tóm tắt luận án tiến sĩ Nghiên cứu phương pháp mạng nơ-ron hiệu chỉnh giản đồ hướng trong ra đa dùng anten mạng

* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: GĐH anten mạng: Phương pháp tính toán bộ tham số của các phần tử anten mạng với công cụ là mạng nơ-ron truyền thẳng có số lớp, số nơ-ron tối ưu, các

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

***********

LÊ DUY HIỆU

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP MẠNG NƠ-RON HIỆU CHỈNH GIẢN ĐỒ HƯỚNG TRONG RA ĐA

Công trình được hoàn thành tại:

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG

Người hướng dẫn khoa học:

1 TS Nguyễn Đôn Nhân

2 TS Lê Đại Phong

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU

* Tính cấp thiết của đề tài:

Anten mạng rất hữu dụng trong các hệ truyền thông do độ linh hoạt và dễ điều khiển giản đồ hướng (GĐH) của chúng Ngày nay các anten mạng được ứng dụng nhiều trong quân sự và thương mại Trong một số ứng dụng, anten mạng chứa một lượng lớn các phần tử hoặc mạng con Vì sự có mặt của lượng lớn phần tử, khả năng lớn xảy ra hỏng hóc hay suy giảm chất lượng (sau đây gọi là phần tử lỗi) của một hoặc nhiều phần tử trong mạng Các phần tử lỗi trong mạng phá hủy tính đối xứng và gây ra biến dạng GĐH có thể đến mức không chấp nhận được, chủ yếu ở dạng tăng mức búp sóng phụ Việc thay thế những phần tử lỗi của anten mạng không phải lúc nào cũng thực hiện được, ví dụ anten mạng pha trên vệ tinh có một vấn đề rất đặc trưng, khi vệ tinh đã phóng thì không thể bảo dưỡng được các anten mạng pha Nhưng trong trường hợp anten chủ động, có thể phục hồi GĐH với trả giá nhỏ nhất về chất lượng mà không cần thay thế phần tử hỏng, bằng cách điều khiển các kích thích của các phần tử không bị lỗi trong mạng Điều này giảm đáng kể giá thành khi thay thế các phần tử lỗi và bảo đảm GĐH luôn được hiệu chỉnh, sự suy thoái của anten mạng chậm

Như vậy cần thiết phải đưa ra một số kỹ thuật hiệu chỉnh để có thể không cần thay thế các phần tử lỗi mà chỉ bằng tính toán lại các tham số của GĐH với các phần tử không hỏng còn lại để tạo một GĐH mới gần giống với GĐH ban đầu Khả năng hiệu chỉnh GĐH anten mạng có các phần tử lỗi của mạng nơ-ron là một giải pháp phù hợp Đó

là cơ sở để nghiên cứu sinh thực hiện luận án “Nghiên cứu phương

pháp mạng nơ-ron hiệu chỉnh giản đồ hướng trong ra đa dùng anten mạng”

* Mục tiêu của luận án:

Nghiên cứu tìm một phương pháp hiệu chỉnh GĐH của anten mạng pha tích cực khi xuất hiện lối của một hoặc nhiều phần tử Nghiên cứu này phát triển một phương pháp hiệu chỉnh nhanh GĐH cho bất kì lỗi phần tử nào của anten mạng từ đó làm tăng tính năng của anten mạng và các hệ thống phối hợp

* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

GĐH anten mạng: Phương pháp tính toán bộ tham số của các

phần tử anten mạng với công cụ là mạng nơ-ron truyền thẳng có số lớp,

số nơ-ron tối ưu, các hàm truyền của nơ-ron và thuật toán luyện mạng phù hợp Khả năng hiệu chỉnh và giới hạn hiệu chỉnh GĐH anten mạng của mạng nơ-ron khi anten mạng xuất hiện lỗi Các tham số kỹ thuật đặc trưng của anten mạng pha tích cực có 7; 13; 16 và 32 phần tử

