O O O Q P N
V N O V N N QU N S
------------------------------
LÊ M N N
N ÊN ỨU Ả P ÁP ĐẢM BẢO Ả NĂN
L M V ỔN ĐỊN Ủ ÊN L ÊN LẠ T ỦY M
n n nh : Vật lý vô t ến v Điện tử
M
: 62 44 01 05
T M T T LU N ÁN T N S V T LÝ
H Nội - 2015
Công trình được hoàn thành tại:
Viện oa ọc v ôn n ệ q ân ự/Bộ Q c p òn
Người hướng dẫn khoa học:
1. TS Chu Xuân Quang
TS N n D L ến
Phản biện 1: S TS N n Ái Việt
iện àn lâm Khoa học và ông nghệ iệt Nam
Phản biện 2: P S TS Vũ n P i
ại học Quốc gia à Nội
Phản biện 3: P S TS N n o n
ọc viện Kỹ thuật quân sự
Luận án được bảo vệ trước ội đồng chấm luận án cấp iện K -CN
quân sự họp tại iện Khoa học và ông nghệ quân sự
ào hồi ........ giờ .......... ngày ........... tháng 7 năm 2015
Có thể tìm hiểu luận án tại: - T ư viện Viện oa ọc v ôn n ệ q ân ự; - T ư viện Q c ia Việt Nam.
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của việc nghiên cứu đề tài luận án.
Trong những năm gần đây, nền khoa học và công nghệ thế giới đã có nhiều bước phát triển vượt bậc. Trên mặt đất và trên không, hạ tầng thông tin liên lạc đã có những bước phát triển. Tuy nhiên dưới nước, vấn đề thông tin liên lạc vẫn còn khá mới mẻ và là thế mạnh của một số ít quốc gia phát triển.
Trong lĩnh vực dân sự, do không cần tính chất bí mật, bất ngờ nên có thể lựa chọn kênh liên lạc, thời điểm và điều kiện truyền sóng tối ưu. Tuy nhiên trong điều kiện tác chiến quân sự, không phải lúc nào kênh liên lạc cũng đặt trong điều kiện truyền sóng thuận lợi nên độ bất định tiên nghiệm tín hiệu rất lớn và do đó việc sử dụng máy liên lạc thủy âm thông thường (hệ đơn anten) là khó khả thi. Vấn đề đặt ra đối với các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực thu-phát truyền tin cần phải có những nghiên cứu để ứng dụng mạng anten thủy âm cho các trang bị quân sự để có thể hoạt động được trong những điều kiện phức tạp mà vẫn đảm được hoàn thành nhiệm vụ
Theo lý thuyết thủy âm, phân bố vùng sáng-tối âm trong trường thủy âm phụ thuộc vào mặt cắt không gian bao quanh máy thu [41]. Tồn tại nhiều vùng trong không gian là vùng sáng âm đối với mặt cắt này nhưng lại là vùng tối âm đối với mặt cắt khác, gọi là những vùng mờ [78]. Việc tăng cường khả năng làm việc của máy liên lạc ở vùng này hiện ít được quan tâm nghiên cứu cả trong và ngoài nước. Vì vậy việc nghiên cứu giải pháp tăng cường khả năng thu nhận tín hiệu máy liên lạc thủy âm tại các vùng tối âm và vùng mờ âm có giá trị khoa học cao và ứng dụng to lớn cho các máy liên lạc thủy âm quân sự, góp phần tăng cường khả năng ổn định kênh liên lạc thủy âm trong các điều kiện môi trường phức tạp khác nhau, đảm bảo cho thông tin dưới nước được thông suốt.
2. Mục tiêu của luận án. Nghiên cứu, xây dựng và giải quyết bài toán đảm bảo khả năng làm việc ổn định của kênh liên lạc thủy âm trên cơ sở lý thuyết tia và các kỹ thuật về anten mạng pha.
3. Nội dung nghiên cứu của luận án. Luận án gồm 3 chương: - Chương 1: Tổng quan về lý thuyết thủy âm biển và bài toán mất ổn định của kênh liên lạc thủy âm.
2
Trình bày các vấn đề tổng quan về thủy âm biển, các thành tựu mới nhất trong lĩnh vực thông tin thủy âm và vấn đề mất ổn định của kênh liên lạc thủy âm khi điều kiện truyền sóng thay đổi.
- Chương 2: Giải pháp tăng cường cự ly kênh liên lạc thủy âm sử dụng
anten mạng pha.
Chương này đưa ra tính toán lý thuyết các dạng trường âm thường gặp và nhận định tham số góc thoát, góc tới tia âm là yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến cự ly liên lạc. Từ đó đề xuất giải pháp thay đổi góc thoát, góc tới tia âm bằng cách sử dụng anten thủy âm mạng pha; đồng thời cũng trình bày thực nghiệm xây dựng mô hình mạng anten thủy âm gốm áp điện 8 phần tử điều chỉnh được.
- Chương 3: Hiệu quả tăng cường tỷ số tín hiệu/tạp âm của kênh liên lạc
thủy âm sử dụng anten mạng pha.
Chương này đề xuất một mô hình kênh liên lạc thủy âm cố định từ điểm đến điểm giữa hai thiết bị liên lạc thủy âm dựa theo tính toán lý thuyết. Các điều kiện truyền âm và giới hạn biên được tính toán trên cơ sở bộ dữ liệu về trường âm khu vực biển Quy Nhơn năm 2002 của trạm thủy hải văn thành phố Quy Nhơn, từ đó tham chiếu thành mô hình tương đương trong môi trường MATLAB để tính toán tỷ số S/N ở đầu ra máy thu trong hai trường hợp dùng anten vô hướng và dùng anten mạng pha 8 phần tử.
