Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu thuật toán xử lý trường phối hợp thích nghi cho sonar thụ động định vị mục tiêu ngầm trong vùng biển nước nông Việt Nam

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

36
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài nhằm nghiên cứu xây dựng thuật toán MFP thích nghi áp dụng cho mô hình sonar thụ động nhằm định vị được nguồn âm mục tiêu ngầm dải rộng, mức nh ở điều kiện có nhiễu trong vùng iển ự kiến triển khai mô hình sonar thụ động. Việc xây dựng thuật toán dựa trên công cụ tính toán của mô hình kênh âm, thực hiện tổng hợp, xử

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 thuật toán xử lý trường phối hợp thích nghi cho sonar thụ động định vị mục tiêu ngầm trong vùng biển nước nông Việt Nam

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ NGUYỄN XUÂN LONG NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN XỬ LÝ TRƯỜNG PHỐI HỢP THÍCH NGHI CHO SONAR THỤ ĐỘNG ĐỊNH VỊ MỤC TIÊU NGẦM TRONG VÙNG BIỂN NƯỚC NÔNG VIỆT NAM Chuyên ngành: Kỹ thuật Địện tử Mã số: 62 52 02 03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2016
2 Công trình được hoàn thành tại: VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS Trịnh Đăng Khánh 2. PGS.TS Nguyễn Quang Hùng Phản biện 1: GS.TS Bạch Gia Dương Đại học Công nghệ Hà Nội, Đại học Quốc gia Hà Nội Phản biện 2: PGS. TSKH Đỗ Đức Lưu Đại học Hàng hải Việt Nam Phản biện 3: PGS.TS Trịnh Văn Loan Đại học Bách khoa Hà Nội Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện họp tại Viện KH&CN Quân sự vào hồi ngày tháng năm 2016. Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Viện KH&CN Quân sự; - Thư viện Quốc gia Việt Nam.
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Sonar thụ động là khí tài đã cho thấy có vai trò quan trọng trong trang bị của quân đội để bảo vệ các công trình, căn cứ tại vùng nước nông ở các nước có biển nói chung và ở Việt Nam nói riêng. Trên thế giới, việc nghiên cứu vấn đề xử lý trường phối hợp trong sonar thụ động để định vị mục tiêu được cộng đồng các nhà khoa học rất quan tâm. Trong đó, hướng nghiên cứu về phương pháp xử lý trường phối hợp MFP (Matched Field Processing), áp dụng trong sonar xử lý các tín hiệu và môi trường để định vị mục tiêu. Đây là xu hướng tiếp cận mới, được dựa trên việc sử dụng thông tin cần thiết về các đặc trưng của tín hiệu và nhiễu, đồng thời với các số liệu tiên nghiệm về kênh lan truyền của tín hiệu. Tuy nhiên bí quyết công nghệ và đặc biệt là những nghiên cứu về các tham số môi trường biển của mỗi quốc gia thường không được công bố, chính vì vậy đề tài luận án này tập trung: “Nghiên cứu thuật toán xử lý trường phối hợp thích nghi cho sonar thụ động định vị mục tiêu ngầm trong vùng biển nước nông Việt Nam”. 2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu Mục tiêu: Nghiên cứu xây dựng thuật toán MFP thích nghi áp dụng cho mô hình sonar thụ động nhằm định vị được nguồn âm mục tiêu ngầm dải rộng, mức nh ở điều kiện có nhiễu trong vùng iển ự kiến triển khai mô hình sonar thụ động. Việc xây dựng thuật toán dựa trên công cụ tính toán của mô hình kênh âm, thực hiện tổng hợp, xử lý các tham số thủy âm tại một khu vực biển nước nông cụ thể của Việt Nam. Nội dung: Tổng quan phương pháp chung về xử lý thông tin thủy âm của các phương tiện thủy âm thụ động, được phối hợp với kênh lan truyền, với các đặc trưng của tín hiệu và nhiễu; Nghiên cứu những vấn đề của thuật toán MFP đã được công bố, xác định những vấn đề cơ ản về ứng dụng của chúng. Đặt bài toán với các yêu cầu cần giải quyết cụ thể của sonar thụ động về định vị. Đánh giá môi trường truyền âm, một số phương pháp sử dụng thuật toán MFP định vị mục tiêu ngầm của sonar thụ động trong vùng iển nước nông cụ thể; Phân tích công cụ tính kênh âm cơ sở áp dụng mô hình với những đặc thù môi trường ở vùng iển iệt am đã được chọn để ự kiến triển khai sonar; ghiên cứu các ứng dụng của thuật toán MFP cho hệ thống sonar thụ động. Xây dựng thuật thuật toán MFP thích nghi, ải rộng, tương quan ch o để định vị vị trí nguồn âm tín hiệu ải rộng, mức thấp, có ạng sóng phát chưa iết, làm việc trong điều kiện iển nước nông iệt am; Mô ph ng đánh giá về thuật toán đã xây dựng áp dụng trong mô hình sonar thụ động.
