Nghiên cứu đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến sai số định vị mục tiêu ngầm trong vùng biển nước nông

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SAI SỐ<br /> ĐỊNH VỊ MỤC TIÊU NGẦM TRONG VÙNG BIỂN NƯỚC NÔNG<br /> Trịnh Đăng Khánh1, Nguyễn Xuân Long2, Trần Phú Ninh3*<br /> Tóm tắt: Bài báo nghiên cứu thuật toán, khảo sát môi trường bố trí trạm trinh sát<br /> thủy âm, mô hình truyền âm tại vùng nước nông biển Việt Nam. Mô phỏng và đánh giá<br /> các yêu tố ảnh hưởng đến sai số định vị nguồn âm trong vùng biển nước nông như<br /> đặc tính nguồn âm, tham số môi trường thay đổi theo mùa, sự cần thiết phải cập<br /> nhật tham số môi trường theo mùa, độ chính xác tối thiểu yêu cầu khi đánh giá vận<br /> tốc âm. Kết quả mô phỏng cho thấy, khi nhiệt độ biến thiên theo mùa lớn thì cần thiết<br /> phải cập nhật theo giá trị thực của nhiệt độ để đảm bảo chất lượng định vị. Độ chính<br /> xác yêu cầu khi đánh giá vận tốc âm C  0,4m / s , khi đó định vị cho kết quả<br /> chính xác.<br /> Từ khóa: Xử lý trường phối hợp, Hydrophone, Định vị, Vùng nước nông.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Đã có nhiều nghiên cứu về phát hiện và định vị nguồn âm trong vùng biển nông sử<br /> dụng thuật toán xử lý trường phối hợp MFP [1-4]. Phương pháp MFP thông thường sử<br /> dụng mạng hydrophone theo chiều đứng hay chiều ngang để định vị dựa vào thông tin về<br /> không gian giữa các hydrophone với nguồn âm. Sự chính xác định vị của phương pháp<br /> phụ thuộc nhiều vào số phần tử trong mạng (số hydrophone). Phương pháp này tuy hiệu<br /> quả nhưng khó khăn về khi triển khai thiết bị cũng như vấn đề giá thành. Để khắc phục<br /> nhược điểm trên, một số nghiên cứu khác tập trung vào nghiên cứu giải quyết vấn đề bằng<br /> sử dụng một hoặc hai hydophone [5-6]. Sự khó khăn của phương pháp này là thiếu thông<br /> tin về không gian. Do vậy, việc xác định, định vị mục tiêu tập trung vào hướng nghiên cứu<br /> lấy thông tin về chuỗi tín hiệu theo thời gian. Một số nghiên cứu [5] chỉ ra có thể định vị<br /> mục tiêu ngầm sử dụng một hydrophone nhưng phải biết thông tin về dạng tín hiệu phát<br /> s(t). Tuy nhiên, đối với sonar thụ động, việc phát hiệu mục tiêu nhằm vào đối tượng không<br /> có nhiều thông tin về nguồn tín hiệu.<br /> Định vị đơn hydrophone là định vị trường phối hợp khi thực hiện phép đo chỉ từ một<br /> hydrophone. Mỗi chuỗi theo thời gian của áp suất tại hydrophone được so sánh với chuỗi<br /> theo thời gian được tính toán sử dụng mô hình truyền âm học đại dương cho các vị trí<br /> nguồn âm khác nhau. Vị trí của nguồn có chuỗi dự đoán theo thời gian phù hợp nhất với<br /> giá trị đo được coi là vị trí đúng nguồn âm. Thuật toán định vị nguồn âm được sử dụng<br /> không yêu cầu dạng tham số của nguồn âm. Do vậy, một số nghiên cứu gần đây đã tập<br /> trung vào giải pháp sử dụng kết quả đo ở hydrophone để ước lượng dạng tín hiệu của mục<br /> tiêu, dự báo trường thay thế nguồn âm theo mô hình truyền âm học đại dương để giải bài<br /> toán định vị [7]. Bài báo này trình bày giải pháp phát hiện và định vị nguồn âm dải rộng ở<br /> môi trường nước nông khi không biết dạng tín hiệu của mục tiêu. Nội dung bài báo như<br /> sau: nghiên cứu thuật toán, mô phỏng và đánh giá các yêu tố ảnh hưởng đến sai số định vị<br /> nguồn âm trong vùng biển nước nông như đặc tính nguồn âm, tham số môi trường thay đổi<br /> theo mùa, sự cần thiết phải cập nhật tham số môi trường theo mùa, độ chính xác tối thiểu<br /> yêu cầu khi đánh giá vận tốc âm.<br /> II. NỘI DUNG GIẢI QUYẾT<br /> <br /> <br /> 84 T.