Phương pháp: - Phân tích lý thuyết: từ lý thuyết thuỷ âm xây dựng cơ sở khoa học cho giải pháp đảm bảo khả năng làm việc ổn định thông qua tăng cường các tham số cự ly và tỷ số S/N của kênh liên lạc thủy âm.
- Mô phỏng và khảo sát: đánh giá tác động của các tham số ảnh hưởng tới
khả năng làm việc ổn định của kênh liên lạc thủy âm.
- Tính toán mô phỏng để đánh giá hiệu quả giải pháp đối với một tuyến
kênh liên lạc thủy âm cơ bản.
Kết cấu luận án: Luận án được trình bày trong 135 trang khổ A4 bao gồm mở đầu, 3 chương, kết luận, danh mục các bài báo đã công bố và tài liệu tham khảo.
3
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT THỦY ÂM BIỂN VÀ BÀI TOÁN MẤT ỔN ĐỊNH CỦA KÊNH LIÊN LẠC THỦY ÂM
1.1. Lý thuyết thủy âm biển. 1.1.1. Các đặc trưng dẫn âm của môi trường biển.
Truyền âm trong môi trường đồng nhất không có hấp thụ được mô tả bằng
phương trình truyền âm [41]:
. (1.1)
Trong đó: p - áp suất âm(Pa); c - vận tốc âm (m/s).
Khi nghiên cứu về mối quan hệ giữa vận tốc âm và một số tham số của
nước biển, người ta thường sử dụng công thức thực nghiệm đơn giản [78]:
(1.2)
- độ sâu
Trong đó: T - Nhiệt độ nước biển (0C); S - Độ mặn nước biển (‰); khảo sát (m).
Hệ số suy giảm có thể được tính bằng công thức Marsh và M. Schulkin
1.1.2. Đặc tính suy giảm âm trong biển. [29]:
, (1.3)
Trong đó: - hệ số suy giảm (dB/km); - tần - độ mặn của nước biển (‰);
số tín hiệu thủy âm (kHz); - áp suất tĩnh của nước biển (atm); - hàm nhiệt
độ ; T - nhiệt độ nước biển (0C).
1.1.3. Các phương pháp đánh giá mô hình truyền âm trong biển.
- Phương pháp âm học sóng: Cơ sở của phương pháp là giải phương trình
sóng (1.1) với các điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho trước [41], [42]. - Phương pháp sử dụng lý thuyết tia: Lý thuyết tia là giải pháp tiệm cận của
lý thuyết sóng và có kết quả chính xác khi ( ), nghĩa là tần số càng
cao sẽ cho kết quả càng chính xác [78].
4
1.2. Các yếu tố tác động đến kênh liên lạc thủy âm. 1.2.1. Các yếu tố tác động đến kênh liên lạc thủy âm.
- Không gian truyền: Khi truyền âm trong vùng biển sâu luôn tồn tại các vùng sáng âm và vùng tối âm. Khi vận tốc âm thay đổi thì vị trí các vùng tối âm và vùng sáng âm cũng thay đổi, gây ra hiện tượng mất ổn định trong truyền âm biển và đến nay vẫn chưa có giải pháp nào khắc phục cơ bản hiện tượng trên.
- Các yếu tố khác như nhiễu nội của thiết bị thu tín hiệu thuỷ âm, tạp âm
biển, nhiễu vang, hiện tượng xâm thực bọt khí, hiệu ứng Doppler....
1.2.2. Phân chia dải tần-khoảng cách trong liên lạc thủy âm.
Bảng 1.1. Băng tần tín hiệu liên lạc thủy âm phân chia theo khoảng cách.
Khoảng cách liên lạc Rất xa Xa Vừa Ngắn Rất ngắn Cự ly (Km) 1000 10-100 1-10 0,1-1 <0,1 Dải tần (kHz) <1 2-5 ≈ 10 20-50 >100
1.3. Tình hình nghiên cứu tăng cƣờng khả năng ổn định kênh liên lạc thủy âm trên thế giới và trong nƣớc. 1.3.1. Giải pháp sử dụng máy thu đa kênh.
Đặc trưng của hệ thống thủy âm đa kênh là sử dụng nhiều kênh thu phát tín hiệu đồng thời. Các phần tử anten là các phần tử định hướng. Nghiên cứu [17] sử dụng kỹ thuật IMED cho một máy thu 20 kênh, làm việc với tín hiệu điều chế QPSK tốc độ 46,7 kbps tại tần số sóng mang 100 kHz trong kênh nước nông. Kết quả đã cho khoảng cách truyền tối đa đo đạc được là 530 m với đường cong tỷ số lỗi bít (Bit-Error-Rate: BER) như minh họa trong hình 1.1.
Hình 1.1. Đường cong BER ước lượng cho máy thu 20 kênh sử dụng kỹ thuật IMED.
5
1.3.2. Giải pháp sử dụng tín hiệu điều chế.
- Sử dụng tín hiệu điều chế không tương can NCM (Non-Coherent
Modulation).
- Sử dụng giải điều chế tương can pha PCD (Phase-Coherent Detection).