2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Mô hình ống dẫn sóng đại ương ứng dụng giải quyết vấn đề truyền âm trong biển nước nông. Những đặc trưng của nguồn âm mục tiêu ngầm, nhiễu đại ương và các thuật toán MFP áp dụng cho mô hình sonar thụ động thích nghi, nhằm định vị được nguồn âm mục tiêu dải rộng, mức nh . Phạm vi nghiên cứu: Để làm rõ bản chất của thuật toán MFP áp dụng cho sonar thụ động định vị mục tiêu, trong luận án này nghiên cứu sinh tập trung nghiên cứu: Phạm vi đối tượng: Những tham số thủy âm của vùng iển nước nông cụ thể ở Việt Nam, mô hình hóa tính toán sự truyền âm trong nước, các thuật toán MFP định vị mục tiêu ngầm trong biển nước nông mà mô hình sonar thụ động áp ụng. Phạm vi vấn đề: Những tham số môi trường trong kênh âm và ảnh hưởng của chúng tới sự hoạt động định vị mục tiêu; vấn đề về kênh lan truyền âm, nguồn âm mục tiêu, nguồn nhiễu; Cơ sở toán học và vật lý phù hợp giải quyết các vấn đề về lan truyền âm trong biển nước nông. Định vị nguồn âm mục tiêu, các mô hình, công cụ áp dụng và phương tiện mô ph ng để thực hiện các nội dung nghiên cứu. 4. Phương pháp nghiên cứu Sử ụng phương pháp thống kê thu thập số liệu đo đạc về các tham số môi trường nước iển cụ thể để mô hình hóa kênh âm đại ương vùng iển đó; Sử ụng phương pháp mo chu n mô tả quá trình lan truyền sóng âm trong iển nước nông; sử ụng mô hình ống ẫn sóng để áp ụng tính toán giải quyết ản chất, mối liên hệ các tham số về lan truyền sóng trong kênh âm; Trên cơ sở những nghiên cứu về sonar thụ động áp ụng thuật toán MFP đã được công ố trên thế giới, ùng phương pháp đánh giá để nhận định tính hiệu quả của giải thuật cho sự phù hợp của điều kiện nghiên cứu áp ụng thuật toán MFP cho sonar thụ động ở iệt am. Phát triển nghiên cứu th o hướng xây ựng thuật toán với mục đích cải thiện được đối tượng định vị là mục tiêu ải rộng, trong trường hợp có nhiễu; ùng phương pháp so sánh đánh giá hiệu quả sử ụng thuật toán MFP áp ụng định vị các loại ải tín hiệu trong cùng môi trường của khu vực khảo sát. Sử ụng phương pháp mô ph ng ằng công cụ Mathla để tạo giả các tín hiệu và so sánh đánh giá hiệu quả của thuật toán được xây ựng . 5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: Đã nghiên cứu tập hợp cơ sở ữ liệu về các tham số môi trường, đảm ảo tính phù hợp khi áp ụng các công cụ lý thuyết, cũng như thực hành tính toán giải thuật. Đã đi sâu nghiên cứu xây ựng thuật toán mới áp ụng cho sonar thụ động với công ụng, tính năng về định vị mục tiêu cụ thể (CC-A-BB-MFP) ằng xử lý các tham số về môi trường trong vùng iển nước nông iệt nam, khai thác th o các mô
3 hình công cụ tính toán lý thuyết của một số nghiên cứu đã công ố. uận án cũng đã luận giải, chứng minh tính mới của nghiên cứu về kết quả định vị mục tiêu ngầm khi sonar làm việc trong điều kiện iển cụ thể của iệt am. Mô ph ng đánh giá mang tính trực quan và có định lượng các chỉ tiêu th o các tham số trong mô ph ng, quan tâm xây ựng sự lô gic trình tự chức năng th o các ước của thuật toán mới được xây ựng. Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu của luận án đã góp phần làm rõ được tính khả thi của việc hiện thực hóa xây ựng thuật toán MFP giải quyết vần đề định vị mục tiêu. Trong thực tế, hiện nay quân đội chúng ta cũng đang có chương trình đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới cự ly hoạt động của các phương tiện thủy âm, với kết quả nghiên cứu cũng góp phần làm rõ hơn về một trường hợp cụ thể của chương trình nói trên. uận án đã tổng hợp, sử ụng tham số cơ ản liên quan, ảnh hưởng tới lan truyền âm và các giải pháp k thuật thực hiện trong nghiên cứu, đề xuất miền ứng ụng sát với điều kiện thực tế cho việc xây ựng triển khai trạm sonar thụ động cố định, tại vùng iển nước nông iệt am. 6. Bố cục luận án Bao gồm phần mở đầu, a chương và kết luận chung, cụ thể như sau: Chương 1. Tổng quan về MFP thích nghi cho sonar thụ động định vị mục tiêu ngầm Tổng quan các phương pháp chung xử lý thông tin thủy âm của phương tiện thủy âm thụ động được phối hợp với kênh lan truyền, với các đặc trưng của tín hiệu mục tiêu và nhiễu. Trình bày các vấn đề yêu cầu về xử lý thích nghi trong định vị nguồn âm bằng đánh giá th o t số tín trên tạp tối thiểu; nêu các vấn đề thích nghi làm tăng đáng kể khả năng