Đ.Khánh, N.X.Long, T.P.Ninh, “Nghiên cứu đánh giá… vùng biển nước nông.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> 2.1. Đánh giá môi trường bố trí trạm trinh sát thủy âm, mô hình truyền âm<br /> Các công trình [1-4, 9] đã trình bày các phương pháp xử lý trường phối hợp MFP vectơ<br /> định hướng được xác định bằng áp suất âm được dự báo từ các mô hình truyền âm đối với<br /> vùng có thể của nguồn âm trong không gian ống dẫn sóng theo phân bố của tốc độ âm và<br /> các tham số âm của các lớp đáy biển. Sơ đồ khối thực hiện các phương pháp được trình<br /> bày trên hình 1.<br /> <br /> 1 2 3 M<br /> <br /> <br /> Mạng anten Tần số Mô tả vận Các số liệu<br /> Mẫu số liệu theo nguồn âm tốc âm theo về môi trường<br /> thời gian độ sâu<br /> <br /> <br /> Ma trận phổ tương Ống dẫn sóng âm<br /> quan chéo Mô hình lan truyền âm<br /> Véc tơ định hướng<br /> <br /> <br /> Bộ lọc phối hợp<br /> Bộ xử lý tín hiệu<br /> <br /> <br /> Đánh giá vị trí nguồn âm<br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Sơ đồ khối phương pháp xử lý trường phối hợp<br /> đánh giá vị trí của nguồn âm.<br /> <br /> Hiệu quả của phương tiện thủy âm phải bảo đảm giải quyết tốt bài toán định vị đặc biệt<br /> là độ chính xác và cự ly phát hiện. Để giải quyết bài toán định vị, phương pháp xử lý<br /> trường phối hợp yêu cầu cần thiết xây dựng mô hình truyền âm tại điểm lắp đặt và không<br /> gian cột nước vùng quan sát theo cự ly và độ sâu. Bài báo lựa chọn vùng biển Việt Nam<br /> với số liệu về cột nước với tham số đáy theo lát cắt địa hình đáy biển theo vết tọa độ từ<br /> (Tây - Đông) và lát cát theo vết tọa độ từ (Nam - Bắc).<br /> Ứng dụng về ống dẫn sóng Pekeris theo vùng nêu trên với độ sâu cực tiểu khoảng<br /> 110m, độ sâu cực đại khoảng 125m. Địa hình của đáy biển tương đối bằng phẳng với các<br /> chênh lệch trung bình của độ sâu 0,5…1,75m/km thỏa mãn điều kiện của mô hình ống dẫn<br /> sóng Pekeris [8]. Vận tốc âm trong các lớp nước là c1 trong khi vận tốc âm thanh trong lớp<br /> đáy là c2, với c2>c1. Mặt nước tại z = 0 và biên giữa lớp nước và đáy là z = D, trong đó D<br /> là chiều sâu của lớp nước. Lớp bề mặt nước hoạt động như một lớp phản xạ hoàn toàn đối<br /> với sóng có góc tới lớn hơn góc tiêu chuẩn trong lý thuyết Ray (    c ), ở đáy biển ngoài<br /> sự phản xạ còn hấp thụ. Mô hình này phù hợp cho việc giải thích tính chất truyền âm ở các<br /> vùng nước ven biển và đặc trưng là vùng nước nông.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 85<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Mô hình môi trường đại dương tại điểm lắp đặt.<br /> 2.2. Thuật toán<br /> Thuật toán định vị MFP dải rộng sử dụng 1 hydrophone dựa vào nguyên tắc chia không<br /> gian cần quan sát thành các mắt lưới theo khoảng cách và độ sâu. Tiếp theo, tính trường<br /> thay thế tại điểm thu khi giả thiết nguồn phát ở từng vị trí lưới với dữ liệu đo được tại<br /> hydrophone. Kết quả tương quan tốt nhất giữa tín hiệu trường thay thế và giá trị đo được<br /> tại hydrophone sẽ xác định được vị trí nguồn.<br /> Do khác với thuật toán MFP thông thường sử dụng mạng hydrophone là sự đồng bộ dựa<br /> trên thông tin tương quan giữa vectơ dữ liệu tại các hydrophone và vectơ trường thay thế.<br /> Khi dùng một hydrophone, không có thông tin về không gian. Do đó, người ta so sánh chuỗi<br /> tín hiệu theo thời gian đo ở hydrophone và chuỗi tín hiệu trường thay thế theo thời gian.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Minh họa thuật toán MFP với mạng hydrophone.