1.3.3. Giải pháp truyền đa kênh kết hợp với xử lý tín hiệu phức tạp. Đây là giải pháp kết hợp ưu điểm của giải pháp sử dụng máy thu đa kênh và giải pháp sử dụng tín hiệu điều chế.Các nghiên cứu [24], [28] theo giải pháp này tại tần số mang 880 Hz, cho cự ly liên lạc theo tính toán tới 100 km. Kết quả tính toán được tách riêng cho trường hợp vận tốc âm có gradient không đổi (Invariable Sound Velocity Gradients: ISVG) và trường hợp vận tốc âm có gradient âm (Negative Sound Velocity Gradients: NSVG). Đường cong BER cho hai trường hợp này như minh họa trong hình 1.2.
a) b)
Hình 1.2. Đường cong BER cho kênh liên lạc thủy âm ISVG (a) và NSVG (b).
1.3.4. Giải pháp kết hợp pha
Giải pháp kết hợp pha PC(Phase – Conjugation) sử dụng mạng các máy phát và mạng các máy thu cho kênh truyền tín hiệu thủy âm. Máy phát sử dụng giải pháp pha chủ động APC (Active Phase – Conjugation), còn máy thu sử dụng giải pháp pha thụ động PPC (Passive Phase – Conjugation).
Giải pháp PPC khi kết hợp với phương pháp thu tín hiệu đảo dạng TRM có
thể cho khoảng cách liên lạc rất xa, có thể đến 900 km[59].
1.4. Sự thay đổi vận tốc âm và tính bất ổn định của tín hiệu thủy âm. 1.4.1. Trường hợp kênh liên lạc được đặt trong sơ đồ truyền ống dẫn sóng.
6
Mô tả đường vận tốc âm đã tuyến tính hóa như trong hình 1.3a, biên giới
hạn kênh thủy âm như trong hình 1.3b.
0
0
r r2 r1 c0 c1 x c
Vùng tối âm
Vùng sáng âm
α1 z0 z0 α2
z
Hình 1.3. Kênh liên lạc đặt trong sơ đồ truyền ống dẫn sóng.
Đường cong vận tốc âm tuyến tính hóa và giới hạn kênh liên lạc thủy âm
0
0
1.4.2. Trường hợp kênh liên lạc được đặt trong sơ đồ truyền phản ống dẫn sóng. như minh họa trong hình 1.4. r r1 r2 x c c0 c1
Vùng tối âm
Vùng sáng âm
α1 z0 z0 α2
z
Hình 1.4. Kênh liên lạc đặt trong sơ đồ truyền phản ống dẫn sóng.
1.4.3. Tính mất ổn định của tín hiệu thủy âm khi đường cong vận tốc âm thay đổi .
Biểu diễn cả hai sơ đồ hình 1.3 và 1.4 trên cùng trục tọa độ, ta được minh họa của kênh liên lạc thủy âm trong trường hợp có sự thay đổi sơ đồ truyền âm như trong hình 1.5.
Từ hình 1.5 ta thấy có 4 vùng có thể có hoặc không có tín hiệu âm tương ứng với từng sơ đồ truyền âm: Vùng A (phần chấm): luôn có tín hiệu âm; Vùng B (phần gạch chéo đứt nét): Chỉ có tín hiệu âm với sơ đồ truyền ống dẫn sóng; Vùng C (phần lưới vuông): Không có tín hiệu âm; Vùng D (phần caro): Chỉ có tín hiệu âm với sơ đồ truyền phản ống dẫn sóng; Như vậy vùng B và C có thể có
7
6,88
3,8
8,74
2,13
0,57 0,73
0
0,2
x(km)
A
B
C
D
1,5
z (km) tín hiệu hoặc không tùy thuộc vào sơ đồ truyền nên được gọi là vùng xám. Và do đó, cự ly của kênh liên lạc thủy âm có thể đạt tối đa đến hơn 8,74 km nhưng cũng có thể chỉ đạt tối đa 2,13 km.
Hình 1.5. Kênh liên lạc thủy âm trong trường hợp có sự thay đổi sơ đồ truyền âm.
CHƢƠNG 2 GIẢI PHÁP TĂNG CƢỜNG CỰ LY KÊNH LIÊN LẠC THỦY ÂM SỬ DỤNG ANTEN MẠNG PHA
0
0
2.1. Mối quan hệ giữa cự ly liên lạc và góc thoát tia âm trong kênh âm sâu. 2.1.1. Quỹ đạo tia âm.
Hình 2.1. Quỹ đạo tia âm khi gradient vận tốc âm không đổi.
Giả sử có một nguồn phát âm đặt tại độ sâu , có quỹ đạo tia âm và
đường cong vận tốc âm tương ứng như trong hình 2.1.Khi đó khoảng cách tia âm được tính:
. (2.1)
8
Luận án đã dựng được đường cong vận tốc âm đã tuyến tính hóa cho 3 sơ
c) b) a) 2.1.2. Khảo sát khoảng cách truyền âm theo góc thoát tia âm. đồ truyền âm thường gặp như trong hình 2.2.
Hình 2.2. Đường cong vận tốc âm tuyến tính hóa với các sơ đồ truyền âm khác nhau:Truyền âm bề mặt (a); Truyền âm ống dẫn sóng (b); Truyền âm phản ống dẫn sóng(c)
2.1.3. Kết quả khảo sát. a) Sơ đồ truyền âm bề mặt (hình 2.3) b) Sơ đồ truyền âm ống dẫn sóng - Trường hợp điểm phát và điểm thu nằm phía trên trục kênh âm (hình 2.4); - Trường hợp điểm phát và điểm thu nằm phía dưới trục kênh âm(hình 2.5); c) Sơ đồ truyền âm phản ống dẫn sóng(hình 2.6):
Hình 2.3. Cự ly liên lạc phụ thuộc góc thoát của tia âm trong sơ đồ truyền âm bề mặt:
Hình 2.4. Cự ly liên lạc phụ thuộc góc thoát của tia âm trong sơ đồ truyền âm ống dẫn sóng khi điểm phát và điểm thu nằm trên trục kênh âm.
