Tóm tắt 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:27

Thêm vào BST

Báo xấu

37
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án nghiên cứu xây dựng các giải pháp nâng cao chất lượng tín hiệu thu của mảng cảm biến thủy âm dùng cho các hệ thống sonar và thiết bị định vị thủy âm thụ động nhằm nâng cao khả năng phát hiện và định vị các mục tiêu là nguồn âm dưới nước trong vùng biển nông.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt 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 Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Mã số : 9 52 02 03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 2020
Công trình được hoàn thành tại: Viện Khoa học và Công nghệ quân sự - Bộ Quốc phòng Người hướng dẫn khoa học: 1. TS Phan Trọng Hanh 2. TS Vũ Văn Binh Phản biện 1: GS.TS Vũ Văn Yêm Đại học Bách khoa Hà Nội Phản biện 2: PGS.TS Đỗ Quốc Trinh Học viện Kỹ thuật quân sự Phản biện 3: TS Vũ Lê Hà Viện Khoa học và Công nghệ quân sự Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tại Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự, Hà Nội vào hồi giờ , ngày tháng năm 2020. Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự - Thư viện quốc gia Việt Nam
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 1) Phan Hồng Minh, Phan Trọng Hanh, Lương Thị Ngọc Tú, “Cấu hình mạng cảm biến thủy âm trên cơ sở tiền xử lý ICA nhằm nâng cao độ chính xác định vị đa mục tiêu”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, số 48, tháng 04 năm 2017. 2) Phan Hồng Minh, Phan Trọng Hanh, Vũ Văn Binh, Nguyễn Công Đại, “Một giải pháp cấu hình mảng cảm biến thủy âm hai chiều trên cơ sở tạo búp sóng tùy biến”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, số 54, tháng 04 năm 2018. 3) Lê Kỳ Biên, Phan Hồng Minh, Trần Hiếu Thảo, Phan Trọng Hanh, “Giải pháp xử lý tín hiệu cho hệ thống phao thủy âm phát hiện và cảnh báo mục tiêu theo nguyên lý sonar thụ động”, Hội thảo quốc gia Ứng dụng công nghệ cao vào thực tiễn năm 2018, Số đặc san, tháng 08 năm 2018, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự. 4) Phan Hồng Minh, Phan Trọng Hanh, Vũ Văn Binh, “Giải tích chập mù đa kênh tín hiệu thủy âm vùng nước nông bằng mạng nơ ron truyền thẳng”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, số 62, tháng 8 năm 2019.
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 phương 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 dưới nước xâm nhập từ biển là rất cấp thiết. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Nghiên cứu xây dựng các giải pháp nâng cao chất lượng tín hiệu thu của mảng cảm biến thủy âm dùng cho các hệ thống sonar và thiết bị định vị thủy âm thụ động nhằm nâng cao khả năng phát hiện và định vị các mục tiêu là nguồn âm dưới nước trong vùng biển nông. 3. Các kết quả chính, ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3.1. Các kết quả chính 1) Đã đề xuất mô hình cấu trúc của mảng cảm biến thủy âm dạng mảng phẳng, kết hợp giải pháp tạo búp sóng tùy biến thích nghi, làm tăng độ lợi của mảng cảm biến. 2) Đã đề xuất mô hình và giải pháp xử lý tín hiệu thủy âm phức hợp trên cơ sở kết hợp kỹ thuật phân tích thành phần độc lập (ICA) và giải tích chập mù đa kênh (MBD) nhằm nâng cao tỷ số SNR trong điều kiện biển nông. 3.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Việc nghiên cứu nâng cao chất lượng của mảng cảm biến thủy âm dùng cho hệ thống sonar và thiết bị định vị thụ động các mục tiêu phát xạ thủy âm dưới nước được 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 hướng tốt khi thiết kế hệ thống sonar hoặc thiết bị định vị thủy âm tại vùng biển Việt Nam phục vụ an ninh quốc phòng.
