intTypePromotion=1

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

Chia sẻ: Thi Thi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

0
19
lượt xem
0
download

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

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài báo nghiên cứu thuật toán, khảo sát môi trường bố trí trạm trinh sát thủy âm, mô hình truyền âm tại vùng nước nông biển Việt Nam. Mô phỏng và đánh giá các yêu tố ảnh hưởng đến sai số định vị nguồn âm trong vùng biển nước nông như đặc tính nguồn âm, tham số môi trường thay đổi theo mùa, sự cần thiết phải cập nhật tham số môi trường theo mùa, độ chính xác tối thiểu yêu cầu khi đánh giá vận tốc âm.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: 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 />
ADSENSE
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2