9
Hình 2.6. Cự ly liên lạc phụ thuộc góc
thoát của tia âm trong sơ đồ truyền âm phản ống dẫn sóng.
Hình 2.5. Cự ly liên lạc phụ thuộc góc thoát của tia âm trong sơ đồ truyền âm ống dẫn sóng khi điểm phát và điểm thu nằm dưới trục kênh âm.
Xét theo tính định hướng, tham số đặc trưng anten là giản đồ hướng không
2.2. Mạng anten thủy âm và phƣơng pháp điều khiển giản đồ hƣớng không gian. 2.2.1. Anten thủy âm và đặc trưng hướng trong không gian. gian, được biểu diễn bằng công thức:
, (2.2)
Trong đó: - góc tà và góc phương vị trong không gian biểu diễn giản đồ
hướng; - giản đồ hướng chuẩn hoá; - giá trị đo được tại hướng
có tọa độ ;
2.2.2. Mạng anten thủy âm và khả năng điều chỉnh đặc trưng hướng không gian bằng phương pháp điều chỉnh pha các phần tử.
z
……….
x
1 i 2 3 n
Hình 2.7. Cấu trúc của một mạng anten thủy âm tuyến tính phẳng điều khiển giản đồ hướng theo nguyên tắc điều chỉnh pha các phần tử
10
Cấu trúc của một mạng anten thủy âm tuyến tính phẳng điều khiển giản đồ hướng theo nguyên tắc điều chỉnh pha từng phần tử như minh họa trong hình 2.7.
2.3. Điều khiển góc thoát tia âm khỏi nguồn phát và góc tới tia âm tại điểm thu thông qua điều khiển giản đồ hƣớng không gian anten thủy âm. 2.3.1. Quan hệ giữa góc thoát tia âm (hoặc góc tới máy thu thủy âm) và góc cực đại chính trong giản đồ hướng không gian của mạng anten thủy âm.
Khi và = 0, vị trí cực đại chính sẽ là:
(2.3)
Góc thoát và góc tới tia âm trong các kết quả khảo sát ở mục 2.2 sẽ đổi
thành giá trị khi sử dụng tính toán trong mạng anten:
(2.4)
2.3.2. Khảo sát khả năng điều khiển góc thoát, góc tới tia âm thông qua điều khiển pha đặt vào từng phần tử mạng anten thủy âm. a. Khảo sát sự phụ thuộc của giản đồ hướng không gian mạng anten thủy âm vào số phần tử anten.
c)
b)
a) Hình 2.8. Đặc trưng hướng không gian của mạng anten thủy âm
Luận án đã tiến hành khảo sát mạng anten thủy âm theo số phần tử anten để tìm hiểu ảnh hưởng của chúng tới giản đồ hướng không gian của mạng ở một số điều kiện nhất định như hình 2.8.
với số phần tử khác nhau: a) ; b) ; c) .
b. Khảo sát khả năng điều khiển giản đồ hướng không gian mạng anten thủy âm 8 phần tử.
11
Luận án đã lựa chọn mạng anten thủy âm 8 phần tử làm đối tượng khảo sát và việc khảo sát chỉ thực hiện trong mặt phẳng tà hoặc hoặc phương vị. Một vài
kết quả với như trong hình 2.9
Hình 2.9. Đặc trưng hướng không gian của mạng anten thủy âm 8 phần tử khi vị trí góc cực đại 1 thay đổi.
2.4. Tín hiệu truyền trên kênh liên lạc thủy âm. 2.4.1. Tín hiệu băng gốc.
- Tín hiệu thoại. - Tín hiệu điều chế số.
2.4.2. Tín hiệu băng thông. Tín hiệu băng gốc cần phải được điều chế với sóng mang có tần số phù hợp với anten thủy âm để truyền ra môi trường. Dạng tín hiệu này được gọi là tín hiệu băng thông (Bandpass Signals: BP).
Tín hiệu tương đương băng gốc là tín hiệu thu được sau quá trình giải điều
2.4.3. Tín hiệu tương đương băng gốc. chế sóng mang tại máy thu trong kênh liên lạc thủy âm.
2.4.4. Băng tần tín hiệu trong kênh liên lạc thủy âm. Quá trình truyền tín hiệu từ nơi phát đến nơi thu sử dụng kênh liên lạc thủy âm làm thay đổi băng tần tín hiệu. Hình 2.10 mô tả quá trình chuyển đổi tần số của tín hiệu băng gốc trong quá trình liên lạc.
Bit đích
Lọc dải thông x(f)
Lọc dải thông x(f)
|x(f)|
Giải điều chế |x(f)|
|S*(f)|
|S(f)|
Điều chế sóng mang
Anten thủy âm thu
Anten thủy âm phát
f
f
-fc
fc
f
f
f
-fc
x(f)
fc
f
fc
Tín hiệu băng thông
fc Tín hiệu băng thông
fc Tín hiệu băng thông
12
Máy phát
f -fS fS Tín hiệu tương đương băng gốc
Kênh truyền
Tín hiệu băng thông Máy thu
Bit nguồn -fS fS Tín hiệu băng gốc
Hình 2.10. Minh họa biến đổi băng tần tín hiệu trong kênh liên lạc thủy âm.