của các hệ thống tính toán, xử lý dữ liệu, nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của các phương tiện thủy âm; viện dẫn các thực hiện thích nghi th o hướng tới, các đặc trưng cơ ản của tín hiệu mục tiêu và nhiễu tạp âm biển. Trên cơ sở phân tích các thuật toán MFP đã được công bố, xác định được các vấn đề cơ ản, để nghiên cứu về hoạt động của hệ thống sonar thụ động th o hướng MFP, trong đó quan tâm đến các đặc trưng của môi trường, các đặc trưng của tín hiệu và nhiễu. Từ đó đặt bài toán và các yêu cầu cần giải quyết. Chương 2. Đánh giá môi trường truyền âm, nghiên cứu thuật toán định vị mục tiêu ngầm của sonar thụ động trong vùng biển nước nông Việt Nam Đánh giá môi trường truyền âm, các thuật toán MFP định vị mục tiêu ngầm của sonar thụ động trong vùng iển nước nông. hảo sát về tham số thủy âm với các đặc trưng có thể làm số liệu thủy văn điển hình để thử nghiệm, đánh giá th o các mô hình thuật toán xử lý tín hiệu thủy âm trong vùng iển nước nông iệt am; Phân tích công cụ nghiên cứu và các đặc thù môi trường ở vùng iển iệt am đã được chọn ự kiến triển khai;
4 ghiên cứu các thuật toán MFP cho hệ thống sonar thụ động điển hình. Trên cơ sở đó đề xuất thuật toán CC-A-BB-MFP (Cross Correlation - Adaptive - Broad Band - Matching Field Processing) thích nghi, tương quan ch o để định vị vị trí nguồn âm tín hiệu ải rộng, mức thấp với ạng sóng phát chưa iết, làm việc trong điều kiện iển nước nông iệt am. Chương 3. Xây ựng mô hình hệ thống sonar thụ động, đánh giá thuật toán CC-A-BB-MFP thích nghi, định vị mục tiêu ngầm có mức nguồn âm nh trong vùng biển nông Việt Nam. Xây ựng mô hình hệ thống sonar thụ động định vị mục tiêu ngầm trong vùng iển nước nông iệt am; êu đặc thù nguồn âm mục tiêu mức nh , dải tần số thấp trong điều kiện có nhiễu. Đề xuất thuật toán CC-A-BB-MFP, sử dụng khi định vị mục tiêu ngầm có mức nguồn âm nh , trong vùng iển nông iệt am với mong muốn hạn chế và khử được nhiễu; Mô ph ng quá trình của thuật toán CC-A-BB-MFP khử nhiễu ở chế độ định vị mục tiêu ngầm, mức nguồn âm nh trong vùng iển nông iệt am. Thuật toán làm việc trong điều kiện có các loại nhiễu khác nhau là auss và i ull với mức nhiễu lớn. Thuật toán định vị tốt nguồn âm ải rộng, khi có nhiễu với t số S R nh hơn -3dB. HƯ NG 1 T NG QU N VỀ Ử LÝ TRƯỜNG PHỐI HỢP TH H NGHI HO SON R THỤ ĐỘNG ĐỊNH VỊ MỤ TI U NGẦM Phân tích tổng quan các công trình đã có liên quan tới đề tài nghiên cứu, những vấn đề xử lý ở hệ thống sonar thụ động khi phối hợp với môi trường, với các đặc trưng của các trường tín hiệu và nhiễu để định vị mục tiêu. Đặt bài toán và dự kiến hướng nghiên cứu cơ ản trong luận án. 1.1. ác phương pháp M P thích nghi cho sonar thụ ộng hiện tại ở Việt Nam và nước ngoài Các phương pháp MFP thích nghi với các đặc trưng của tín hiệu và nhiễu cho sonar thụ động, có thể được tiếp cận th o các phương pháp sau: (1) Tiếp cận th o phương pháp MFP ải h p với đặc trưng tín hiệu đã iết. (2) Tiếp cận th o phương pháp MFP thích nghi với đặc trưng tín hiệu ải rộng chưa iết và trong điều kiện có nhiễu. ử lý trường phối hợp th ch nghi c c đ c trưng t n hiệu i rộng ih p đ i t v chưa i t Tính thích nghi trong hệ thống sonar thụ động đơn giản nhất, mô tả như trong việc thu tín hiệu, để nhận được mức cực đại của tín hiệu thì phải thay đổi góc nghiêng của giản đồ hướng anten trong mặt phẳng đứng; hay việc chọn lựa tối ưu vùng tần số, cho các điều kiện cụ thể của xử lý tín hiệu trong miền tần số. Thủ tục thích nghi có thể được thực hiện trực tiếp bởi trắc thủ thủy âm.
5 Vùng im lặng Hình 1.1. Tính dị hướng của các tạp âm đại ương trong mặt phẳng đứng (đường n t liền khi f 1k z; đường n t đứt khi f = 10kHz) 1.1.1.2 Để mô ph ng nguồn âm nói chung và của mục tiêu ngầm nói riêng, để thuận lợi cho phân loại và đánh giá các loại mục tiêu ngầm khác nhau, nhằm khai thác triệt để thông tin của các loại nguồn âm khác nhau đó. Ta phân nguồn âm thành 2 loại có tín hiệu ải rộng và ải h p. guồn âm có tín hiệu ải rộng có phổ tín hiệu tương ứng với ải phổ của mục tiêu ngầm từ 50 z đến 500 z, đây là loại nguồn âm mục tiêu ngầm điển hình nhất. goài ra nguồn âm có phổ ải h p là phổ vạch tương ứng với một số tần số rời rạc ví ụ 100 z, 200 z, 350 z. 1.1.2. ệ thống sonar thụ động ử lý trường phối hợp i h p với đ c trưng t n hiệu đ i t Sơ đồ khối mô hình sonar thực hiện các phương pháp như vậy được đưa ra trên hình 1.2. 1 2 3 M Mạng anten Tần số Mô tả tốc Các số liệu Mẫu số liệu th o nguồn âm độ âm th o về môi thời gian độ sâu trường Phổ tương hỗ Ống ẫn sóng âm Đánh giá ma trận Mô hình lan truyền c tơ định hướng Bộ lọc phối hợp Bộ xử lý tín hiệu Đánh giá vị trí nguồn âm Hình 1.2. Mô hình sonar xử lý trường phối hợp đánh giá vị trí của nguồn âm