<br /> Trong hình 3 minh họa quá trình xử lý trường phối hợp, mục tiêu cần định vị là phương<br /> tiện ngầm dưới đại dương tương ứng với tọa độ (r0, z0). Nếu mô hình truyền sóng trong đại<br /> dương thực sự là phối hợp, khi đó bản ghi của véc tơ dữ liệu tại hydrophone ở một tần số<br /> tại một thời điểm tương quan với dữ liệu thay thế sẽ là đánh giá tốt nhất về vị trí ( rˆ, zˆ ).<br /> Khi đó mô hình xác định được tọa độ mục tiêu (r0, z0). Trên hình 3, đỉểm đánh dấu X biểu<br /> thị vị trí tương quan lớn nhất. Vòng tròn nhỏ đánh dấu chỉ thị tương quan kém từ kết quả<br /> so sánh kém với số liệu đo được. Vòng phản hồi là cách để tối ưu mô hình, vòng phản hồi<br /> cũng chính là quá trình xử lý tín hiệu thích nghi tìm điểm phối hợp.<br /> <br /> <br /> 86 T.Đ.Khánh, N.X.Long, T.P.Ninh, “Nghiên cứu đánh giá… vùng biển nước nông.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Các nghiên cứu về thuật toán định vị MFP sử dụng một hydrophone cũng đã được mô<br /> tả trong các nghiên cứu của Shuai YAO, Kun LI, Shiliang FANG [9]. Một số căn bản của<br /> thuật toán có thể tóm tắt như sau:<br /> Đối với hệ thống tuyến tính bất biến theo thời gian, tín hiệu thu ở hydrophone được<br /> biểu diễn theo công thức sau [9]:<br /> <br /> r (t )  s (t ) * g (t )  n(t )   s( )g (t   )d  n(t ) (1)<br /> <br /> <br /> Trong đó s(t) là nguồn âm, g(t) là đáp ứng xung của môi trường, n(t) tạp âm môi<br /> trường, r(t) tín hiệu thu tại hydrophone.<br /> Với hệ thống rời rạc, công thức trên được biểu diễn dưới dạng:<br /> N 1<br /> r ( n)   s ( m) g ( n  m)  n( n)<br /> m 0<br /> (2)<br /> <br /> Công thức trên có thể viết dưới dạng ngắn gọn:<br /> r  Gs  n (3)<br /> Ở đó G là ma trận tích chập của hàm Green cho một vị trí thu và phát cố định trong môi<br /> trường thử nghiệm, s là véc tơ tín hiệu rời rạc theo thời gian, r là véc tơ đo được tại<br /> hydrophone, n là tạp âm môi trường.<br /> Để tính ma trận tích chập G , phải tính giá trị hàm Green theo thời gian bằng giải<br /> phương trình sóng:<br /> 1 2 p<br /> 2p  (4)<br /> c 2 t 2<br /> Hàm Green có thể tính trực tiếp theo phương trình (4) hoặc tính hàm Green theo tần<br /> số, sau đó biến đổi ngược FFT để nhận được hàm Green theo thời gian.<br /> Hàm Green phụ thuộc tần số như sau [ 9]:<br />  <br /> i j e jkm r<br /> g (r , z, f )  e 4   m ( zs ) m ( z ) (5)<br />  ( zs ) 8 r m 1 km<br /> Theo công thức (5), hàm Green theo tần số phụ thuộc vào tham số môi trường như cấu<br /> trúc các lớp, vận tốc âm thanh, hệ số hấp thụ, hệ số suy hao của các lớp và vị trí tương đối<br /> giữa nguồn phát và nguồn thu.<br /> Bài toán định vị mục tiêu sử dụng một hydrophone thực hiện tính trường thay thế tại<br /> điểm thu tương ứng với mỗi vị trí có thể tại nguồn phát. Muốn vậy phải biết dạng tín hiệu<br /> <br /> nguồn âm s. Vì chưa biết dạng tín hiệu nguồn âm, chúng ta phải ước lượng nguồn âm s<br /> khi có thông tin về tín hiệu đo được ở hydrophone, dựa vào phương trình sau [9]:<br /> r  Gˆ  sˆ  n (6)<br /> Gˆ là ma trận tích chập hàm Green cho mỗi mắt lưới. sˆ là giá trị ước lượng nguồn tín<br /> hiệu. Giải phương trình (6) ta sẽ tính giá trị ước lượng nguồn phát sˆ . Tuy nhiên, nếu ma<br /> trận Gˆ không là ma trận vuông (kích thước m x n). Bài toán ước lượng phải dựa vào lý<br /> thuyết triển khai kỳ dị sử dụng ma trận giả khả nghịch. Khi đó [9]:<br />  <br /> s  G r (7)<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 87<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br />  1<br />     <br /> G    G T  G   G T gọi là ma trận giả khả nghịch suy rộng của G . Tín hiệu trường<br />  <br /> thay thế cho mỗi vị trí mắt lưới tại hydrophone thu được tính bằng công thức [9]:<br />     <br /> r  G s  G G   r (8)<br /> <br /> Tín hiệu trường thay thế ở từng vị trí mắt lưới r sau đó được so với tín hiệu thu r tại<br /> hydrophone sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu.<br /> 2<br />  2  <br /> e<br /> 2<br />  rr  r  G . G  .r (9)<br /> <br /> <br /> Vị trí mắt lưới gần vị trí mục tiêu nhất sẽ có giá trị tín hiệu mô hình r có dạng tương<br /> 2<br /> quan nhất so với tín hiệu r. Hay nói cách khác e sẽ cho giá trị nhỏ nhất.<br /> Vị trí nguồn L khi đó là: L = min(||e||2) hoặc L = max(1/||e||2) (10)<br /> 3. MÔ PHỎNG, TÍNH TOÁN, THẢO LUẬN<br /> 3.1. Kịch bản mô phỏng<br /> a) Mô phỏng sử nguồn âm có đặc tính nguồn âm của mục tiêu ngầm, đánh giá kết quả<br /> định vị với các dạng nguồn âm khác nhau;<br /> b) Mô phỏng sử điều kiện môi trường thay đổi như nhiệt độ, vận tốc âm theo mùa làm<br /> cơ sở đặt yêu cầu cần thiết thiết lập tham số môi trường phù hợp với điều kiện thực tế;<br /> c) Mô phỏng khi tham số môi trường đánh giá bị sai số so với điều kiện thực tế và đưa<br /> ra độ chính xác yêu cầu khi đánh giá tham số thủy âm.<br /> d) Mô phỏng dải thông mục tiêu khác nhau.<br /> Tiếp theo, bài báo mô phỏng và luận giải một số đặc tính chính của các kịch bản mô<br /> phỏng trên.<br /> Để mô phỏng nguồn âm của mục tiêu ngầm, trước hết chúng ta phân tích một số đặc<br /> điểm chính của nguồn âm. Sự phát xạ tiếng ồn của máy móc và các cơ cấu ở mục tiêu<br /> ngầm phụ thuộc vào thành phần của chúng (ở mục tiêu ngầm nguyên tử chúng nhiều hơn<br /> đáng kể so với ở mục tiêu ngầm điện hay điêzen), tuy các loại mục tiêu ngầm đều có kỹ<br /> thuật khử tiếng ồn (chống rung và giảm sóc) nhưng mức độ đạt được là khác nhau. Sự liên<br /> kết các bộ phận máy với lớp vỏ cứng nếu không tốt cũng gây ồn và lan truyền ra môi<br /> trường ngoài mạn tàu. Chân vịt mục tiêu ngầm là nguồn gốc chính của sự phát xạ tiếng ồn,<br /> ngay cả khi tốc độ hành trình nhỏ, mức ồn sẽ tăng lên nhiều khi tốc độ hành trình tăng.<br /> Đối với các mục tiêu ngầm quân sự trước đây (thế hệ cũ), thành phần tiếng ồn gây ra khi<br /> di chuyển có tần số khoảng từ 5kHz đến 20kHz, hiện nay do giải pháp công nghệ tiên tiến<br /> hơn tiếng ồn đã được giảm thiểu và thành phần tiếng ồn chủ yếu cỡ khoảng dưới 1KHz.<br /> Các thành phần tạp âm từ máy móc, động cơ của mục tiêu ngầm chỉ còn vài trăm Hz. Từ<br /> những đặc điểm của nguồn phát xạ từ các loại mục tiêu ngầm, bài báo lựa chọn tập trung<br /> vào dải tần số nguồn hạ âm dải rộng từ 50Hz đến 500Hz để mô phỏng cho tiếng ồn của<br /> mục tiêu ngầm gây ra.<br /> Trong các tham số môi trường, vận tốc âm là tham số quan trọng nhất, vận tốc âm là<br /> hàm của các tham số như nhiệt độ, độ sâu, độ mặn. Thực nghiệm cho thấy rằng, vận tốc<br /> lan truyền âm trong đại dương thay đổi trong giới hạn từ 1420 m/s đến 1520 m/s. Giá trị<br /> trung bình của vận tốc âm thanh trong nước biển vào khoảng 1500 m/s.<br /> Sự phụ thuộc của vận tốc âm thanh vào nhiệt độ, độ mặn và áp suất thủy tĩnh, độ sâu<br /> được xác định tương đối chính xác nhờ công thức sau:<br /> <br /> <br /> 88 T.Đ.Khánh, N.X.Long, T.P.Ninh, “Nghiên cứu đánh giá… vùng biển nước nông.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> c  1450  4.21t  0.037t 2  1.14 s  0.0175d (11)<br /> 0 0<br /> Trong đó, c - Vận tốc âm thanh (m/s); t - Nhiệt độ ( C); s - Độ mặn ( /00); d - Độ sâu (m).<br /> Công thức trên cho thấy rằng, vận tốc âm phụ thuộc vào nhiệt độ, độ mặn và độ sâu,<br /> trong đó ảnh hưởng mạnh nhất là nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, thể tích tăng, còn mật độ<br /> giảm, điều này làm tăng vận tốc âm.