2.4.5. Yêu cầu đối với dải thông anten thủy âm.
Giả sử tần số tối đa tín hiệu băng gốc cần truyền là thì khi có điều chế
sóng mang, tần số tối đa tín hiệu băng thông có thể được điều chế theo định lý Nyquist-Shannon[31]:
(2.5)
Dây đo
b)
anten thủy âm gốm áp điện
2.5. Thực nghiệm thiết kế chế tạo mạng anten thủy âm 8 phần tử điều khiển giản đồ hƣớng theo pha. 2.5.1. Thiết kế mạng anten thủy âm gốm áp điện 8 phần tử. a. Phần tử anten thủy âm. a)
Hình 2.11. Hình dạng và đáp ứng tần số hai mẫu anten gốm áp điện: loại TCA-35 (a) và loại P3 (b).
13
Tại Việt Nam hiện nay có hai loại anten thủy âm gốm áp điện là loại do Z181/Tổng cục CNQP sản xuất và loại nhập ngoại sử dụng cho các mục đích khác nhau như anten máy điện thoại dưới nước, anten SONAR.... Luận án đã chọn mẫu anten thủy âm gốm áp điện loại miếng vuông P3 làm phần tử để xây dựng mạng anten thủy âm. Đặc trưng hướng của phần tử anten gốm áp điện tại
U(V)
U(V)
b)
tần số như sau:
a)
Hình 2.12. Giản đồ hướng phần tử anten gốm áp điện: a) Biểu diễn trong mặt phẳng tà; b) Biểu diễn trong mặt phẳng phương vị
b. Mạng anten thủy âm gốm áp điện 8 phần tử.
Luận án đã thiết kế được một mô hình mạng anten thủy âm 8 phần tử. như
Các phần tử transducer
minh họa trong hình 2.13.
Hình 2.13. Mô hình mạng anten thủy âm gốm áp điện 8 phần tử.
2.5.2. Thiết kế bộ điều khiển pha cho anten thủy âm gốm áp điện 8 phần tử.
- Mạch điều khiển pha ở chế độ phát: Sơ đồ chức năng mạch điều khiển pha ở chế độ phát được minh họa trong
hình 2.14.
14
Khối khuếch đại công suất
Mạng anten thủy âm
Khối điều khiển pha tín hiệu phát
Dịch pha số
DAC 1
KĐCS 1
Phần tử 1
Lệnh điều khiển
Dịch pha số
DAC 2
KĐCS 2
Phần tử 2
Điều khiển pha
Tín hiệu đồng bộ
Dịch pha số
DAC 8
KĐCS 8
Phần tử 8
Tín hiệu phát (số)
Hình 2.14. Sơ đồ khối chức năng mạch điều khiển dịch pha dùng cho chế độ phát.
- Mạch điều khiển pha ở chế độ thu: Sơ đồ chức năng mạch điều khiển pha ở chế độ thu như minh họa trong
hình 2.15.
Khối khuếch đại thuật toán và AD
Mạng anten thủy âm
Khối điều khiển pha tín hiệu thu
Dịch pha số
Lệnh điều khiển
ADC 1
KĐTT 1
Phần tử 1
Dịch pha số
ADC 2
KĐTT 2
Phần tử 2
Tín hiệu đồng bộ
Dịch pha số
ADC 8
KĐTT 8
Phần tử 8
Tín hiệu thu (số)
Hình 2.15. Sơ đồ khối chức năng mạch điều khiển dịch pha dùng cho chế độ thu.
Điều khiển pha Tổng hợp tín hiệu
Bắt đầu
Nhận lệnh truy cập mảng ROM theo địa chỉ Add; i=1
Cho phép dữ liệu vào/ra bộ đệm kênh i
Dịch pha số dữ liệu tại bộ đệm kênh i theo giá trị tại Add i=i+1
Sai
i=8
Đúng
Đẩy dữ liệu ra mạng anten phát (hoặc vào bộ tổng hợp tín hiệu thu)
Sai
Dừng chương trình ?
Đúng
Kết thúc
15
Bộ điều khiển dịch pha và dịch pha số cho cả hai chế độ thu và phát được tích hợp chung trên một bo mạch FPGA. Lưu đồ thuật toán hình 2.16 thực hiện chức năng dịch pha tín hiệu ra theo địa chỉ đặt sẵn trong ROM với số lượng đầu ra là 8 và bước dịch pha là 100 trong khoảng (0-π).
Hình 2.16. Lưu đồ thuật toán mạch điều khiển dịch pha mạng anten thủy âm.
2.5.3. Khảo sát giản đồ hướng không gian mô hình anten thủy âm mạng pha. a. Khảo sát với tín hiệu điều hòa. Kết quả đo đạc giản đồ hướng mô hình mạng anten thủy âm gốm áp điện 8 phần tử đã chế tạo khi độ lệch pha đặt vào các phần tử lần lượt là 00 và 300 như trong hình 2.17 và 2.18.
U(V)
U(V)
b)
a)
16
Hình 2.17. Giản đồ hướng mạng anten thủy âm gốm áp điện 8 phần tử trong trường hợp tín hiệu đặt vào các phần tử đồng pha:
a) Giản đồ hướng trong mặt phẳng tà (đo tại hướng 00 trong mặt phẳng
phương vị);
U(V)
U(V)
b)
a)
b) Giản đồ hướng trong mặt phẳng phương vị.
Hình 2.18. Giản đồ hướng mạng anten thủy âm gốm áp điện 8 phần tử trong trường hợp tín hiệu đặt vào các phần tử dịch pha 300:
a) Giản đồ hướng trong mặt phẳng tà (đo tại hướng 00 trong mặt phẳng
phương vị);
b) Giản đồ hướng trong mặt phẳng phương vị.