Mạng nơ-ron: Tìm cấu trúc tối ưu của mạng nơ-ron truyền thẳng

(số lớp ẩn, số nơ-ron trong lớp ẩn), thuật toán lan truyền ngược (mạng nơ-ron thích nghi) theo tiêu chuẩn sai số trung bình bình phương nhỏ nhất để hiệu chỉnh GĐH anten mạng tuyến tính chuẩn gồm hữu hạn phần tử khi xuất hiện lỗi bất kỳ

* Phương pháp nghiên cứu:

Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp mô phỏng:

Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các biểu thức toán học tính

toán, tổng hợp GĐH của anten mạng tuyến tính, các đặc trưng làm biến dạng GĐH; Nghiên cứu cấu trúc mạng nơ-ron, số nơ-ron, số lớp trong mạng nơ-ron ảnh hưởng đến tốc độ luyện mạng và khả năng hội tụ của mạng; Nghiên cứu thuật toán lan truyền ngược theo tiêu chuẩn sai số trung bình bình phương nhỏ nhất để khi luyện mạng luôn đạt được hội

tụ và hội tụ tại điểm mong muốn

Mô phỏng thực nghiệm: Mô phỏng luyện mạng nơ-ron với các

phương pháp luyện khác nhau; Mô phỏng luyện mạng với các hàm truyền của nơ-ron khác nhau; Mô phỏng đánh giá giá trị hàm sai số trong mạng nơ-ron sử dụng hàm truyền khác nhau với lớp ẩn có số nơ-ron khác nhau; Mô phỏng đánh giá khả năng đáp ứng và giới hạn đáp ứng của mạng nơ-ron dưới tác động của các khả năng xảy ra lỗi ở một hoặc nhiều phần tử

* Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

Ý nghĩa khoa học: Khẳng định mạng nơ-ron là một trong nhiều

công cụ để hiểu chỉnh GĐH khi xuất hiện lỗi ở các phần tử Thiết kế tạo các bộ dữ liệu phục vụ luyện mạng nơ-ron mang tính tổng quát, được kiểm chứng để đánh giá độ tin cậy chính xác và khoa học

Ý nghĩa thực tiễn: Bộ dữ liệu của GĐH chuẩn và bộ dữ liệu của

GĐH khi xuất hiện lỗi bất kỳ có ý nghĩa cao trong công tác dự báo hỏng hóc cho anten mạng; Hoàn thiện phương pháp luyện trực tuyến, điều này đồng nghĩa với hiệu chỉnh GĐH trong thời gian thực

* Cấu trúc của luận án: Luận án bao gồm 108 trang thuyết minh;

trong đó có 8 bảng; 50 đồ thị, hình vẽ; 44 tài liệu tham khảo và 20 trang phụ lục

Chương 1: Tổng quan về anten mạng và đặc trưng giản đồ hướng anten mạng pha tích cực tuyến tính đồng nhất Trong chương này luận

án trình bày: Các tham số đặc trưng không gian của anten Đặc điểm hệ thống anten mạng pha và mạng pha tích cực Cụ thể là: trình bày phương pháp tổng hợp GĐH; các tham số đặc trưng của GĐH; các phương pháp hiệu chỉnh GĐH với các tiêu chuẩn khác nhau; và các đặc trưng hỏng hóc phần tử trong anten mạng tuyến tính; Xác định nội dung nghiên cứu

Chương 2: Xây dựng mạng nơ-ron hiệu chỉnh GĐH anten mạng pha tích cực Trong chương 2 luận án đã khảo sát: Cấu trúc mạng nơ-

ron cho việc hiệu chỉnh GĐH, trong đó tập trung đi sâu khảo sát: Số lớp

và số nơ-ron của mạng nơ-ron truyền thẳng; Thuật toán luyện tập mạng

và các vấn đề trong thuật toán luyện mạng, bộ trọng số ban đầu và tỉ lệ luyện trong quá trình luyện mạng, mô tả phương pháp cập nhật trọng số các lớp đầu vào, lớp ẩn và lớp đầu ra của mạng nơ-ron và các vấn đề cực tiểu hàm sai số; Phương pháp luyện mạng nơ-ron; Hàm hoạt động của mạng nơ-ron