<br /> 3.2. Số liệu đầu vào<br /> Môi trường vùng nước nông trong vùng biển Việt Nam có các tham số như sau:<br /> - Lớp nước: vận tốc âm c1 = 1522 ÷ 1543m/s, mật độ 1= 1024g/m3, độ sâu 110m;<br /> - Lớp nước đáy: Vận tốc âm c2 = 1572÷1593m/s, 2= 1500g/m3, độ sâu 10m;<br /> - Lớp cát: Vận tốc âm c3 = 1800m/s, 3= 2000g/m3, độ dày sâu là 12m;<br /> - Lớp đáy: Vận tốc âm c4=3000m/s, 4= 2400 g/m3;<br /> - Nguồn âm: các nguồn âm dải rộng (50÷100)Hz, (50÷250)Hz; (50÷450)Hz;<br /> (50÷500)Hz. Độ sâu nguồn âm 59m, khoảng cách 2000m;<br /> - Sử dụng một hydrophsone thu: Độ sâu 50m.<br /> 3.3. Phương pháp, công cụ mô phỏng<br /> - Phương pháp: Tính toán kết quả bằng modul phần mềm theo lưu đồ thuật toán sau<br /> trên hình 4.<br /> - Công cụ mô phỏng: Sử dụng phầm mềm Matlab.<br /> Vận tốc âm Tần số Tham số môi trường<br /> <br /> <br /> Tính hàm<br /> <br /> Green, G<br /> <br /> <br /> Ước lượng giá trị<br /> nguồn âm s<br /> <br /> <br /> Tính giá trị <br /> trường thay thế r<br /> <br /> <br /> Giá trị thu được ở Tính giá trị sai2 số<br /> hydrophone r tính min e<br /> <br /> <br /> Xác định vị trí<br /> nguồn âm<br /> <br /> <br /> Kết thúc<br /> <br /> <br /> Hình 4. Lưu đồ thuật toán định vị nguồn âm theo phương pháp MFP dải rộng.<br /> 3.4. Kết quả mô phỏng và bình luận<br /> Kết quả mô phỏng xác định vị trí nguồn âm ở vị trí (2000m, 59m) với môi trường thử<br /> nghiệm theo tham số đầu vào đã nêu.<br /> a. Khảo sát các dạng tín hiệu nguồn âm<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 89<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> - Dạng tín hiệu điều tần tuyến tính LMF, độ rộng phổ 50-150Hz;<br /> - Dạng tín hiệu (tiếng ồn) biên độ thay đổi ngẫu nhiên, độ rộng phổ 50-150Hz:<br /> 150<br /> s (t )  a e <br /> i  50<br /> i<br /> j fi t<br /> <br /> <br /> <br /> Trong đó ai là giá trị ngẫu nhiên, theo phân bố Gauss, tần số f i  50  150 .<br /> Tín âieäï tâï Ö ôùc lö ôïná tín âieäï pâaùt Pâoåö ùô ùc lö ôïná tín âieäï pâaùt<br /> 30 1 1<br /> <br /> 0.8 0.9<br /> 20<br /> 0.6 0.8<br /> <br /> 0.4 0.7<br /> 10<br /> Bieân ñoä(m)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Bieân ñoä(m)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Bieân ñoä (m)<br /> 0.2 0.6<br /> <br /> 0 0 0.5<br /> <br /> -0.2 0.4<br /> -10<br /> -0.4 0.3<br /> <br /> -0.6 0.2<br /> -20<br /> -0.8 0.1<br /> <br /> -30 -1 0<br /> 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0 50 100 150 200 250<br /> Tâôø<br /> i áian (í) Tâôø<br /> i áian (í) Tafn íoá(f)<br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Tín hiệu thu và ước lượng khi tín hiệu nguồn âm dạng LMF.<br /> <br /> Tín âieäï tâï Ö ôùc lö ôïná tín âieäï pâaùt Pâoåö ùô ùc lö ôïná tín âieäï pâaùt<br /> 30 25 1<br /> <br /> 20 0.9<br /> 20<br /> 15 0.8<br /> <br /> 10 0.7<br /> 10<br /> Bieân ñoä(m)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Bieân ñoä(m)<br /> 0.6<br /> Bieân ñoä(m)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 5<br /> <br /> 0 0 0.5<br /> <br /> -5 0.4<br /> -10<br /> -10 0.3<br /> <br /> <br /> -20 -15 0.2<br /> <br /> -20 0.1<br /> <br /> -30<br /> 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -25 0<br /> 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0 50 100 150 200 250<br /> Tâôø<br /> i áian (í)<br /> Tâôøi áian (í) Tafn íoá(f)<br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6. Tín hiệu thu và ước lượng khi tín hiệu nguồn âm dạng ngẫu nhiên.