2 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 1.1.1 Mô hình mảng cảm biến Nguồn âm được quan tâm trong sonar và siêu âm là các ứng dụng băng hẹp và băng rộng thỏa mãn phương trình truyền sóng trong [31],[37], hơn nữa các thuộc tính không gian thời gian của chúng có thể tách rời độc lập được. Bởi vậy việc đo trường áp 𝑧 𝑟, 𝑡 được 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 tương đối của cảm biến và nguồn âm, t là thời gian. Hình 1.1: Mô hình thu tín hiệu không gian thời gian của mảng cảm biến Đáp ứng đầu ra 𝑥 𝑟, 𝑡 là tích chập của 𝑧 𝑟, 𝑡 và đáp ứng của mảng cảm biến ℎ 𝑟, 𝑡 . 𝑥 𝑟, 𝑡 = 𝑧 𝑟, 𝑡 ⊗ ℎ 𝑟, 𝑡 (1.1) Trong đó 𝑧 𝑟, 𝑡 được 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 trường dưới nước Ψ 𝑟, 𝑡 . 𝑧 𝑟, 𝑡 = 𝑦 𝑟, 𝑡 ⊗ Ψ 𝑟, 𝑡 (1.2) 1.1.2 Mảng cảm biến và hệ thống sonar thủy âm thụ động Mô hình cấu trúc hệ thống Hệ thống sonar định vị thủy âm dưới biển là hệ thống thiết bị có chức năng xác định vị trí nguồn âm trong vùng không gian quan sát dưới mặt nước biển. Tùy theo ứng dụng và đặc tính khác nhau mà hệ thống có dạng: di động hoặc cố định. Mô hình cấu trúc cơ bản của hệ thống sonar
3 thủy âm thụ động cố định có M cảm biến có thể được mô tả theo diễn tiến của thông tin phát hiện nhận dạng như sau (Hình 1.2): Hình 1.2: Mô hình cấu trúc hệ thống sonar thủy âm thụ động Độ chính xác định vị nguồn âm 2 2 2 𝜎𝑝 𝐷 = 𝜎đ𝑡 𝐷 + 𝜎𝑚𝑡 𝐷 + 𝜎𝑡𝑛 𝐷 𝜎𝑖2 𝐷 (1.7) 𝑖 1.2 Vùng biển nông và các đặc trƣng cơ bản 1.2.1 Khái niệm vùng biển nông 1.2.2 Hiệu ứng phản xạ đa đường trong vùng biển nông Hình 1.1: Hiệu ứng đa đường ở vùng biển nông: (a) tia âm phản xạ, (b) tín hiệu theo thời gian. (A) tia trực tiếp; (B) phản xạ bề mặt; (C) phản xạ từ đáy; (D) phản xạ từ bề mặt tới đáy; (E) phản xạ từ đáy tới bề mặt
4 Đối với vùng biển nông môi trường truyền dẫn bị giới hạn bởi mặt biển và đáy biển, tín hiệu trong quá trình lan truyền bị phản xạ nhiều lần trước khi tới bộ thu. Theo như kết quả thực nghiệm của Lurton[37] tại Hình 1.3a đường đi của các tia âm trong vùng nước nông bị phản xạ nhiều lần, Hình 1.3b cho thấy hiệu ứng đa đường đo tín hiệu trên miền thời gian thực. Hình 1.4: Mô phỏng hiệu ứng đa đường với 5 tia âm Hình 1.5: Tín hiệu xung bị ảnh hưởng đa đường Hình 1.4 mô phỏng kênh âm ở vùng nước nông bị ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường với 5 tia âm: Tốc độ âm 1520m/s, độ sâu kênh âm 100m, nguồn âm có tọa độ [0,0,-60], bộ thu 1 có tọa độ [500,0,-40], bộ thu 2 có tọa độ [500, 1000, -70], nguồn phát đẳng hướng và tia âm truyền thẳng và phản xạ ở đáy có mức suy hao 0.5dB.
