháp<br />
parapolic tính toán tương đối phức tạp. Trong vùng biển nông và tần số thấp, người<br />
ta hay dùng phương pháp mode chuẩn để mô hình hóa quá trình truyền âm.<br />
Hàm Green phụ thuộc tần số theo phương pháp mode chuẩn như sau [6]:<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 41<br />
Cơ học & Điều khiển thiết bị bay<br />
<br />
<br />
i j e jkm ri<br />
Gij (ri , z j , f ) e 4 m ( z j ) m ( z ) (4)<br />
( zs ) 8 ri m 1 km<br />
<br />
Ở đó ri, zj là khoảng cách và độ sâu của nguồn, z là độ sâu của hydrophone, hệ<br />
số mật độ môi trường, là giá trị mode chuẩn và k là hệ số sóng.<br />
Để tính hàm Green, tính được hàm mode chuẩn . Hàm mode chuẩn thỏa mãn<br />
các điều kiện sau [6]:<br />
2 <br />
''( z ) 2<br />
k 2 ( z ) 0 (5)<br />
c ( z) <br />
(0) 0 (6)<br />
( D) 0 (7)<br />
Nghiệm phương trình trên phụ thuộc vào môi trường, các tham số và điều kiện<br />
biên của môi trường và lời giải chi tiết được trình bày trong [6].<br />
Từ công thức (4÷7), hàm Green theo tần số phụ thuộc vào tham số môi trường<br />
như cấu trúc các lớp, độ sâu của lớp, vận tốc âm thanh, hệ số mật độ của các lớp và<br />
vị trí tương đối giữa nguồn phát và nguồn thu, tần số nguồn phát [6]. Do đó, tín<br />
hiệu trường thay thế, sai số bình phương tối thiểu, kết quả định vị cũng phụ thuộc<br />
vào các tham số môi trường, phụ thuộc vào phương pháp tính mô hình âm cũng<br />
như các thuật toán ước lượng, tính sai số bình phương tối thiểu.<br />
3. MÔI TRƯỜNG THỬ NGHIỆM<br />
Để đánh giá ảnh hưởng của môi trường, bài báo lựa chọn một vùng nước nông<br />
điển hình ở biển Việt Nam có các tham số môi trường như hình 2 [10].<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 2. Mô hình môi trường đại dương tại điểm lắp đặt.<br />
Trong các tham số trên, tham số vận tốc âm là quan trọng nhất vì vận tốc âm là<br />
một hàm của các tham số nhiệt độ, độ mặn và độ sâu, nó quyết định nhiều đến quá<br />
trình phản xa, khúc xạ âm như định luật Snell [7]. Ngoài ra, hệ số mật độ môi<br />
trường, và hệ số hấp thụ cũng ảnh hưởng lớn đến sự phản xạ và hấp thụ âm.<br />
Như vậy, để mô hình hóa quá trình truyền âm và tính toán định vị mục tiêu<br />
ngầm cần biết chính xác các tham số môi trường. Đây là một trong vấn đề hết sức<br />
khó khăn vì việc đo và khảo sát môi trường trong điều kiện thực tế cần rất nhiều<br />
thời gian và các trang bị máy móc. Hiện nay, các tham số lớp nước có thể đo được<br />
<br />
<br />
42 T. Đ. Khánh, …, “Nghiên cứu ảnh hưởng của tham số lớp đáy… trong vùng biển nông.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
bằng các thiết bị đo vận tốc âm và đo độ sâu. Tuy nhiên, các tham số lớp đáy cần<br />
phải sử dụng các mũi khoan sâu xuống đáy và vấn đề đo đạc gặp nhiều khó khăn.<br />
4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG<br />
4.1. Kịch bản mô phỏng<br />
a, Mô phỏng, khảo sát kết quả định vị khi vận tốc âm lớp đáy thay đổi trong<br />
khoảng: c=(1÷30)m/s<br />
b, Mô phỏng, khảo sát kết quả định vị khi hệ số mật độ lớp đáy thay đổi trong<br />
khoảng: =(0.1÷1.5) /dB.<br />
4.2. Số liệu đầu vào<br />
- Các tham số môi trường như trong hình 2.<br />
- Nguồn âm dạng tín hiệu điều tần tuyến tính LMF có độ rộng phổ 50÷150 Hz, ở vị<br />