<br /> Với 2 dạng tín hiệu trên, kết quả định vị được thể hiện trên hình 7,8 và bảng 1.<br /> <br /> Toïa ñoä mïïc tieâï: Rí=2000m, Zí=60m<br /> 10<br /> 40 50<br /> 20<br /> 35 40<br /> 30<br /> <br /> 40 30 30<br /> n ñoä<br /> Bieâ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 50 25 20<br /> Ñoä íaâï (m)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 60<br /> 20 10<br /> <br /> 70<br /> 15 0<br /> 80 120<br /> 100<br /> 10 3000<br /> 90 80<br /> 60 2500<br /> 5 40 2000<br /> 100 Ñoäíaâï (m) 20 1500<br /> Kâoaûná caùcâ (m)<br /> 0 1000<br /> 110<br /> 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000<br /> Kâoaûná caùcâ (m)<br /> <br /> <br /> <br /> Hình 7. Hàm bề mặt định vị mục tiêu với tín hiệu dạng điều tần tuyến tính LMF.<br /> <br /> Toïa ñoä mïïc tieâï: Rí=2000m, Zí=60m<br /> 10 35<br /> <br /> 30<br /> 20 30<br /> 25<br /> 30<br /> n ñoä<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 25 20<br /> 40<br /> Bieâ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 15<br /> 50 20<br /> Ñoä íaâï (m)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 10<br /> 60<br /> 15<br /> 5<br /> 70<br /> 0<br /> 120<br /> 80 10<br /> 100<br /> 3000<br /> 80<br /> 90 2500<br /> 60<br /> 5 Ñoäíaâï (m) 40 2000<br /> 100<br /> 20 1500 Kâoaûná caùcâ (m)<br /> 0 1000<br /> 110<br /> 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000<br /> Kâoaûná caùcâ (m)<br /> <br /> <br /> <br /> Hình 8. Hàm bề mặt định vị mục tiêu với tín hiệu dạng ngẫu nhiên NN.<br /> <br /> <br /> 90 T.Đ.Khánh, N.X.Long, T.P.Ninh, “Nghiên cứu đánh giá… vùng biển nước nông.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Bảng 1. Kết quả định vị với các dạng tín hiệu khác nhau.<br /> Tọa độ mục tiêu Tọa độ đánh Sai số xác định Đỉnh/<br /> Dạng Đỉnh Nền<br /> thực tế giá tọa độ Nền<br /> tín hiệu<br /> rs 0 (m) zs 0 (m) rˆ (m) zˆ (m) Δr(m) Δz(m) Up Ug PBR<br /> Dạng 2000 59 2000 60 0 1 42.4 0.1 215.7<br /> LFM<br /> Dạng 2000 59 2000 60 0 1 34.1 0 438.6<br /> NN<br /> Từ kết quả định vị với 2 dạng tín hiệu khác nhau trong dải tần 50-150Hz trình bày trên<br /> bảng 1, chúng ta thấy kết quả định tốt với cả hai dạng tính hiệu điều tần tuyến tính LFM và<br /> ngẫu nhiên NN, sai số định vị nhỏ. Tỷ số đỉnh/nền PBR > 200. Kết quả định vị cho thấy<br /> dạng tín hiệu ảnh hưởng không nhiều đến chất lượng định vị.<br /> b. Khảo sát khi tham số môi trường thay đổi theo mùa<br /> Xét sự thay đổi mùa, khi nhiệt độ thay đổi t  2,50 C , theo (11), khi đó c10m/s.<br /> Bảng 2. Kết quả định vị với các tham số thay đổi theo mùa.<br /> Tọa độ mục Tọa độ đánh Sai số xác Đỉnh/<br /> Điều kiện môi Đỉnh Nền<br /> tiêu thực tế giá định tọa độ Nền<br /> trường<br /> rs 0 (m) zs 0 (m) rˆ (m) zˆ (m) Δr(m) Δz(m)<br /> Up Ug PBR<br /> Không đổi 2000 59 2000 60 0 1 42.4 0.2 215.7<br /> C=10, cập 2000 59 2000 60 0 1 37.5 0.2 204.2<br /> nhật DL<br /> C=10,Không 2000 59 2100 110 100 41 0.93 0.1 13.1<br /> cập nhật DL<br /> Từ kết quả định vị với biến thiên nhiệt độ theo mùa, chúng ta thấy nếu cập nhật tham<br /> số môi trường định vị sai số nhỏ, tỷ số Đỉnh/Nền PBR > 200 và kết quả định vị không<br /> khác nhau nhiều. Nếu không cập nhật tham số, kết quả định vị sẽ cho sai số lớn. Do đó,<br /> khi nhiệt độ biến thiên theo mùa lớn hơn giá trị nhất định cần thiết phải cập nhật theo giá<br /> trị thực của nhiệt độ để đảm bảo chất lượng định vị. Các tham số độ sâu, tham số đáy gần<br /> như không thay đổi theo mùa.