6 1.1.3. ệ thống sonar thụ động ử lý trường phối hợp th ch nghi với đ c trưng t n hiệu i rộng chưa i t v l m việc trong đi u kiện c nhiễu Trên hình 1.3 đã chỉ ra sự phân loại các thuật toán thích nghi. Có a phương pháp thích nghi ứng ụng xử lý tín hiệu thủy âm trường có nhiễu thủy âm phức tạp: Các phương pháp thích nghi Các phương pháp Các phương pháp Các phương pháp phối hợp với phối hợp với phối hợp với trường tín hiệu trường nhiễu môi trường ình 1.3. Các thuật toán thích nghi phối hợp với tín hiệu, nhiễu và môi trường thủy âm 1.2. Phân tích và chọn lựa phương pháp nâng cao tính hiệu quả cho hệ thống sonar thụ ộng làm việc trong biển nước nông Căn cứ đặc điểm chính về vùng nước triển khai sonar thụ động, để đảm bảo yêu cầu về tính hiệu quả làm việc của sonar, cần thiết thực hiện các yêu cầu sau: - Hợp lý hóa cách bố trí, lắp đặt sonar thụ động với cấu trúc cho trước trong giới hạn vùng quan sát; - Cần có các tham số thủy âm, thủy văn trong vùng nước nông điển hình này để cung cấp cho nghiên cứu, khảo sát và đánh giá các mô hình thuật toán xử lý tín hiệu thủy âm; - Xây dựng cấu trúc của các sonar thụ động và các phương pháp xử lý thông tin thủy âm thích nghi với các điều kiện cụ thể của môi trường. 1.3. Đặt bài toán nghiên cứu Qua các phân tích đánh giá và rút ra từ tổng quan tình hình nghiên cứu, bài toán của luận án được đặt ra cụ thể như sau: Nghiên cứu thuật toán MFP thích nghi, ể nâng cao khả năng ịnh vị mục tiêu ngầm của sonar thụ ộng cố ịnh trong vùng biển nước nông Việt Nam. 1) Giới hạn bài toán: - ghiên cứu sonar thụ động định vị mục tiêu ngầm trong vùng nước nông bằng áp dụng thuật toán MFP thích nghi; - Phạm vi hoạt động của sonar là vùng biển nước nông cụ thể, với các tham số môi trường đặc trưng ảnh hưởng tới kênh lan truyền âm của khu vực đó. 2) Phương ph p gi i quy t bài toán: - Mô hình hóa kênh lan truyền âm bằng các mô hình, công cụ toán học để thực hiện;
7 - Phân tích, đánh giá các nghiên cứu đã công ố để lựa chọn mô hình sonar triển khai phù hợp trong vùng nước nông Việt Nam, có khả năng thực thi về tính toán, quan tâm việc chi phí hợp lý và triển khai thuận lợi. - Nghiên cứu, đề xuất thuật toán xứ lý trường phối hợp thích nghi, áp dụng trong mô hình sonar thụ động để thực thi giải quyết các vấn đề định vị mục tiêu; 3) K t qu dự ki n: - Xây dựng được mô hình kênh truyền âm ở phạm vi giới hạn của biển nước nông, với các tham số phục vụ việc tính toán để giải ài toán định vị nguồn âm có mức tín hiệu nh , trong điều kiện có nhiễu; - Đề xuất thuật toán xử lý trường phối hợp thích nghi, định vị mục tiêu ngầm là nguồn âm dải rộng, mức nguồn âm nh trong vùng iển nông iệt am; - Phạm vi khu vực biển nước nông ven bờ sonar kiểm soát được là khu vực biển cụ thể, có các tham số môi trường đặc trưng cho vùng đó, được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của chúng đến lan truyền âm, trong thực hiện định vị mục tiêu của sonar thụ động. 1.4. Kết luận chương 1 Chương một tổng quan về sonar thụ động định vị mục tiêu ngầm trong biển nước nông với những vấn đề chính sau: - Đã nêu ngắn gọn các phương pháp chung xử lý thông tin thủy âm trong các phương tiện thủy âm thụ động, đó là các phương pháp xử lý được phối hợp với kênh lan truyền và với các đặc trưng của tín hiệu và nhiễu; - Trình bày các vấn đề về yêu cầu xử lý thích nghi trong các phương pháp xử lý nhằm đánh giá định vị nguồn âm th o t số tín trên tạp ở mức tối thiểu, làm tăng đáng kể khả năng của các hệ thống tính toán xử lý dữ liệu, trong việc nâng cao hiệu quả hoạt động của các phương tiện thủy âm nói chung; - Trên cơ sở phân tích một số nghiên cứu về thuật toán MFP đã được công bố, xác định được các vấn đề cơ ản để nghiên cứu, đó là hướng MFP thích nghi, ở đó tính đến các đặc trưng của môi trường, các đặc trưng của tín hiệu và nhiễu của các hệ thống