trí (2000m, 59m).<br />
- Các tham số lớp đáy thay đổi trong khoảng c = (1÷30)m/s; = (0.1÷1.5)/dB.<br />
4.3. Phương pháp, công cụ mô phỏng<br />
- Phương pháp: Tính toán kết quả bằng modul phần mềm mô phỏng mô hình<br />
âm và kết quả định vị như công thức (1), (2), (4).<br />
- Công cụ mô phỏng: Sử dụng phầm mềm Matlab.<br />
4.4. Kết quả mô phỏng và bình luận<br />
a, Ảnh hưởng của vận tốc âm lớp đáy đến kết quả định vị<br />
Kết quả mô phỏng việc tính giá trị mode như công thức (4-7) và điều kiện các tham<br />
số môi trường như hình 2, với tần số 100Hz được biểu diễn trên hình 3.<br />
0.2<br />
0.1<br />
0<br />
0 20 40 60 80 100 120<br />
0.2<br />
0<br />
-0.2<br />
0 20 40 60 80 100 120<br />
n ñoä<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
0.2<br />
0<br />
Bieh<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
-0.2<br />
0 20 40 60 80 100 120<br />
0.2<br />
0<br />
-0.2<br />
0 20 40 60 80 100 120<br />
0.2<br />
0<br />
-0.2<br />
0 20 40 60 80 100 120<br />
0.2<br />
0<br />
-0.2<br />
0 20 40 60 80 100 120<br />
Ñoä sahï<br />
<br />
Hình 3. Số mode chuẩn được tính với tham số môi trường ở hình 2.<br />
Mô phỏng kết quả định vị với vận tốc âm lớp đáy trong khoảng c = (1÷30)m/s,<br />
được thể hiện như trên Hình 4,5 và Bảng 1.<br />
Toïa ñoämïïc tiehï: Rs=2000m, Zs=58m<br />
10<br />
<br />
20 3.5<br />
<br />
30 4<br />
3<br />
40 3<br />
2.5<br />
50<br />
ï (m)<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
n ñoä<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
2<br />
Bieh<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
2<br />
Ñoä sah<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
60<br />
<br />
70 1.5 1<br />
<br />
80<br />
1 0<br />
120<br />
90 100<br />
3000<br />
0.5 80<br />
100 60 2500<br />
2000<br />
Ñoäsahï (m) 40 20 1500<br />
110 Khoaûng caùch (m)<br />
1000 1500 2000 2500 3000 0 1000<br />
Khoaûng caùch (m)<br />
<br />
<br />
Hình 4. Hàm bề mặt định vị mục tiêu với c = 5m/s.<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 43<br />
Cơ học & Điều khiển thiết bị bay<br />
<br />
60<br />
60<br />
0<br />
1 0<br />
50<br />
5 1<br />
50<br />
10 5<br />
20 10<br />
40<br />
30 40 20<br />
30<br />
<br />
30<br />
30<br />
<br />
<br />
20<br />
20<br />
<br />
<br />
10 10<br />
<br />
<br />
<br />
0 0<br />
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 5. Lát cắt hàm bề mặt định vị mục tiêu với c = (1÷30)m/s.<br />
Kết quả mô phỏng trên Hình 4,5 và Bảng 1 chỉ ra, sự thay đổi vận tốc lớp đáy<br />
Δc ≤ 10m/s, kết quả định vị vẫn đảm bảo với sai số cự ly Δr = 20m, sai số theo độ<br />
sâu Δz = 1m. Khi sai số Δc 10m/s, kết quả định vị sẽ bị sai số lớn Δ r ≥ 40m, sai<br />
số theo độ sâu Δz ≥ 3m và tỷ số Đỉnh/Nền PBR < 12.<br />
Bảng 1. Kết quả định vị với các sai số đo vận tốc âm lớp đáy c=(1÷30)m/s.<br />
Tọa độ mục Tọa độ đánh Sai số xác Đỉnh/<br />
C thay Đỉnh Nền<br />
tiêu thực tế giá định tọa độ Nền<br />
đổi<br />
rs 0 (m) zs 0 (m) rˆ (m) zˆ (m) Δr(m) Δz(m) UP UB PBR<br />
C 0 2000 59 2000 60 0 1 42.41 0.19 215.77<br />
C 1 2000 59 2000 60 0 1 53.64 0.12 426.13<br />
C 5 2000 59 2000 58 0 1 3.94 0.10 38.46<br />