5 Nguồn phát đẳng hướng phát xung có độ rộng 13.2ms vào kênh âm với 5 tia âm thu được tại bộ thu. Ở Hình 1.5, tín hiệu quan sát thấy thu được nhiều xung vọng sinh ra bởi các tia âm phản xạ, tín hiệu đã giao thao vào với nhau. Như vậy trong vùng biển nông ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường đến chất lượng tín hiệu là rất lớn. Để khắc phục vấn đề này có một số giải pháp như: Một là thiết kế cấu trúc hình học của mảng hợp lý để tăng độ lợi của mảng thu. Hai là tạo búp sóng mảng cảm biến sao cho búp sóng chính hướng về tia trực tiếp trong khi tín hiệu đến từ các hướng khác là nhiễu, mục đích làm tăng tỷ số SNR của mảng. Ba là xử lý tín hiệu DSP tái tạo khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Các giải pháp này được thảo luận chi tiết ở những phần tiếp theo. 1.2.3 Ảnh hưởng tham số của biển nông đến chất lượng của hệ thống sonar thủy âm thụ động 1.3 Một số giải pháp nâng cao chất lƣợng mảng cảm biến. 1.3.1 Tối ưu hóa cấu trúc hình học của mảng 1.3.2 Kỹ thuật tạo búp sóng mảng cảm biến 1.3.3 Xử lý tín hiệu mảng cảm biến Hình 1.7: Sơ đồ khối hệ thống xử lý tín hiệu mảng cảm biến Xử lý tín hiệu mảng cảm biến thủy âm là khái niệm mở rộng bao hàm cả xử lý mảng cảm biến sonar thụ động, mạng thông tin liên lạc dưới nước... gồm các khối chức năng như: chuyển đổi ADC, lọc FIR, Lọc thích nghi LMS, Kalman, triệt nhiễu thích nghi, nâng cao khả năng thích nghi tuyến tính, phân tích DEMON/LOFAR, phân tích phổ FFT/MUSIC, cảnh báo phát hiện mục tiêu (ngư lôi, tàu ngầm, tàu lạ, người nhái, đàn cá....), phân loại nhận dạng mục tiêu, đánh giá tỷ số SNR của mảng, thu nghe lưu trữ, theo dõi hoặc bám mục tiêu, v.v... (Hình 1.7). 1.4 Vấn đề nâng cao chất lƣợng mảng cảm biến thủy âm và hƣớng nghiên cứu của luận án 1.4.1 Các nghiên cứu liên quan đã công bố Tình hình nghiên cứu trong nước Tình hình nghiên cứu ngoài nước
6 1.4.2 Yêu cầu và hướng nghiên cứu của luận án Xuất phát từ yêu cầu khoa học và yêu cầu thực tiễn về vấn đề nâng cao chất lượng mảng cảm biến, trên cơ sở lý thuyết về kỹ thuật điện tử và liên ngành luận án hướng tới nhiệm vụ sau: - Xây dựng giảipháp nâng cao chất lượng mảng cảm biến thủy âm bằng phương pháp tạo búp sóng mảng tùy biến; - Xây dựng giải pháp nâng cao chất lượng tín hiệu thu của mảng cảm biến thủy âm bằng phương pháp xử lý tín hiệu phức hợp tùy biến (Hình 1.9). Hình 1.9: Mô