sonar thụ động; - Đánh giá hệ thống sonar thụ động xử lý phối hợp dải h p với đặc trưng tín hiệu đã iết, đã có những thông tin tiên nghiệm về các tham số môi trường và tín hiệu nguồn âm trên các ph p đo ở các phần tử anten mạng, để xử lý hình thành v c tơ trọng số, trong hình thành búp sóng về phía hướng đến của nguồn âm mục tiêu. Hệ thống sonar thụ động áp dụng MFP đối với nguồn âm tín hiệu dải h p với đặc trưng tín hiệu đã iết, làm rõ việc áp dụng lý thuyết tia trong vùng nước nông là không phù hợp vì tính đa đường và phức tạp của lan truyền âm; - ghiên cứu hệ thống sonar thụ động áp dụng MFP dải rộng với đặc trưng tín hiệu đã iết, sử dụng anten mạng, dựa vào thực hiện tương quan ch o tín hiệu thu giả định, bằng mô ph ng theo phản ánh sự ph ng đoán môi trường và tín hiệu thu được. Tương tự như vậy còn có phương pháp ựa trên tương quan ch o giữa hàm
8 Green và tín hiệu đo được. Chương 1 cũng đặt ra yêu cầu cơ ản cho việc xác định vùng ự kiến triển khai sonar thụ động làm việc trong biển nước nông, yêu cầu về sự hợp lý, sự cần thiết của giải pháp khả thi, dự kiến những yếu tố phù hợp với các mô hình tính toán và dữ liệu có được để thực hiện. HƯ NG 2 Đ NH GI M I TRƯỜNG TRU ỀN M, NGHI N ỨU THUẬT TO N ĐỊNH VỊ MỤ TI U NGẦM Ủ SON R THỤ ĐỘNG TRONG BIỂN NƯỚ N NG VIỆT N M Trên cơ sở yêu cầu bài toán nghiên cứu được đặt ra ở Chương 1, Chương này trình ày sự cần thiết phải xác định khu vực triển khai hệ thống sonar quan sát trong iển nước nông iệt am, nghiên cứu mô hình truyền âm với các tham số của môi trường truyền âm tại khu vực này. Phần tiếp th o, trình ày sự lựa chọn các chỉ tiêu giải bài toán định vị nguồn âm của sonar thụ động. Dự kiến đưa ra thuật toán MFP với môi trường lan truyền, các đặc trưng của tín hiệu và nhiễu để thực hiện định vị mục tiêu ngầm; trên cơ sở thuật toán đưa ra các mô hình của các trường tín hiệu và nhiễu đối với thuật toán. Sau khi phân tích nguyên lý chung và chọn lựa phương pháp nhằm nâng cao tính hiệu quả cho sonar thụ động, làm việc trong điều kiện iển nước nông iệt am, cho thấy rằng khi triển khai hệ thống sonar thụ động cố định, cần phải tính đến các đặc thù địa lý và thủy văn của vùng quan sát. 2.1. Đánh giá m i trường tru ền âm trong iển nước n ng Việt Nam 2.1.1. Sự cần thi t triển khai hệ thống sonar thụ động trong v ng nước n ng Việt Nam Ở Việt Nam chúng ta, những khu vực biển có độ sâu ưới 200m chiếm phần lớn vùng lãnh hải, đặc quyền kinh tế. Trong những khu vực ấy, đã iễn ra và ngày càng có xu hướng gia tăng các hoạt động ngầm bất hợp pháp cần được kiểm soát. Bài toán quan sát tình hình ngầm trong toàn bộ phạm vi rộng của biển nước nông nước ta là hết sức khó khăn, nhưng một trong các phương án triển vọng, đó là cách bố trí các phương tiện thủy âm được ấn định theo khu vực của vùng quan tâm. 2 2 Đ nh gi m i trường v ng iển nước n ng khu vực ự ki n triển khai hệ thống sonar thụ động 2.1.2.1. Phạm vi vùng biển kh o sát
9 Hình 2.1. Vùng quan sát của sonar tại khu vực biển (theo google map) 2.1.2.2. M y ủa vùng biển kh o sát Qua khảo sát, vùng biển quan sát có bề mặt đáy tương đối bằng phẳng, với độ chênh lệch trung bình về độ sâu, tính từ mặt nước đến bề mặt đáy trong phạm vi khảo sát là khoảng 0,5m/km đến 1,5m/km, ta sẽ x m x t điều kiện của mô hình ống ẫn sóng P k ris đại ương áp ụng với vùng biển này. 2.1.2.3. Mô hình lan truy n âm vùng biển kh o sát Lớp cát theo mô tả chung và kết hợp các số liệu khác, dự đoán lớp cát ưới đáy khu vực biển khảo sát dày khoảng hơn 10m; Lớp tiếp th o là đá và khó có số liệu khảo sát được lớp này dày bao nhiêu. Vận tốc lan truyền âm sẽ thay đổi và có giá trị khác nhau, phụ thuộc vào độ sâu cột nước theo từng lớp nước và mỗi lớp đáy. Coi mật độ tại mỗi lớp kể trên là đồng nhất, tức là mật độ thay đổi không đáng kể. Tổng hợp kết quả đo về vận tốc âm và mật độ, đưa ra mô hình kênh âm đại ương vùng nước nông cụ thể như mô tả ở hình 2.5 có các tham số môi trường cụ thể sau: - ớp nước: Vận tốc âm thay đổi trong cột nước c1= (1522÷1543)m/s, mật độ 1 = 1024kg/m3, độ sâu của lớp nước là 110m; - ớp nước đáy: ận tốc âm c2 = (1572÷1593)m/s, 2 = 1.500kg/m3, độ sâu của lớp nước đáy khoảng 10m; - ớp cát: ận tốc âm c3 = 1800m/s, 3 = 2.000kg/m3, độ sâu lớp cát 12m; - Lớp đáy đá: c4 = 3000m/s, 4 = 2.400kg/m3.