<br /> c. Khảo sát chất lượng định vị khi khi đo tham số môi trường đánh giá bị sai số so với điều<br /> kiện thực tế<br /> Trong bộ tham số môi trường, ở đây chúng ta khảo sát với vận tốc âm vì nó là tham số<br /> ảnh hưởng lớn nhất tới chất lượng định vị. Trong phần này chúng ta đánh giá ảnh hưởng<br /> của sai số ΔC đánh giá vận tốc âm C0 so với giá trị thực tế C. Từ kết quả trên bảng 3 cho<br /> thấy: khi ΔC ≥ 0,4m/s, định vị cho kết quả sai số lớn, không đáp ứng chất lượng định vị.<br /> Khi ΔC < 0,4m/s, kết quả định vị tốt. Độ chính xác yêu cầu khi đánh giá vận tốc âm<br /> ΔC < 0,4m/s khi đó định vị cho kết quả chính xác. Yêu cầu này đối với các máy đo vận tốc<br /> âm thỏa mãn. Sai số đo vận tốc thường đạt được ΔC < 0,05m/s.<br /> Bảng 3. Kết quả định vị với các sai số đo vận tốc âm.<br /> Tọa độ mục tiêu Tọa độ đánh Sai số xác Đỉnh/<br /> Đỉnh Nền<br /> C thay đổi thực tế giá định tọa độ Nền<br /> rs 0 (m) zs 0 (m) rˆ (m) zˆ (m) Δr(m) Δz(m) Up Ug PBR<br /> <br /> C  0 2000 59 2000 60 0 1 42.4 0.1 215.7<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 91<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> C  0,1 2000 59 2000 60 0 1 37.3 0.1 199.8<br /> C  0,2 2000 59 2000 60 0 1 30.5 0.1 171.6<br /> C  0,3 2000 59 2000 60 0 1 23.3 0.1 134.3<br /> C  0,4 2000 59 2240 110 240 51 0.6 0.1 9.5<br /> C  1 2000 59 2220 110 220 51 0.4 0 15.4<br /> d. Mô phỏng dải thông mục tiêu khác nhau<br /> Mô phỏng định vị nguồn âm theo phương pháp MFP dải rộng đối với các tín hiệu có độ<br /> rộng phổ 50 Hz-450H.<br /> Bảng 4. Đánh giá sai số định vị và biên độ đỉnh phát hiện<br /> đối với các nguồn âm có dải thông khác nhau.<br /> Tọa độ mục tiêu Tọa độ Sai số xác định Đỉnh/<br /> Dải thông Đỉnh Nền<br /> thực tế đánh giá tọa độ Nền<br /> nguồn âm<br /> rs 0 (m) zs 0 (m) rˆ (m) zˆ (m) r (m) z (m) Up Ug PBR<br /> Dải rộng<br /> (50÷100)Hz 2000 59 2000 60 0 0 72.08 0.09 787.28<br /> (50÷150)Hz 2000 59 2000 58 0 1 42.42 0.19 215.77<br /> (50÷250)Hz 2000 59 2000 58 0 1 9.78 0.31 30.84<br /> (50÷350)Hz 2000 59 2000 58 0 1 1.23 0.04 32.66<br /> (50÷450)Hz 2000 59 2000 60 0 0 1.06 0.09 10.84<br /> (50÷500)Hz 2000 59 2000 26 0 33 2.29 0.07 30.91<br /> Dải hẹp<br /> 100Hz 2000 59 1160 68 840 9 1.89 0.5568 3.39<br /> Kết quả đánh giá sai số định vị trình bày trên bảng 4 cho thấy, đối với nguồn âm có dải<br /> thông 50Hz tương ứng với dải tần (50 ÷100)Hz có độ chính xác định vị rất tốt (Δr = 0m;<br /> Δz = 0m) và tỷ số Đỉnh/Nền lớn (PBR =787.28). Khi dải thông tăng lên từ 100Hz đến<br /> 400Hz có sai số lớn hơn và biên độ đỉnh phát hiện giảm dần khi dải thông tăng lên. Với<br /> nguồn âm có dải thông rộng lớn 450Hz sai số định vị lớn đặc biệt đối với sai số định vị độ<br /> sâu nguồn âm (Δz =33m), biên độ đỉnh phát hiện giảm mạnh và xuất hiện nhiều đỉnh<br /> phát hiện xung quanh điểm đỉnh phát hiện chính. Đối với nguồn dải hẹp (vạch phổ<br /> 100Hz) và xử lý MFP thông thường khi sử dụng 1 hydrophone, kết quả định vị cho hiệu<br /> quả rất thấp rˆ =1160m, zˆ =68m; tương ứng sai số theo khoảng cách và độ là Δr = 840m,<br /> z = 9m.<br /> Do vậy, theo như luận giải về dải tần nguồn âm của mục tiêu ngầm trong phần 3.1 có<br /> dải dải rộng từ 50Hz đến 500Hz và theo kết quả phân tích kết quả mô phỏng với MFP dải<br /> rộng phù hợp với dải tần mục tiêu ngầm như trên bảng 4 cần thiết thực hiện MFP dải rộng<br /> để nâng cao hiệu quả của hệ thống.<br /> 4. KẾT LUẬN<br /> Bài báo nghiên cứu thuật toán, khảo sát môi trường bố trí trạm trinh sát thủy âm, mô<br /> hình truyền âm tại vùng nước nông biển Việt Nam. Mô phỏng và đánh giá các yêu tố ảnh<br /> hưởng đến sai số định vị nguồn âm trong vùng biển nước nông như đặc tính nguồn âm,<br /> tham số môi trường thay đổi theo mùa, sự cần thiết phải cập nhật tham số môi trường theo<br /> mùa, độ chính xác tối thiểu yêu cầu khi đánh giá vận tốc âm. Kết quả mô phỏng cho thấy,<br /> dạng tín hiệu nguồn phát không ảnh hưởng nhiều đến kết quả định vị; khi nhiệt độ biến<br /> <br /> <br /> 92 T.