hình xử lý tín hiệu nâng cao chất lượng mảng cảm biến 1.4.3 Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án Vấn đề nghiên cứu được đặt ra là đề xuất giải pháp nâng cao chất lượng khi làm việc trong môi trường biển nước nông, đặc trưng bởi hiệu ứng đa đường và có tạp ồn lớn. Để thực hiện được nội dung trên cần giải quyết những vấn đề sau: Một là nghiên cứu kỹ thuật tạo búp sóng tùy biến, kết hợp điều khiển búp sóng thông thường và thích nghi sao cho nâng cao tỷ số SNR của mảng cảm biến thủy âm. Hai là nghiên cứu giải pháp xử lý tín hiệu phù hợp với cấu trúc mảng cảm biến thủy âm trên cơ sở kết hợp kỹ thuật ICA và giải pháp giải tích chập mù đa kênh bằng mạng nơ ron vào xử lý tín hiệu mảng cảm biến nhằm khôi phục, tái tạo lại tín hiệu ban đầu. 2 CHƢƠNG 2: GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG TÍN HIỆU TRÊN CƠ SỞ TẠO BÚP SÓNG MẢNG TÙY BIẾN 2.1 Kỹ thuật tạo búp sóng mảng cảm biến 2.1.1 Tạo búp sóng với mảng thẳng Xét mảng cảm biến (Hình 2.2), có N cảm biến đặt dọc theo trục z có khoảng cách đều nhau và bằng d (ULA - Uniform Linear Arrays, mảng thẳng cách đều). Đặt trung tâm mảng vào giữa hệ trục tọa độ; các vị trí cảm biến 𝑁−1 𝐩𝑧𝑛 = 𝑛 − 2 𝑑 𝑛 = 0, 1, 2, … , 𝑁 − 1 (2.8)
7 𝐩𝑥 𝑛 = 𝐩𝑦𝑛 = 0 (2.9) Hình 2.2: Mảng thẳng bố trí theo trục z Ta có: 𝑁−1 𝑁−1 𝐻 −𝑗 𝑛− 𝑘𝑧 𝑑 ϒ 𝜔, 𝑘𝑧 = 𝐰 𝐯𝐤 𝑘𝑧 = 𝐰𝑛∗ 𝑒 2 (2.13) 𝑛=0 𝑁−1 −𝑗 𝑁−1 𝜓 2𝜋𝑑 2𝜋𝑑 𝐵𝜓 𝜓 = 𝐰 𝐻 𝐯𝜓 𝜓 = 𝑒 2 𝑤𝑛∗ 𝑒 𝑗𝑛𝜓 , − ≤𝜓≤ (2.26) 𝜆 𝜆 𝑛=0 Trường hợp đặc biệt của mảng thẳng là mảng có véc tơ trọng số đồng nhất với nhau được cho bởi 1 𝑤𝑛 = , 𝑛 = 0, 1, … , 𝑁 − 1 (2.29) 𝑁 Có thể viết lại (2.29) theo dạng véc tơ như sau: 1 𝐰= 𝟏 (2.30) 𝑁 1 ở đây là véc tơ đơn vị Nx1, bởi vậy hàm đáp ứng đầu ra tạo búp sóng trong không gian ψ là 𝑁 −1 𝑁 −1 1 𝑁−1 𝑗 𝑛− 2 𝜓 1 −j 𝜓 𝑁−1 𝑗𝑛𝜓 ϒ.𝜓 𝜓 = 𝑁 𝑛=0 𝑒 = 𝑁e 2 𝑛=0 𝑒 = 𝑁 −1 (2.31) 1 −j 𝜓 1−𝑒 𝑗𝑁𝜓 𝑁 e 2 1−𝑒 𝑗𝜓 Tham chiếu công thức
8 𝑁−1 1 − 𝑥𝑛 𝑥𝑛 = 1−𝑥 𝑛=0 Hoặc 𝜓 1 𝑠𝑖𝑛 𝑁 2 ϒ.𝜓 𝜓 = , −∞ ≤ 𝜓 ≤ +∞ (2.32) 𝑁 𝑠𝑖𝑛 𝜓 2 Ở đây có thể thấy rằng ϒ.𝜓 𝜓 là hàm tuần hoàn với chu kỳ 2π đối với N lẻ. Nếu N chẵn búp sóng tại ±2π, ±6π là âm và chu kỳ là 4π. Chu kỳ của |ϒ.𝜓 𝜓 | là 2π với tất cả các giá trị của N. 𝑑 1 𝑠𝑖𝑛 𝑁𝑘 𝑧 2 ϒ 𝑤: 𝑘𝑧 = , −∞ ≤ 𝜓 ≤ +∞ (2.34) 𝑁 𝑠𝑖𝑛 𝑘 𝑧 𝑑 2 Trong đó ϒ 𝑤: 𝑘𝑧 là hàm có chu kỳ 2π/d và chú ý rằng hàm đáp ứng tần số chỉ phụ thuộc vào số sóng kz và tuần hoàn với kz trong khoảng 2π/d. Như vậy chùm búp sóng trong ψ được biểu diễn như sau: 𝜓 1 𝑠𝑖𝑛 𝑁 2 2𝜋𝑑 2𝜋𝑑 𝐵𝜓 𝜓 = , − ≤𝑢≤ (2.37) 𝑁 𝑠𝑖𝑛 𝜓 𝜆 𝜆 2 Vẽ mô phỏng búp sóng mảng thẳng đồng nhất trong tọa độ cực và 3D. Hình 2.6: Búp sóng mảng thẳng ϒ(ψ) vẽ trong tọa độ cực (dB)