10 ình 2.2. Mô hình kênh âm đại ương vùng iển nước nông khảo sát với các tham số môi trường. 2.2. Phân tích công cụ nghiên cứu và ặc th m i trường iển Việt Nam tại khu vực dự kiến ặt sonar thụ ộng 22 Một số m h nh h a qu tr nh tru n m 1 2 P 2 p  Công thức sóng c 2 t 2 P  pe jt Công thức sóng 2 p  k 2 p  0 Công thức Helmholtz p  F ( x, y, z )e jG ( x, y , z ) p  F ( z )G(r ) p  F ( x, , z )G(r ) Phương pháp tia Phương pháp mo chu n Phương pháp para olic Hình 2.3. Tổng hợp các mô hình truyền âm. 2 2 2 Phương ph p mo chu n Phương pháp mo chu n được nghiên cứu hiện nay có thể giải quyết các vấn đề với nhiều lớp chất l ng và nhớt, đàn hồi ằng k thuật số, nó liên quan đến việc giải quyết phương trình phụ thuộc độ sâu. Các trường âm được xây ựng trên cơ sở cộng các đóng góp của các mode với mỗi trọng số phù hợp với các độ sâu nguồn. Tóm tắt các thuộc tính của mo chu n như sau:
11 - Phương trình có vô số nghiệm giống như chuỗi các mo ; - Các mode được đặc trưng ởi ạng mode  m ( z ) và một hằng số lan truyền ngang krm, mỗi hằng số lan truyền ngang gắn với tần số sóng riêng iệt, mỗi  ( z ) , m krm hoặc là k là những giá trị riêng. Các mo thứ m sẽ có m lần 0 trong khoảng 2 rm thời gian đi hết độ sâu [0, D] và những giá trị riêng tương ứng giá trị krm2 là các giá trị thực và được sắp xếp theo kr21  kr22 ... ghiệm cuối cùng là: i  e ikxmr p(r , z )  4  ( zs ) 8 r  m ( zs ) m ( z) m 1 km (2.23) 2 2 3 Ống ẫn s ng đại ương hai : Mô hình ống ẫn sóng 2 mặt chứa cột nước độ sâu D m t và cả 2 mặt phản xạ hoàn toàn. ủ -tập h p nhi u ng d n sóng 2 m t và có xé ến các lớ y 2 2 4 ng ụng m h nh tru n m khu vực ự ki n đ t hệ thống sonar thụ động Phân tích phạm vi môi trường truyền âm, vị trí tọa độ ự kiến đặt sonar thụ động như sau: - Vị trí ự kiến đặt sonar thụ động tại biển có mô hình như đã được mô tả tại hình 2.2 của mục 2.1.2. Để phục vụ việc tính toán cho thử nghiệm ta sẽ cần phải phân tầng các lớp nước th o các đoạn tuyến tính về thay đổi vận tốc âm, phân chia mặt phẳng quan sát theo các mắt lưới mà trên đó ta tính toán hàm r n. - Quá trình phân tích thử nghiệm môi trường: Môi trường iển mô ph ng là một ống sóng nhiều lớp, mỗi lớp đặc trưng ằng tốc độ âm thanh và mật độ của lớp đó. Tính toán hàm r n đơn giản và nhanh qua toàn ộ không gian của các mắt lưới của địa điểm thử nghiệm được tổng hợp từ giải pháp phụ thuộc vào tần số. 2.3. Thuật toán xử lý trường phối hợp cho hệ thống sonar thụ ộng làm việc trong biển nước nông 23 iới thiệu chung v thuật toán xử lý trường phối hợp cho hệ thống sonar thụ động l m việc trong iển nước n ng Ở chế độ định phương vị nguồn âm, có các chỉ tiêu định vị, ở đây thực hiện định phương vị theo khoảng cách và độ sâu. 2 3 2 Phương ph p ử lý phối hợp M P 2.3.2.1. Nguyên tắc áp dụng chung guồn phát tại một vị trí chưa iết r0 được thu tại N phần tử mạng có hiệu ứng truyền đa đường, sử ụng mô hình tính toán của ống ẫn sóng đại ương.
12 Số phần tử thu ình 2.4 Minh họa xử lý trường phối hợp trong ống ẫn sóng đại ương ị trí r0 có thể suy luận ằng phối hợp tín hiệu thu thực tế với mô ph ng các ản ghi ạng sóng nhận được từ thay đổi vị trí nguồn kiểm tra ( ấu chấm) r qua toàn ộ các điểm lưới. ình 2.5. Mô tả quá trình xử lý phối hợp (MFP) ậ Đầu tiên chúng ta thiết lập một số ký hiệu và sau đó đặt ra các ước của thuật toán r = Gs (2.34) Trong đó G là ma trận chập của hàm r n đối với một nguồn nhận trong môi trường thí nghiệm, s là v c tơ nguồn tín hiệu nguồn rời rạc th o thời gian và r là v c tơ ạng tín hiệu đo tại máy thu. Thông thường có một số tiếng ồn gây nhiễu, chúng ta sẽ mô hình như một v c tơ ngẫu nhiên thêm vào v c tơ đo lường n.