Chương 3: Ứng dụng mạng nơ-ron hiệu chỉnh GĐH của anten mạng pha tích cực Trong chương này luận án trình bày các nội dung sau: Cơ sở lý thuyết và phương pháp xây dựng bộ dữ liệu chuẩn GĐH anten mạng tuyến tính đồng nhất với số phần tử hữu hạn phục vụ cho quá trình luyện mạng Trên cơ sở các đặc trưng hỏng hóc của anten mạng xây dựng bộ dữ liệu đầu vào với cấu trúc anten mạng đã biết phục vụ quá trình luyện mạng Căn cứ vào kết quả luyện mạng với các

bộ tham số đã được xây dựng đánh giá khả năng hiệu chỉnh của mạng nơ-ron đã được đưa ra và các giới hạn hiệu chỉnh GĐH của mạng nơ-ron đó

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ANTEN MẠNG VÀ ĐẶC TRƯNG GĐH ANTEN MẠNG PHA TÍCH CỰC TUYẾN TÍNH ĐỒNG NHẤT 1.1 Những vấn đề chung về anten mạng pha

Những tham số chính của anten mạng pha cũng hoàn toàn không khác gì so với các chủng loại anten khác Đó là: GĐH anten; mức cánh sóng phụ; hệ số khuếch đại; hệ số đặc trưng hướng; các đặc trưng tần số v.v Tuy nhiên, do có sự tồn tại của các phần tử tích cực nằm trên anten

và tham gia trực tiếp vào quá trình hình thành những đặc trưng đó, nên

cơ sở, và công cụ tính toán cũng có những cách tiếp cận khác Trong anten mạng pha tích cực tồn tại của hàng trăm, thậm chí hàng ngàn phần tử là các mô đun thu - phát tích cực Như vậy việc giải bài toán

"nghiên cứu đảm bảo các tham số đặc trưng không gian của hệ thống anten mạng pha" đã được đề cập trong nhiều tài liệu Nhưng ứng dụng công cụ mạng nơ-ron là nội dung mới cần phải nghiên cứu tiếp Mục tiêu nghiên cứu của luận án "Nghiên cứu phương pháp mạng nơ ron

hiệu chỉnh giản đồ hướng trong ra đa dùng anten mạng" là: Bằng lý

thuyết anten và kỹ thuật siêu cao tần, lý thuyết điều khiển và sử dụng công cụ mạng nơ-ron nhân tạo giải quyết bài toán đảm bảo GĐH anten với các tham số xác định trong trường hợp một tập các phần tử tích cực

bị thay đổi tham số ở mức báo hỏng

1.2 GĐH anten mạng pha tích cực

Hệ thống anten mạng thông minh được xây dựng đảm bảo giải quyết hài hòa hay nói cách khác là tối ưu các đặc tính: Mức búp bên thấp; Độ rộng búp chính hẹp; Khả năng mềm dẻo, linh hoạt trong điều khiển các đặc tính điện học; Khả năng phát hiện lỗi trong hệ thống và

tự động hiệu chỉnh; Tối ưu trong kết cấu hình học anten

1.3 Công thức tổng hợp GĐH trong anten mạng tuyến tính

Hình 1.1 Anten mạng tuyến tính

K phần tử, xắp xếp đều với khoảng cách d trong trường hợp các tia sóng tới hợp với mặt phẳng chuẩn một góc ϑ

Tín hiệu thu tổng hợp của các phần tử anten được xác định theo công thức sau:

Thành phần tổng trong (1.5) được gọi là hệ số mạng Để tiện lợi trong việc luận giải về các búp bên, độ rộng búp chính của GĐH, hệ số mạng thường được viết theo dạng [5]:

1.4.2 Độ rộng búp sóng chính mức 1/2 công suất

Độ rộng búp sóng chính Θ B đo bằng radian:

34= 0.8848 cos 3 rad' (1.10)

Như vậy độ rộng búp sóng chính tại điểm nửa công suất phụ thuộc vào góc quét, tần số và kết cấu hình học của mạng anten

1.4.3 Búp sóng bên

Xuất phát từ công thức (1.7), các điểm cực trị (cực đại) không chỉ xảy ra với búp sóng chính mà còn xảy ra khi:

& ' sin >& với > 1, 2, 3, … (1.11)