9 Hình 2.7: Búp sóng mảng thẳng ϒ(ψ) vẽ trong không gian 3D 2.1.2 Tạo búp sóng mảng cảm biến có cấu trúc hình học khác nhau 2.2 Tạo búp sóng thích nghi cho mảng cảm biến 2.2.1 Mô hình và phương pháp tạo búp sóng thích nghi 2.2.2 Tạo búp sóng thích nghi Frost 2.3 Giải pháp xử lý đa đƣờng trên cơ sở tạo búp sóng mảng tùy biến 2.3.1 Tạo búp sóng tùy biến với mảng phẳng Trên cơ sở là mảng phẳng chữ nhật NxM hydrophone, xây dựng mô hình tính toán và thiết kế tạo búp sóng cho mảng căn cứ trên véc tơ đa tạp và tập trọng số mảng [17]. Chùm búp sóng tạo ra bởi mảng phẳng có nguồn âm tại vị trí p(r,θ,ϕ) được tính như sau: 𝑁−1 𝑀−1 𝑁−1 𝑀−1 −𝑗 𝜓𝑥 + 𝜓𝑦 𝐵 𝜓𝑥 , 𝜓𝑦 = 𝑒 2 2 𝒘∗𝑛𝑚 𝑒 𝑗 𝑛𝜓 𝑥 +𝑚 𝜓 𝑦 (2.49) 𝑛=0 𝑚 =0 Trong đó: 2𝜋 2𝜋 𝜓𝑥 = 𝑑𝑥 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜙, 𝜓𝑦 = 𝑑 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑠𝑖𝑛𝜙 𝜆 𝜆 𝑦 Trường hợp mảng phẳng đồng nhất với dx = dy = λ/2 và N x M = 5 x 7 ta có chùm búp sóng Hình 2.20. Véc tơ đa tạp của hàng thứ m theo trục y của mảng phẳng được tính bằng 𝑒 𝑗 (𝑚 𝜓 𝑦 ) 𝑗 (𝜓 𝑥 +𝑚 𝜓 𝑦 ) 𝒗𝑚 (𝜓) = 𝑒 (2.50) ⋯ 𝑒 𝑗 ((𝑁−1)𝜓 𝑥 +𝑚 𝜓 𝑦 )
10 Hình 2.20: Cấu trúc hình học và chùm búp sóng mảng phẳng 5x7 như vậy với toàn bộ mảng ta có ma trận đa tạp với NxM hydrophone như sau: 𝜓𝑥 𝑽𝜓 𝜓 = 𝒗0 𝜓 ⋮ ⋯ ⋮ 𝒗𝑀−1 𝜓 T, véc tơ 𝝍 = 𝜓 (2.51) 𝑦 từ đây có thể định nghĩa một véc tơ tổng quát bằng cách xếp lần lượt để có một véc tơ NM x 1 giá trị. 𝒗0 (𝜓) 𝑣𝑒𝑐 𝑽𝝍 𝜓 = ⋯ (2.52) 𝒗𝑀−1 (𝜓) Tương tự đối với ma trận các trọng số của mảng phẳng ta có 𝑾 = 𝒘0 ⋯ 𝒘𝑚 ⋯ 𝒘𝑀−1 , vớì hàng thứ m 𝒘𝑚 = 𝒘0 𝑤0,𝑚 ⋯ 𝑤1,𝑚 ⋯ (2.53) và 𝑣𝑒𝑐[𝑾] = 𝒘𝑚 (2.54) ⋯ 𝑤𝑁−1,𝑚 𝒘𝑀−1 Ta có: 𝐵 𝜓 = 𝐵 𝜓𝑥 , 𝜓𝑦 = 𝑣𝑒𝑐 H [𝑾]𝑣𝑒𝑐 𝑽𝜓 𝜓 (2.55) là dạng tổng quan để thiết kế một mảng phẳng NxM hydrophone bất kỳ. 2.3.2 Tính toán và tùy biến mảng để giảm ảnh hưởng đa đường - Tính toán mảng để tăng cƣờng tín hiệu khi mục tiêu tiếp cận gần Xét mảng thẳng gồm 30 hydrophone, theo đó để quan sát mục tiêu xâm nhập từ phía xa tiến vào gần mảng có thể tùy biến mảng như sau: + Một mảng thẳng gồm 30 hydrophone: Độ lợi mảng GA = 30dBi, Hình vẽ mô phỏng cho thấy búp sóng chính rất hẹp và nhọn, các búp phụ bị triệt tiêu đi đáng kể, khi quan sát mục tiêu ở xa thì tốt (Hình 2.25).