13 r = Gs + n (2.35) Tín hiệu nguồn âm được giả sử là không iết, làm thế nào để xác định được vị trí nguồn âm đó, khi mà không iết về một trong hai hoặc là ạng tín hiệu hoặc là hàm r n. Câu trả lời là đánh giá đồng thời nguồn tín hiệu và kiểm tra mỗi hàm r n. Đây là mô hình hệ thống đánh giá chung: ˆ ˆ n r  Gs (2.36) Ĝ là hàm r n thử nghiệm từ lưới tìm kiếm, và ŝ là đánh giá của tín hiệu nguồn âm, để đơn giản coi n nh và b qua, o vậy chúng ta nhận được phương trình: ˆ +r sˆ = G (2.37) Trong đó Ĝ+ là giả nghịch đảo của Ĝ, đại lượng giả nghịch đảo tạo ra ởi lời giải ình phương nhất. hi có ước lượng tín hiệu nguồn, ta sử ụng nó để tính tín hiệu ản sao, giả sử tại đó là hàm r n đúng. ˆˆ rˆ = Gs (2.38) Để tóm tắt những ước cuối cùng, ta tạo một tín hiệu ản sao, ằng cách tạm thời giả định rằng thử nghiệm với hàm r n là đúng. Sau đó ta đánh giá nguồn tín hiệu sử ụng lời giải đánh giá ình phương nhất (2.39). ết quả đánh giá ình phương nhất của tín hiệu nguồn, sau đó được chập với hàm r n trong (2.34) để cung cấp cho ta tín hiệu ản sao. Các ước cuối cùng là để so sánh tín hiệu ản sao với tín hiệu đo và tính toán hiệu ình phương giữa chúng. e  r  rˆ 2 2 (2.39) Xử lý phương trình (2.37) đến phương trình (2.39) và lặp lại cho thử nghiệm ở mọi vị trí nguồn X. àm định vị được xác định: 2 L  min X e (2.40) ị trí sẽ đạt được định vị với giá trị min khi hàm r n, tương ứng với vị trí đúng của nguồn x là đầu vào của thuật toán. ậ Có hai khả năng khi sử dụng hàm r n cho đầu vào cho thuật toán. oặc nó là hàm r n đúng với mô tả hệ thống hoặc là không. Trường hợp 1 Ĝ = G (hàm r n đúng vị trí nguồn âm). Thay Ĝ = G.
14 Phương trình (2.37) trở thành: ˆ +r = G+r sˆ = G (2.41) Từ phương trình (2.36) thấy rằng r = Gs + n và thay nó vào phương trình (2.41) ˆ +Gs +G+n sˆ = G (2.42) iả sử rằng t số tín trên tạp là đủ lớn làm cho sự đóng góp của thành phần thứ 2 (nhiễu) trong (2.42) có thể qua. Chúng ta có: ˆ +Gs sˆ = G (2.43) Xem xét thực tế về Gˆ G  I . ếu là ma trận hạng đầy đủ, phương trình (2.43) trở thành: sˆ = s (2.44) Cuối cùng chúng ta có v c tơ tín hiệu ản sao: ˆ ˆ = Gs = r rˆ = Gs (2.45) à sự khác nhau giữa tín hiệu ản sao và tín hiệu đo được là: 2 2 e  r  rˆ  0 (2.46) Trường hợp 2 Gˆ  G ( àm r n không đúng với vị trí nguồn âm). Thay thế phương trình (2.34) vào phương trình (2.37) ta được: sˆ = Gˆ +r = G+Gs (2.47) Lại thay (2.47) vào (2.38) ta được vector bản sao: ˆ ˆ = GG rˆ = Gs ˆ ˆ +Gs (248) ˆ ˆ   I đối với ma trận hạng đầy đủ. Tích này là ma trận đồng Tích ma trận GG nhất chỉ khi là đủ hạng trong hệ thống. Tính sự khác nhau giữa tín hiệu đo và tín hiệu ản sao: ˆ ˆ Gs e  r  rˆ  Gs  GG (2.49) Chúng ta đưa phương trình (2.49) về ạng đơn giản hơn: ˆ ˆ  )Gs e  ( I  GG (2.50) Do ||e||2 0 trong trường hợp 2 cho thấy rằng định vị chỉ đạt được cực tiểu khi hàm r n đúng với vị trí nguồn. 2.4. Kết luận chương 2 Chương 2 đã nghiên cứu đánh giá môi trường truyền âm trong vùng iển nước nông, phân tích công cụ nghiên cứu các đặc thù môi trường ở vùng iển nước nông,
15 các phương pháp MFP áp ụng chung để định vị mục tiêu ngầm của sonar thụ động trong vùng iển nước nông. Đã đưa ra những kết quả nghiên cứu về nhiễu đại ương được mô hình hóa nói chung, trên cơ sở đó thống kê được sự có mặt các nhiễu và mức độ ảnh hưởng của chúng trong vùng biển dự kiến triển khai sonar thụ động. Phân tích công cụ, mô hình áp dụng đặc thù, có tính phù hợp cho nghiên cứu của một khu vực biển nước nông cụ thể. Sử dụng bộ dữ liệu các tham số môi trường được đo đạc, đánh giá làm số liệu khảo sát, đây cũng là các tham số thực tế giúp để tiếp cận, làm cơ sở cho việc triển khai ứng dụng sau này. Với công cụ tính toán bằng việc áp dụng lý thuyết mode chu n, là bài toán quan trọng, được xác định dựa trên các nghiên cứu và phân tích phương trình sóng. Đã tổng hợp nguyên tắc chung áp dụng phương pháp MFP, để giải ài toán định vị mục tiêu ngầm. Các kết quả nghiên cứu ở Chương 2 đã được công bố trên bài báo số 3 và số 4. HƯ NG 3 DỰNG M H NH SON R THỤ ĐỘNG, Đ NH GI THUẬT TO N Ử LÝ TRƯỜNG PHỐI HỢP TH H NGHI, ĐỊNH VỊ MỤ TI U TRONG BIỂN N NG VIỆT N M 3.1. â dựng m h nh hệ thống sonar thụ ộng ịnh vị mục tiêu ngầm trong v ng iển nước n ng Việt Nam Khái quát xây ựng mô hình hệ thống sonar thụ động như sau: Các Dạng tín hiệu thu tại Tần số tham số đầu thu Độ sâu (Hydrophone) nguồn môi trường Tính tương quan chéo Ống ẫn sóng, mô hình truyền âm Bộ xử lý tín hiệu trường phối hợp Định vị vị trí nguồn âm ình 3.1. Mô hình sonar thụ động định vị mục tiêu ngầm trong điều kiện iển nước nông iệt am. 3.2. Đánh giá ngu n phát ạ t các loại mục tiêu ngầm Từ những đặc điểm của nguồn phát xạ từ các loại tàu ngầm, luận án lựa chọn tập trung vào dải tần số nguồn hạ âm dải rộng từ 10 z đến 500 z để mô ph ng cho tiếng ồn của tàu ngầm gây ra.