C 10 2000 59 1980 60 20 1 2.49 0.11 22.07<br />
C 20 2000 59 1960 62 40 3 1.54 0.12 12.09<br />
C 30 2000 59 2020 104 20 45 1.61 0.13 12.39<br />
b, Ảnh hưởng của hệ số mật độ lớp đáy đến kết quả định vị<br />
Mô phỏng kết quả định vị với sai số hệ số mật độ lớp đáy trong khoảng<br />
=(0.1÷1.5)/dB, được thể hiện như trên Hình 6,7 và Bảng 2.<br />
Bảng 2. Kết quả định vị với các sai số đo hệ số mật độ lớp đáy<br />
= (0.1÷1.5) /dB.<br />
<br />
Tọa độ mục tiêu Tọa độ đánh Sai số xác Đỉnh/<br />
thay Đỉnh Nền<br />
thực tế giá định tọa độ Nền<br />
đổi<br />
rs 0 (m) zs 0 (m) rˆ (m) zˆ (m) Δr(m) Δz(m) UP UB PBR<br />
0 2000 59 2000 60 0 1 42.41 0.19 215.77<br />
0.1 2000 59 2000 58 0 1 7.43 0.11 67.79<br />
0.5 2000 59 2040 54 40 5 2.09 0.13 15.81<br />
1 2000 59 2000 66 0 7 1.78 0.12 14.36<br />
1.5 2000 59 2020 24 20 35 1.68 0.08 18.70<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
44 T. Đ. Khánh, …, “Nghiên cứu ảnh hưởng của tham số lớp đáy… trong vùng biển nông.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
<br />
<br />
8 2.5<br />
<br />
2<br />
6<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
n ñoä<br />
n ñoä<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
1.5<br />
4<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Bieh<br />
Bieh<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
1<br />
<br />
2<br />
0.5<br />
<br />
0 0<br />
120 120<br />
100 100<br />
3000 3000<br />
80 80<br />
60 2500 60 2500<br />
40 2000 40 2000<br />
Ñoäsahï (m) 20 1500 Ñoäsahï (m) 20 1500<br />
0 1000 Khoaûng caùch (m) 0 1000 Khoaûng caùch (m)<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 6. Hàm bề mặt định vị mục tiêu với = 0.1/dB và = 0.5/dB.<br />
8<br />
8<br />
<br />
7 0.1 0.1<br />
0.5 7<br />
0.5<br />
1 1<br />
6<br />
1.5 6 1.5<br />
<br />
5 5<br />
<br />
4 4<br />
<br />
3 3<br />
<br />
<br />
2 2<br />
<br />
<br />
1 1<br />
<br />
<br />
0 0<br />
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 7. Lát cắt hàm bề mặt định vị mục tiêu với =(0.1÷1.5) /Db.<br />
Kết quả mô phỏng trên hình 6, 7 và bảng 2 chỉ ra, khi sự thay đổi mật độ<br />
0.5 / dB dẫn đến kết quả định vị sai lệch với sai số cự ly Δ r ≥ 40m, sai số<br />
theo độ sâu Δz ≥ 5m, tỷ số Đỉnh/Nền của hàm bề mặt giảm PBR < 15.<br />
5. KẾT LUẬN<br />
Bài báo đã nghiên cứu, mô phỏng và đánh giá phương pháp MFP dải rộng sử<br />
dụng một hydrophone để định vị nguồn âm dải rộng trong vùng biển nước nông<br />
Việt Nam. Thuật toán định vị được mô phỏng đối với các tham số lớp đáy có vận<br />
tốc âm, hệ số mật độ thay đổi. Kết quả mô phỏng cho thấy khi vận tốc âm thay đổi<br />
nhỏ hơn 10m/s, kết quả định vị vẫn đảm bảo; khi vận tốc thay đổi lớn hơn 20m/s,<br />
kết quả định vị bị sai lệch. Hệ số mật độ lớp đáy cũng ảnh hưởng đến kết quả định<br />
vị, khi mật độ thay đổi lớn hơn 0.5 /dB, kết quả định vị sẽ cho sai số. Vì vậy yêu<br />
cầu tối thiểu khi đánh giá vận tốc âm là sai số ∆c ≤ 10m/s và hệ số mật độ là sai số<br />
≤ 0.5 /dB.<br />
Do tham số lớp đáy có ảnh hưởng đến kết quả định vị, vì vậy nếu tham số lớp<br />
đáy không đo được hoặc không chắc chắn cần có các phương pháp ước lượng tham<br />
số lớp đáy. Một trong những hướng phát triển tiếp là việc sử dựng thuật toán đảo<br />