Từ các kết quả thu được, biểu diễn tỷ số SNR tại anten thủy âm thu trên
b. Khảo sát với tín hiệu điều chế QPSK. mặt phẳng phương vị, ta được các kết quả như trong hình 2.19.
SNR(dB)
17
SNR(dB)
b)
a)
Hình 2.19. Biểu diễn tỷ số SNR của kênh thủy âm trên mặt phẳng phương vị. a) Trường hợp góc lệch pha 00 b) Trường hợp góc lệch pha 300 CHƢƠNG 3 HIỆU QUẢ TĂNG CƢỜNG TỶ SỐ TÍN HIỆU/TẠP ÂM CỦA KÊNH LIÊN LẠC THỦY ÂM SỬ DỤNG ANTEN MẠNG PHA
Mô hình kênh liên lạc thủy âm đã minh họa trong hình 3.1 r
x0 x1 x 0
Máy phát
z0 A α1
Máy thu
B 3.1. Kênh liên lạc thủy âm. 3.1.1. Mô hình không gian kênh liên lạc thủy âm. z1 α2
h
Hình 3.1. Mô hình không gian kênh liên lạc thủy âm.
18
Để phục vụ tính toán, trong phần này luận án sử dụng máy phát điều chế
Chuỗi bit nhị phân
Lọc dải thông
Mã hóa xung QPSK
Bộ lọc cosin nâng
Điều chế sóng mang
Mạng transducer gốm áp điện
Điều chế QPSK
3.1.2. Sơ đồ khối chức năng máy phát. tín hiệu QPSK có sơ đồ chức năng [2], [7] như trong hình 3.2.
Hình 3.2. Sơ đồ chức năng máy phát tín hiệu QPSK
Lọc dải thông
Chuỗi bit nhị phân
Lấy mẫu tín hiệu và lọc kết hợp
Tách sóng mang
Giải mã tín hiệu QPSK
Mạng transducer gốm áp điện
Sơ đồ chức năng máy thu được minh họa trong hình 3.3.
3.1.3. Sơ đồ khối chức năng máy thu.
Hình 3.3. Sơ đồ chức năng máy thu
3.1.4. Mạng transducer gốm áp điện. a. Phương pháp điều khiển tối ưu mạng transducer gốm áp điện.
Việc điều khiển mạng transducer thông qua khối điều khiển giản đồ hướng
transducer. Phương pháp tính toán được thực hiện theo công thức:
(3.1)
Trong đó: - góc thoát tối ưu tại transducer phát; - góc tới tối ưu tại
- Thuật toán điều khiển phía máy chủ động (hình 3.4); - Thuật toán điều khiển phía máy bị động (hình 3.5):
transducer thu ; b. Thuật toán điều khiển máy liên lạc thủy âm có giản đồ hướng mạng transducer điều khiển được
Bắt đầu
i=1
Bắt đầu
Thu chuỗi xung kiểm tra đưa về từ kênh i
Điều khiển góc cực đại giản đồ hướng mạng transducer theo góc 00
Ghi chuỗi xung i=i+1
Phát chuỗi xung kiểm tra
Trễ thời gian
Sai
Không
i=8
Đúng
Thu chuỗi xung phản hồi có
19
Ước lượng vận tốc c(z0)
Ước lượng vận tốc c(z1)
Tính giá trị pha cần điều chỉnh từ tín hiệu ,… đưa đến từ các transducer
Tổng hợp, xác định tín hiệu chuẩn
Thu giá trị
Tính giá trị
,
từ công thức (3.4)
Phát giá trị
từ tập giá trị , ,…
Điều khiển góc cực đại giản đồ hướng mạng
transducer theo góc
Cho phép máy thu phát bị động làm việc
Cho phép máy thu phát chủ động làm việc
về máy chủ động
Kết thúc
Kết thúc
Tính
Hình 3.4. Lưu đồ thuật toán điều khiển thu phát phía máy chủ động. Hình 3.5. Lưu đồ thuật toán điều khiển thu phát phía máy bị động.
3.1.5. Mô hình kênh truyền.
Mô hình kênh truyền được xây dựng như trong hình 3.6.
Nhiễu biển và tạp âm máy thu
Khối pha đinh mô tả nhiễu vang (8 tia)
β
h1(t)
Tín hiệu phát
β
h2(t)
Tín hiệu thu
β
h8(t)
20
Hình 3.6. Mô hình kênh truyền.
Sử dụng các thông số trong Phụ lục 2, luận án đã vẽ được đường cong vận
3.2. Các tham số kênh truyền. 3.2.1. Đường cong vận tốc âm. tốc âm tham khảo cho khu vực biển Quy Nhơn.
3.2.2. Quan hệ giữa góc thoát tia âm và cự ly liên lạc cho trường âm đặc trưng trong khu vực biển Quy Nhơn .
Hình 3.7. Cự ly liên lạc phụ thuộc vào góc thoát trong khu vực biển Quy Nhơn. Luận án đã tính toán quan hệ giữa góc thoát và cự ly liên lạc tại vùng biển Quy Nhơn với 4 trường hợp: không có nhiễu tạp, máy thu có độ nhạy là -60 dB, - 90 dB và -120 dB
3.2.3. Thời gian truyền của tia âm trong môi trƣờng.
Luận án đã vẽ được đường cong biểu diễn thời gian truyền tín hiệu phụ
thuộc vào độ sâu của kênh liên lạc thủy âm.