16 3.3. Thuật toán ử lý trường phối hợp dải rộng BB - MFP ịnh vị mục tiêu ngầm tại v ng iển nước n ng Việt Nam 33 Đ tv nđ Định vị sử dụng đơn hy rophon sử dụng MFP khi thực hiện ph p đo chỉ từ 1 hy rophon . Mỗi chuỗi th o thời gian của áp suất tại hy rophon được so sánh với chuỗi th o thời gian được tính toán trên cơ sở sử ụng mô hình truyền âm học đại ương cho các vị trí nguồn âm khác nhau. Thuật toán cho ph p có thể định vị được nguồn âm trong trường hợp sử dụng một hy rophon không yêu cầu ạng tham số của nguồn âm, là giải pháp định vị nguồn âm dải rộng ở môi trường nước nông mà luận án nghiên cứu. 332 huật to n -MFP Thuật toán BB-MFP định vị nguồn mục tiêu sử dụng 1 hydrophone dựa vào nguyên tắc chia không gian cần quan sát thành các mắt lưới theo khoảng cách và độ sâu. Tính trường thay thế tại điểm thu khi giả thiết nguồn phát ở từng vị trí lưới từ dữ liệu đo được tại hydrophone. Xuất phát từ công thức viết ưới dạng ngắn gọn: r = Gs + n (3.3) Để tính ma trận tích chập G, phải tính giá trị hàm Green theo thời gian bằng giải 1 2 p phương trình sóng: 2 p  (3.4) c 2 t 2 ình 3.2. Quá trình của thuật toán MFP với mô hình sonar sử ụng 1 hy rophon
17 àm r n có thể tính trực tiếp th o phương trình (3.4) hoặc tính hàm r n th o tần số sau đó iến đổi ngược FFT để nhận được hàm r n th o thời gian. àm r n phụ thuộc tần số như sau: i i   eikmr g (r , z , f )  e   m ( zs ) m ( z) 4 (3.5)  ( zs ) 8 r m1 km Chương trình tính sẽ giải quyết các nội dung này. Trong thuật toán BB-MFP hàm r n được đánh giá trong toàn ộ ải tần có thể của nguồn âm ải rộng, ự áo đầy đủ đặc tính nguồn âm ải rộng vào trường thay thế. hờ đặc tính này của thuật toán nên đã cải thiện đáng kể về chất lượng định vị nguồn âm trong thực tế và mạng sử ụng chỉ 1 hoặc 2 hy rophon . 3 3 3 M ph ng v th o luận 3.3.3.1. C Sử ụng lưu đồ thuật toán định vị nguồn âm th o phương pháp MFP thông thường để so sánh với phương pháp định vị nguồn âm ải rộng (BB-MFP) thông qua kết quả mô ph ng. Bắt đầu Giá trị thu Nhập các tham số vận tốc âm được ở đầu Tần số nguồn âm và các tham số môi trường thu Hydrophone Tính hàm Green Gˆ Ước lượng giá trị nguồn âm sˆ Tính giá trị trường thay thế rˆ 2 Tính e tại mắt lưới thứ k k≤ k=k+1 2 Xác định min e trên toàn bộ các mắt lưới Kết thúc Hình 3.3. ưu đồ thuật toán định vị nguồn âm theo phương pháp MFP thông thường.
18 Môi trường vùng iển nước nông được chỉ ra trên ản đồ, các tham số đã đưa ra ở mô hình kênh âm hình 2.5 của chương 2 và ta khảo sát mô ph ng với: Các nguồn âm dải rộng (50÷100)Hz, (50÷250)Hz; (50÷450)Hz và (50÷500)Hz; Độ sâu nguồn âm 59m, khoảng cách 2000m; Độ sâu hydrophone thu: 50m. Bắt đầu Giá trị thu Nhập các tham số vận tốc âm, được ở đầu tần số nguồn âm và các tham số môi trường thu Hydrophone Tính hàm Green theo fi : Gˆ ( fi ) ˆ f ) Tính  G( i Ước lượng giá trị nguồn âm sˆ Tính giá trị trường thay thế rˆ 2 Tính e tại mắt lưới thứ k k≤ k=k+1 2 Xác định min e trên toàn bộ các mắt lưới Kết thúc Hình 3.4. ưu đồ thuật toán định vị nguồn âm th o phương pháp BB-MFP. ự ế : Bước 1: Chia không gian quan sát thành ma trận các điểm th o khoảng cách và độ sâu: hoảng cách 1000  3000m, giãn cách điểm 10m; độ sâu 10m  110m, giãn cách điểm 2m; Bước 2: Tính giá trị hàm r n th o tần số tại vị trí tương đối giữa các mắt lưới với nguồn thu. Sau đó thực hiện iến đổi ngược IFFT sẽ tính được hàm r n th o thời gian. Từ đó tính ma trận tích chập Gˆ của hàm r n; Bước 3: Ước lượng giá trị nguồn âm sˆ ; Bước 4: Tính giá trị trường thay thế rˆ tại điểm thu tương ứng với mỗi vị trí của nguồn phát ở mỗi mắt lưới;