âm để ước lượng tham số môi trường nói chung và tham số đáy nói riêng.<br />
TÀI LIỆU THAM KHẢO<br />
[1]. Baggeroer, A.B., W.A. Kuperman, and P.N. Mikhalevsky. 1993. “An<br />
Overview of Matched Field Methods in Ocean Acoustics”. IEEE Journal of<br />
Oceanic Engineering 18 (4): 401-424.<br />
<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 45<br />
Cơ học & Điều khiển thiết bị bay<br />
<br />
[2]. Tolstoy, A. 1993. “Matched Field Processing for Underwater Acoustics”.<br />
Singapore: World Scientific.<br />
[3]. Xiao Z, Xu W, Gong Xianyi. “Robust Matched Field Processing for Source<br />
Localization Using Convex Optimization”. IEEE Oceans’ 2009, Bremen,<br />
2009: 1-5.<br />
[4]. Lee Y P. “Time - domain single hydrophone localization in a real shallow<br />
water environment”. IEEE Oceans’98 Conference Proceedings, Nice, France,<br />
1998: 1074-1077.<br />
[5]. Shuai YAO, Kun LI, Shiliang FANG, “Cross correlation matched field<br />
localization for unknown emitted signal waveform using two-hydrophone”,<br />
Inter-noise 2014, Melbourne, Nov. 16-19, 2014.<br />
[6]. Jensen, F., W. Kuperman, M. Porter, and H. Schmidt 1994. “Computational<br />
Ocean Acoustics”. New York: AIP Press.<br />
[7]. Paul C. Etter (2003), “Underwater Acoustic Modeling and Simulation”,<br />
Published in the Taylor & Francis e-Library, Taylor & Francis Group.<br />
[8]. Urick, R.j. “Principle of Underwater Sound”, 3rd, Edn, McGraw - Hill, New<br />
York, 1975.<br />
[9]. Trần Phú Ninh, Trịnh Đăng Khánh, Bùi Ngọc Mỹ. “Đánh giá tổn hao khi<br />
truyền sóng âm trong vùng nước nông”. Tạp chí Tạp chí Nghiên cứu KH&CN<br />
quân sự, số 2-2016.<br />
[10]. Trịnh Đăng Khánh, Nguyễn Xuân Long, Trần Phú Ninh. “Nghiên cứu đánh<br />
giá các yếu tố ảnh hưởng đến sai số định vị mục tiêu ngầm trong vùng biển<br />
nước nông”. Tạp chí Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, số 6-2016.<br />
ABSTRACT<br />
INVESTIGATION OF THE EFFECT OF THE BOTTOM LAYER<br />
PARAMETERS ON THE ACCURARY OF UNDERWATER TARGET<br />
LOCALIZATION IN SHALLOW WATER<br />
A fundamental study on localization method for underwater target<br />
localization in shallow water is presented in this article. The purpose of this<br />
study is to simulate and evaluate the effect of the bottom layer parameters<br />
such as acoustic velocity, environment density on the accuracy for<br />
underwater target localization. The obtained results demonstrate that the<br />
change in sound velocity, density factor affect the quality of localization.<br />
Minimum requirements when assessing velocity error is Δc≤10 m/s and<br />
density factor error is ≤0.5/dB.<br />
Keywords: Propagation Model, Matching Field Processing, Localization, Shallow water.<br />
<br />
Nhận bài ngày 15 tháng 6 năm 2016<br />
Hoàn thiện ngày 20 tháng 8 năm 2016<br />
Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 9 năm 2016<br />
1<br />
Địa chỉ: Học viện Kỹ thuật quân sự;<br />
2<br />
Học viện Hải quân ;<br />
3<br />
Quân chủng Phòng không không quân;<br />
*<br />
Email: daidaingoc@gmail.com.<br />
<br />
<br />
46 T. Đ. Khánh, …, “Nghiên cứu ảnh hưởng của tham số lớp đáy… trong vùng biển nông.”<br />