21
3.2.4. Xác định hệ số suy giảm tia âm trong môi trường.
Bảng 3.1. Hệ số suy giảm âm theo độ sâu tại khu vực biển Quy Nhơn.
Độ mặn trung bình (S,‰)
Độ sâu (z,m) 300 400 402 493 500 600 700 800 806 988 1000 1200 1206 1446 Nhiệt độ trung bình (T,0C) 10,09 9,11 8,55 7,96 7,51 6,67 5,87 5,49 4,97 4,42 3,99 3,57 3,29 3,39 Áp suất trung bình (P,atm) 302 402 404 496 503 604 705 806 812 996 1008 1210 1217 1460 Hệ số suy giảm âm (dB/km) 0,81 0,68 0,64 0,56 0,53 0,43 0,34 0,29 0,26 0,18 0,16 0,09 0,08 0,02
34,42 34,40 34,41 34,41 34,42 34,44 34,45 34,46 34,49 34,52 34,54 34,56 34,57 33,71 3.2.5. Góc thoát của tia âm tại điểm phát và góc tới của tia âm tại điểm thu khi cự ly liên lạc tối đa.
Bảng 3.2. Góc tới tia âm khi cự ly liên lạc đạt tối đa.
Vị trí máy thu Góc tới tia âm (Rad)
Máy thu đặt tại gần mặt biển ( ) 1,095
Máy thu đặt tại đáy biển ( ) 1.096
Sơ đồ khối mô phỏng phục vụ tính toán tỷ số S/N đầu ra máy thu của kênh
3.3. Hiệu quả nâng cao tỷ số tín/tạp (SNR) của thiết bị liên lạc thủy âm sử dụng mạng transducer gốm áp điện. 3.3.1. Sơ đồ tính toán tỷ số tín/tạp đầu ra máy thu. liên lạc thủy âm được minh họa trong hình 3.10.
Hình 3.8. Sơ đồ tính toán hiệu quả nâng cao SNR của kênh liên lạc thủy âm với máy phát, máy thu sử dụng mạng transducer gốm áp điện.
22
3.3.2. Kết quả tính toán SNR đầu ra máy thu của kênh liên lạc thủy âm.
Với những dữ liệu và giả thiết đầu vào như đã phân tích ở trên, luận án đã tính toán, ước lượng SNR đầu ra máy thu máy liên lạc thủy âm như trong hình 3.9.
Hình 3.9. Tỷ số tín hiệu/tạp âm ở đầu ra máy thu máy liên lạc thủy âm sử dụng transducer mạng pha với các khoảng cách khác nhau.
3.3.3. So sánh SNR đầu ra máy thu của kênh liên lạc thủy âm trong trường hợp sử dụng mạng transducer và sử dụng phần tử đơn.
Tính toán bằng công cụ MATLAB với hai trường hợp máy thu sử dụng
khi góc cực đại đạt tối ưu,
transducer đơn và mạng transducer ở cự ly luận án đã thu được đường BER và tỉ SER như trong hình 3.10.
Hình 3.10. Tỷ số BER và tỉ số SER trong hai trường hợp sử dụng phần tử transducer đơn và transducer mạng pha 8 phần tử.
23
3.4. Lựa chọn số lƣợng phần tử cho mạng transducer điều khiển pha.
Với mạng transducer tuyến tính N phần tử có phân bố thẳng đều với
khoảng cách giữa các phần tử bằng nửa bước sóng ( ) thì số lượng phần tử
được tính bằng công thức:
(3.2)
3.5. So sánh hiệu quả cải thiện chất lƣợng kênh liên lạc của giải pháp dùng mạng transducer và một số giải pháp thế giới đã tiến hành.
1
2
3
Từ kết quả đánh giá chất lượng kênh liên lạc thông qua đường cong BER tại hình 3.15, luận án đã so sánh các kết quả đạt được theo tính toán của luận án với các kết quả đã công bố ở các công trình [17] và [24] như trong hình 3.11
Hình 3.11. So sánh chất lượng kênh liên lạc thủy âm sử dụng 3 giải pháp ổn định kênh.
KẾT LUẬN
Những kết quả đạt đƣợc của luận án. 1. Luận án đã áp dụng những kiến thức cơ bản về thủy âm học và lý thuyết tia trong truyền sóng thủy âm để xây dựng và giải quyết bài toán mất ổn định của một tuyến kênh liên lạc thủy âm cố định từ điểm đến điểm khi đặt trong các sơ đồ truyền âm khác nhau.
2. Luận án đã tìm ra có bốn yếu tố quy định hình dạng của vùng sáng âm (vùng luôn có tín hiệu thủy âm): độ sâu đặt máy phát thủy âm; góc giới hạn vùng mở của anten thủy âm; độ sâu của khu vực biển có kênh liên lạc và đường cong
24
vận tốc âm tại khu vực truyền âm. Luận án đã đi sâu vào nghiên cứu giải pháp khả thi là thay đổi góc giới hạn biên trên và biên dưới của kênh liên lạc thủy âm thông qua điều chỉnh góc thoát của tia âm khỏi anten máy phát và góc tới của tia âm đến anten máy thu với kỹ thuật sử dụng là anten mạng pha ở tần số 33 kHz.