11 Hình 2.25: Búp sóng mảng thẳng 30 hydrophone + Ba mảng thẳng độc lập mỗi mảng 10 hydrophone thẳng hàng: Độ lợi mảng GA = G1 + G2 + G3 = 30 dBi. Mô phỏng cho thấy búp sóng chính to hơn, các búp sóng phụ cũng tăng hơn vẫn đảm bảo độ lợi thu (Hình 2.6). Hình 2.26: Tạo búp sóng với 3 mảng thẳng độc lập 10 hydrophone + 1 mảng thẳng ở giữa và 2 mảng tùy biến độc lập nhau xoay 10 độ (Hình 2.27): Hình 2.27: Tạo búp sóng với 1 mảng thẳng và 2 mảng xoay 10o 10 hydrophone Khi quan sát mục tiêu ở xa, trường tín hiệu đến mảng là song song, hai trường hợp đầu tiên đều quan sát tốt. Khi mục tiêu đến gần thì cả hai mảng trên đều thu kém hơn rất nhiều. Để tính toán độ suy giảm xét độ lớn của búp sóng chính tại góc mở 3dB (the half-power beamwidth, HPBW- Độ rộng nửa công suất).
12 Theo [17] độ rộng nửa công suất của búp sóng chính: 0.886𝜆 𝜆 𝐻𝑃𝐵𝑊 = 𝛥𝑢1 = 𝑟𝑎𝑑 ≈ 50 (𝑑𝑒𝑔𝑟𝑒𝑒) (2.56) 𝑁𝑑 𝑁𝑑 Với 3 mảng được thiết kế mỗi mảng 10 hydrophone cách nhau 50m (d = 50m) quan sát tần số f = 15Hz (λ = 100m), giả sử vận tốc âm trong nước c = 1500 m/s. Ta có HPBW ≈ 100. Vậy khoảng cách R = 550/ sin100 = 3167 m. Như vậy khi mục tiêu tiến vào gần mảng đến khoảng cách 3167m thì với trường hợp 2 độ lợi sẽ giảm đi còn GA = G1 /2+ G2 + G3 /2 dB càng vào gần thì độ lợi càng giảm hơn nữa. Với trường hợp 3 mảng tùy biến đã xoay đi 100 thì khi mục tiêu vào gần vẫn đảm bảo độ lợi không đổi. - Xử lý tùy biến mảng để thu tối ƣu tín hiệu mong muốn Xét mảng phẳng chữ nhật 3x10 hydrphone trong đó giả sử tín hiệu mong muốn đến từ hướng 28o, tín hiệu tạp nhiễu đến từ hướng 62o và tạp ồn đến từ hướng 75o. Tùy biến mảng phẳng thành 3 mảng thẳng song song với nhau và xác định độ lợi thu với 3 búp sóng chính quay hướng 28o. Mô phỏng 3 mảng thẳng cấu hình khác nhau để tính độ lợi hướng 62o và 75o của mảng trong các trường hợp để xác định Gmin, GA(θo)= G1(θo)+ G2(θo)+ G3(θo) quy chuẩn độ lợi thu = 10 dBi cho mỗi mảng. Bảng 2.4: Độ lợi GA tại các góc hướng của mảng phẳng tùy biến STT Cấu hình 3 Góc búp GA(28o) GA(62 o) GA(75 o) mảng thẳng sóng chính dBi dBi dBi o o o 1 2:26:2 28 :28 :28 30 1.2459 2.4640 2 3:24:3 28o:28o:28o 30 2.9497 0.9837 3 4:22:4 28o:28o:28o 30 1.5707 2.7985 4 5:20:5 28o:28o:28o 30 2.8708 1.9806 o o o 5 6:18:6 28 :28 :28 30 1.8016 2.3296 6 7:16:7 28o:28o:28o 30 2.6718 2.1814 7 8:14:8 28o:28o:28o 30 1.9362 0.8144 o o o 8 9:12:9 28 :28 :28 30 2.3617 3.0255 9 10:10:10 28o:28o:28o 30 1.9791 2.4735 10 11:8:11 28o:28o:28o 30 1.9562 0.7255 11 12:6:12 28o:28o:28o 30 1.9407 2.8942 o o o 12 13:4:13 28 :28 :28 30 1.4770 2.1124 13 14:2:14 28o:28o:28o 30 1.8366 2.1415 14 15:0:15 28o:0o:28o 30 0.9500 2.0887 Số liệu mô phỏng từ Bảng 2.4 cho thấy với hướng 62 Gmin = o 0.95 trong trường hợp STT-14 tùy biến thành 2 mảng thẳng 15