1.4.4 Cấu trúc và giới hạn trường quan sát của các anten mạng

Cấu trúc anten mạng chủ động (tích cực): Mỗi phần tử mảng có

modul phát/thu riêng (T/RM) hình 1.7 Mỗi T/RM chứa bộ khuếch đại công suất nhỏ, khuếch đại công suất lớn ở nhánh phát và bộ hạn chế, bộ khuếch đại tạp thấp (LNA), bộ khuếch đại với hệ số khuếch đại thay đổi được và một bộ xoay pha Cấu trúc T/RM trong hình 1.8 Mạng cộng tín hiệu tuyến thu và phân chia tín hiệu tuyến phát tại mức công suất thấp tới các T/RM Các bộ xoay pha xác định hướng của GĐH Bộ LNA nằm gần anten, tổn hao ít và hệ số tạp thấp trên toàn hệ [41]

Hình 1.7 Cấu trúc của các anten

mạng pha tích cực

Hình 1.8 Cấu trúc của mô đun

phát/thu

Giới hạn trường quan sát: Anten mạng thường chỉ có một

trường quan sát hữu hạn, giới hạn trong khoảng ±600 [41]

1.5 Các phương pháp tạo và hiệu chỉnh GĐH anten mạng

1.5.1 Các phương pháp, tiêu chuẩn truyền thống: Phương pháp cố

định bộ trọng số; Tiêu chuẩn tỉ số tín hiệu/nhiễu gồm: Tiêu chuẩn cực đại tỉ số tín hiệu/ nhiễu, tiêu chuẩn này có thể được áp dụng để tăng

cường tín hiệu thu giảm thiểu tín hiệu nhiễu và Thuật toán Chebyshev:

Thuật toán này được áp dụng nhằm duy trì mức búp phụ của GĐH dưới một mức cho phép); Phương pháp, tiêu chuẩn hội tụ trong đó nghiên cứu các phương pháp như: Phương pháp MSE, Thuật toán LMS, Thuật toán RLS; Phương pháp nghịch đảo ma trận mẫu: Khi sử dụng phương pháp này là có thể thiết lập GĐH có góc quét bất kì nhưng vẫn duy trì được các tham số khác

1.5.2 Mô hình bù kích thích phần tử

Bù biên độ: Công thức bù được tiến hành cho hai phần tử lân

cận [43]: Ap-1 = Ap-1 + N.Δ.Ap; Ap+1 = Ap+1 + N.Δ.Ap

Trong đó Δ là lượng tử bù, N là số lần bù cần thiết

Bù pha: Tương tự như bù biên độ các bù pha sẽ tiến hành tương

tự với các phần tử lân cận, các giá trị bù pha sẽ được cập nhật vào thành

1.6 Các đặc trưng hỏng hóc phần tử trong anten mạng tuyến tính

Hỏng hóc dẫn đến thay đổi tỉ lệ mức búp sóng bên cực đại so với búp sóng chính; Hỏng hóc dẫn đến độ rộng mức 1/2 công suất của búp sóng chính thay đổi

1.7 Xây dựng bộ tham số GĐH anten mạng của một số đài ra đa

Trên cơ sở khảo sát các đài ra đa : RĐ1, ra đa RĐ2, ra đa RĐ4,

và ra đa nghiên cứu thiết kế chế tạo trong nước RĐ3 xây dựng bộ tham

số chuẩn về GĐH của các anten mạng trên các đài ra đa này ở bảng 1.1

1.8 Kết luận chương 1

Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan về anten mạng pha cho thấy anten mạng pha được ứng dụng nhiều trong thực tiễn và anten mạng pha có khả năng thay đổi dạng GĐH linh hoạt, tốc độ quét GĐH nhanh Tuy nhiên anten mạng pha cũng dễ ràng biến dạng GĐH so với GĐH được thiết kế ban đầu Khi lỗi một hoặc nhiều phần tử của anten mạng pha, sẽ rất khó khăn để tìm và thay thế các phần tử lỗi đó Do đó nghiên cứu tìm một phương pháp hiệu chỉnh nhanh GĐH của anten mạng pha khi xuất hiện lỗi của một hoặc nhiều phần tử để đạt được GĐH theo yêu cầu mà không cần thay thế các phần tử lỗi có tính cấp thiết cao