3. Luận án đã tính toán, xác định được mối quan hệ giữa góc thoát tia âm và góc cực đại chính trong giản đồ hướng của mạng anten thủy âm. Từ đó đã khảo sát, đánh giá định lượng ảnh hưởng của góc pha đặt vào các phần tử của mạng anten thủy âm 8 phần tử đến góc cực đại chính của mạng anten thủy âm. 4. Luận án đã xây dựng một chương trình tính toán lý thuyết cho kênh liên lạc thủy âm sử dụng dữ liệu trường âm được công bố năm 2002 ở khu vực biển Quy Nhơn. Chương trình tính toán được thực hiện với kênh liên lạc thủy âm điểm-điểm với máy thu phát sử dụng mạng anten thủy âm 8 phần tử có điều khiển pha khi góc cực đại chính thay đổi từ 0 đến 3600.
5. Từ mô hình tính toán đề xuất, luận án đã đưa ra cách tính số lượng phần tử của mạng anten trong kênh liên lạc thủy âm có sử dụng giải pháp anten mạng pha và so sánh các kết quả đạt được với các nghiên cứu trước đó.
Những đóng góp mới của luận án. - Đã đề xuất được một mô hình kênh liên lạc thủy âm có ứng dụng giải pháp mạng transducer xử lý pha ở tần số 33 kHz nhằm nâng cao tỷ số tín hiệu/tạp âm tại đầu ra máy thu cuối kênh truyền.
- Đã xây dựng một chương trình tính toán cho một kênh liên lạc thủy âm có sử dụng dữ liệu trường âm được công bố năm 2002 ở khu vực biển Quy Nhơn, từ đó làm cơ sở để tính toán các vùng khác khi có các bộ cơ sở dữ liệu được cung cấp.
- Tính toán số phần tử transducer tối ưu trong mạng transducer mạng pha. - Nghiên cứu áp dụng các giải pháp xử lý tín hiệu truyền trên kênh liên lạc
Kiến nghị về các hƣớng nghiên cứu tiếp theo. - Bổ sung thêm một số điều kiện truyền âm cận thực tế như có xét đến phản xạ, khúc xạ tại mặt biển, đáy biển và các vật cản trong nước; trong các sơ đồ truyền âm khác như kênh âm bề mặt, kênh âm sâu và sơ đồ phản ống dẫn sóng; với các dạng nhiễu đặc trưng như nhiễu vang, nhiễu ngắm và ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler. thủy âm có sử dụng giải pháp anten mạng pha.
D N MỤ N TRÌN Ủ TÁ Ả
1. Nguyễn hế iếu, Lê Minh Ngọc, rần Mạnh hắng (2007), “ hiết kế chế tạo thiết bị truyền dữ liệu thủy âm“, Tạp chí Nghiên cứu KHKT&CNQS - số 18, trang 115-123;
2. Nguyễn hế iếu, Lê Minh Ngọc, Nguyễn uy Luyến, ũ ải Lăng (2007), “Kỹ thuật đơn biên và ứng dụng trong thiết kế chế tạo thiết bị truyền dữ liệu thủy âm“, Hội nghị thông tin và định vị vì sự phát triển kinh tế biển Việt Nam ComNaVi-07- Kỷ yếu tháng 11/2007, trang 57-64;
3. Nguyễn uy Luyến, Lê Minh Ngọc, ũ ải Lăng (2007), “ ính toán tham số của một hệ thống truyền tin dưới nước“, Hội nghị thông tin và định vị vì sự phát triển kinh tế biển Việt Nam ComNaVi-07 - Kỷ yếu tháng 11/2007, trang 64-70;
4. ũ ải Lăng, Lê Minh Ngọc, Nguyễn ải hanh, Nguyễn hị hủy (2009), “Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật truyền tin thủy âm trong điều khiển từ xa dưới nước“, Tạp chí Nghiên cứu KHKT&CNQS - Số đặc biệt tháng 3/2009, trang 134-141;
5. Lê Minh Ngọc, ũ ải Lăng, Nguyễn hị huỷ (2009), “ ề một giải pháp thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển từ xa dưới nước“, Tạp chí Nghiên cứu KHKT&CNQS - Số đặc biệt tháng 3/2009, trang 142-149;
6. hu Xuân Quang, Lê Minh Ngọc, ũ ải Lăng, Nguyễn hị huỷ (2010),“ ombining frequency modulation and single side band modulation to design an underwater remote control system“, Hội nghị Khoa học tự nhiên lần thứ nhất của các Thạc sĩ và Nghiên cứu sinh 3 nước Đông Dương - Kỷ yếu tháng 3/2010, trang 117-128;
7. Nguyễn Anh Minh, Lê Minh Ngọc, rần Xuân Nam (2011),“ hực hiện phần cứng bộ xử lý sau tách tín hiệu cho các hệ thống M MO-S M“- Tạp chí Nghiên cứu KHKT&CNQS - Số 16, trang 34-40;
8. Lê Minh Ngọc, hu Xuân Quang, Nguyễn hị huỷ, Nguyễn uy Luyến, ũ ải Lăng, Nguyễn hế iếu (2013), “Khảo sát đặc trưng một số loại transducer gốm áp điện sử dụng trong liên lạc thủy âm“, Tạp chí Nghiên cứu KHKT&CNQS - Số 23, trang 26-32;
9. Lê Minh Ngọc, hu Xuân Quang, Nguyễn uy Luyến, Nguyễn ăn hành, Nguyễn hị huỷ, Nguyễn hế iếu (2013),“Mô phỏng một số yếu tố tác động đến tín hiệu thủy âm“, ạp chí Nghiên cứu K K & NQS - Số 23, trang 33-39; 10. Lê Minh Ngọc, Nguyễn hị huỷ (2014),“Nghiên cứu giải pháp sử dụng anten mạng pha cho máy liên lạc thủy âm“, ạp chí Nghiên cứu K K & NQS - Số 32, trang 73-81.