13 hydrophone, với hướng 75 Gmin = 0.7255 ở trường hợp STT-10 mảng o tùy biến thành 3 mảng số lượng 11:8:11. Vậy để thu với sự ảnh hưởng của nhiễu và tạp ồn là ít nhất, có thể hoàn toàn xác định được cấu hình tùy biến tối ưu. 2.4 Đánh giá hiệu quả phƣơng pháp tạo búp sóng mảng tùy biến 2.4.1 Triệt giảm tạp ồn của tín hiệu Mô phỏng tạo búp sóng thông thường (Delay and Time) và tạo búp sóng thích nghi Frost [15] cho mảng thường và mảng tùy biến. Tín hiệu sử dụng để mô phỏng là tín hiệu phát ra từ mục tiêu dưới nước có độ dài 10s (Hình 2.30). Hình 2.30: Một số tín hiệu âm thanh dưới nước sử dụng để mô phỏng Hình 2.35 cho thấy tín hiệu đã được cải thiện đáng kể về tạp ồn và không thấy xuất hiện tín hiệu thứ 2. Như vậy có thể thấy thuật toán thích nghi Frost cải thiện đáng kể chất lượng với thuật toán tạo búp sóng thông thường. Tuy nhiên với số lượng cảm biến là không đổi, chất lượng tín hiệu còn có thể tốt hơn nữa khi ứng dụng với mảng phẳng tùy biến 4x3 triangular (Hình 2.36), mô phỏng cho thấy rõ hiệu quả của giải pháp tạo búp sóng mảng tùy biến đã làm giảm tạp ồn đến từ những hướng không quan tâm.
14 Hình 2.35: Tạo búp sóng thích nghi Frost mảng ULA góc S1 [-30O, 0O] Hình 2.36: Tạo búp sóng thích nghi Frost mảng tùy biến góc S1 [-30O, 0O] 2.4.2 Nâng cao độ lợi tín hiệu với mảng tùy biến. Để thấy rõ sự cải thiện về chất lượng tính độ lợi của mảng (Array Gain) theo công thức sau [40]: 𝑆𝑁𝑅0 (𝜔) 1 𝐺𝐴 = = 𝑁−1 2 (2.57) 𝑆𝑁𝑅𝑖𝑛 (𝜔) 𝑛=0 𝑤𝑛 Hoặc 𝑁−1 −1 2 2 𝐺𝐴 = 𝑤𝑛 = 𝑤 (2.58) 𝑛=0
15 Bảng 2.5: Độ lợi của mảng thường ULA theo 3 góc tới của tín hiệu Tạo búp sóng Delay and Time Tạo búp sóng Frost S T Mảng thƣờng Góc quay Góc quay Góc quay Góc quay Góc quay Góc quay T S1[-30,0] S2[-10,10] S3[20,0] S1[-30,0] S2[-10,10] S3[20,0] Mảng thường 12 1 0.8645 0.2235 0.4764 10.9068 1.6913 3.6562 phần tử ULA Bảng 2.6: Độ lợi của mảng phẳng tùy biến theo 3 góc tới của tín hiệu Mảng phẳng Tạo búp sóng Delay and Time Tạo búp sóng Frost S tùy biến theo T Góc quay Góc quay Góc quay Góc quay Góc quay Góc quay các cấu trúc T khác nhau S1[-30,0] S2[-10,10] S3[20,0] S1[-30,0] S2[-10,10] S3[20,0] Mảng phẳng tùy 1 biến 3x4 kiểu 2.1456 0.4610 0.5727 11.5240 1.6544 3.6667 Rectagular Mảng phẳng tùy 2 biến 4x3 kiểu 1.3982 0.3187 0.6418 11.7307 1.6818 3.6482 Rectagular Mảng phẳng tùy 3 biến 2x6 kiểu 4.1100 0.6899 1.01621 11.7816 1.6808 3.6731 Triangular