Đ.Khánh, N.X.Long, T.P.Ninh, “Nghiên cứu đánh giá… vùng biển nước nông.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> thiên theo mùa lớn hơn một giá trị ngưỡng nhất định, cần thiết phải cập nhật theo giá trị<br /> thực của nhiệt độ để đảm bảo chất lượng định vị. Độ chính xác yêu cầu khi đánh giá vận<br /> tốc âm C  0,4m / s , khi đó định vị cho kết quả chính xác.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Baggeroer, A.B., W.A. Kuperman, and P.N. Mikhalevsky. 1993. “An Overview of<br /> Matched Field Methods in Ocean Acoustics”. IEEE Journal of Oceanic Engineering<br /> 18 (4): 401-424.<br /> [2]. Tolstoy, A. 1993. “Matched Field Processing for Underwater Acoustics”. Singapore: World<br /> Scientific.<br /> [3]. Porter M B, Tolstoy A. “The Matched-field processing benchmark problems”. Journal<br /> of Computational Acoustics, 1994, 2(3):161-185.<br /> [4]. Xiao Z, Xu W, Gong Xianyi. “Robust Matched Field Processing for Source<br /> Localization Using Convex Optimization”. IEEE Oceans’ 2009, Bremen, 2009: 1-5.<br /> [5]. Frazer LN, Pecholcs PI. “Single - hydrophone localization”. J.Acoust.Soc.Am, 1990, 88(2):<br /> 995- 1002.<br /> [6]. Lee Y P. “Time - domain single hydrophone localization in a real shallow water<br /> environment”. IEEE Oceans’98 Conference Proceedings, Nice, France, 1998: 1074-1077.<br /> [7]. Skarsoulis E K, Kalogerakis M A. “Two - hydrophone localization of a click source in<br /> the presence of refraction”. Applied Acoustics, 2006, 67(11): 1202-1212.<br /> [8]. Jensen, F., W. Kuperman, M. Porter, and H. Schmidt 1994. “Computational Ocean<br /> Acoustics”. New York: AIP Press.<br /> [9]. Shuai YAO, Kun LI, Shiliang FANG, “Cross correlation matched field localization<br /> for unknown emitted signal waveform using two-hydrophone”, Inter-noise 2014,<br /> Melbourne, Nov. 16-19, 2014.<br /> ABSTRACT<br /> INVESTIGATION OF FACTORS AFFECTING ERROR POSITIONING SOURCE<br /> LOCALIZATION FOR UNDERWATER ACOUSTIC TARGET IN SHALLOW WATER<br /> This paper focuses on algorithm, survey hydroacoustic located stations, model<br /> sound transmission in Vietnam shallow water. Simulation and evaluation of factors<br /> affecting the localization error on the sound source in shallow water such as the<br /> sound source characteristics, environmental parameter changes on the seasons, the<br /> need to update the seasonal environmental parameters, minimum accuracy<br /> requirements when to assess the speed of sound. The simulation results show that<br /> the temperatures is changed at high value by seasonal variations, needed to be<br /> updated according to the real value of the temperature to ensure the quality of<br /> localization. The accuracy required when to assess velocity C  0,4m / s , while<br /> localization for accurate results.<br /> Keywords: Matching Field Processing – MFP, Localization, Hydrophone, Shallow water.<br /> <br /> Nhận bài ngày 20 tháng 5 năm 2016<br /> Hoàn thiện ngày 26 tháng 5 năm 2016<br /> Chấp nhận đăng ngày 09 tháng 6 năm 2016<br /> 1<br /> Địa chỉ: Học viện Kỹ thuật quân sự;<br /> 2<br /> Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng;<br /> 3<br /> Học viện Hải quân.<br /> *<br /> E-mail: daidaingoc@gmail.com<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 93<br />