Mảng phẳng tùy 4 biến 6x2 kiểu 1.0032 0.2318 0.7527 11.8109 1.6709 3.6541 Triangular Mảng phẳng tùy 5 biến 3x4 kiểu 2.2093 0.4603 0.6143 11.6094 1.6602 3.6669 Triangular Mảng phẳng tùy 6 biến 4x3 kiểu 1.3950 0.3459 0.6981 11.8155 1.6806 3.6538 Triangular Kết quả Bảng 2.5 cho thấy độ lợi khi tạo búp sóng với mảng thường theo các góc hướng khác nhau, trên thực tế mảng có thể quét theo các góc hướng bất kỳ, luận án chỉ mô phỏng một số góc hướng điển hình để tìm giải pháp có lợi lớn nhất. Bảng 2.6 là tạo búp sóng với mảng phẳng tùy biến được kích hoạt theo các cấu trúc khác nhau, kết quả mô phỏng cho thấy độ lợi của mảng phẳng tùy biến có cải thiện hơn, tuy nhiên nhược điểm của giải pháp đó là mất nhiều thời gian để tính toán tối ưu cấu trúc hình học để đưa ra cấu trúc tốt nhất và không phải tất cả các hướng của mảng phẳng tùy biến đều có độ lợi lớn hơn so với mảng thường, điều này cũng phù hợp với thực tế.
16 3 CHƢƠNG 3: GIẢI PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU MẢNG CẢM BIẾN THỦY ÂM TRONG VÙNG BIỂN NÔNG 3.1 Xây dựng giải pháp 3.1.1 Mô hình xử lý tín hiệu Hình 3.1:Mô hình giải pháp xử lý tín hiệu mảng cảm biến 3.1.2 Đề xuất giải pháp xử lý tín hiệu Giải pháp được sử dụng ở Hình 3.2 là sau khi khởi tạo mảng thu tín hiệu tạo búp sóng thông thường và điều khiển quay búp sóng chính theo phương pháp bù pha trên nguyên lý “Delay and Time” để rà quét sục sạo mục tiêu theo phương ngang. Khi xuất hiện mức năng lượng lớn hơn ngưỡng phát hiện, hệ thống sẽ cảnh báo xuất hiện mục tiêu và căn cứ vào mức năng lượng, mật độ phổ, tần số mảng sẽ tùy biến một số cấu trúc hình học khác nhau và thiết lập tạo búp sóng thích nghi Frost để tìm ra cấu hình mảng cho tín hiệu tốt nhất (Hình 3.3). 3.2 Phân tích các phần tử độc lập ICA với mảng tùy biến 3.2.1 Kỹ thuật phân tích các phần tử độc lập ICA 3.2.2 Xử lý tín hiệu ICA nâng cao chất lượng định vị mục tiêu a) Cấu trúc và mô hình mảng cảm biến định vị mục tiêu b) Nâng cao chất lượng định vị đa mục tiêu với ICA - Xây dựng mô hình tiền xử lý ICA để theo dõi đa mục tiêu: Để định vị theo (3.23)(3.24) cần số lượng hydrophone là 4 cái, theo mô hình ICA ở trên thì số lượng hydrophone cần dùng bằng với số lượng mục tiêu cần theo dõi. Như vậy để theo dõi 2 mục tiêu đồng thời thì cấu hình cho 8 hydrophone hoạt động, 3 mục tiêu cần 12 cái .., ngoài ra việc thiết lập cấu trúc (thay đổi độ sâu của cảm biến cũng như bố trí hình học của mạng) dễ dàng thực hiện để theo dõi và quan sát với nhiều mục đích khác nhau.
17 Hình 3.2: Lưu đồ thuật giải thuật xử lý tín hiệu