Hiện nay trong trang bị của Quân đội Việt Nam, các khí tài ra

đa sử dụng anten mạng pha đã dần thay thế các ra đa sử dụng anten truyền thống Trong quá trình sử dụng các khí tài ra đa hiện đại này, định kỳ hằng năm chúng ta phải tiến hành bảo dưỡng và sửa chữa, trong khi đó chúng đều là những khí tài nhập ở nước ngoài cho nên nghiên cứu tìm một phương pháp hiệu chỉnh nhanh GĐH của anten mạng pha khi xuất hiện lỗi phần tử mà không cần thay thế các phần tử lỗi, ngoài tính cấp thiết còn mang tính thời sự

Nghiên cứu hiệu chỉnh GĐH anten mạng pha có nhiều phương pháp khác nhau đã được công bố Tuy nhiên với sự xuất hiện của máy tính, sự xuất hiện những tổ hợp vi mạch điện tử thông minh có dung lượng vô cùng lớn và tốc độ rất cao Mạng nơ-ron có khả năng xấp xỉ với hàm bất kỳ và với sai số bất kỳ Do vậy nghiên cứu phương pháp mạng nơ-ron hiệu chỉnh GĐH anten mạng pha là hợp lý và có tính khả thi cao

Để đạt được mục tiêu hiệu chỉnh nhanh GĐH của anten mạng pha khi xuất hiện lỗi của một hoặc nhiều phần tử để đạt được GĐH theo yêu cầu mà không cần thay thế các phần tử lỗi, cần tập trung nghiên cứu các nội dung:

- Các tham số kỹ thuật đặc trưng của anten mạng pha tích cực;

- Cấu trúc mạng nơ-ron cho việc hiệu chỉnh GĐH, trong đó tập trung đi sâu nghiên cứu các tham số mạng nơ-ron như: Số lớp và số nơ-ron của mạng nơ-ron truyền thẳng; Thuật toán luyện tập mạng; Phương pháp luyện mạng nơ-ron; Hàm hoạt động của mạng nơ-ron;

- Xây dựng bộ dữ liệu chuẩn GĐH anten mạng phục vụ cho quá trình luyện mạng Xây dựng bộ dữ liệu đầu vào với cấu trúc anten mạng

đã biết phục vụ quá trình luyện mạng Đánh giá khả năng hiệu chỉnh của mạng nơ-ron đã được đưa ra và các giới hạn hiệu chỉnh GĐH của mạng nơ-ron đó

Để đáp ứng được các yêu cầu trong công tác đảm bảo kỹ thuật và kết quả nghiên cứu có tính ứng dụng cao trong thực tiễn đơn vị Trong quá trình thực hiện luận án cần nghiên cứu anten mạng pha có số phần

tử đủ lớn, sau đó thực nghiệm bằng những anten mạng pha tích cực có

số phần tử là 7; 13; 16 và 32 đã và đang được trang bị

Chương 2 XÂY DỰNG MẠNG NƠ-RON HIỆU CHỈNH GIẢN ĐỒ HƯỚNG

ANTEN MẠNG PHA TÍCH CỰC 2.1 Đặt vấn đề

Hiệu chỉnh GĐH anten mạng pha là một vấn đề khó của xử lý tín hiệu Xây dựng mạng nơ-ron để hiệu chỉnh GĐH anten mạng pha tích cực là cần thiết

2.2 Cấu trúc một số mạng nơ-ron cơ bản

Mạng nơ-ron nhiều lớp perceptron; Mạng nơ-ron Hopfield; Mạng nơ-ron hàm radial cơ bản; Mạng phân tích các thành phần cơ bản; Mạng nơ-ron mờ; Mạng nơ-ron truyền thẳng

2.3 Cấu trúc mạng nơ-ron hiệu chỉnh GĐH

Mô hình thực hiện việc hiệu chỉnh này

được đưa ra ở hình 1.12 Mạng nơ-ron

cũng là một công cụ để hiệu chỉnh

GĐH Khi ứng dụng mạng nơ-ron để

hiệu chỉnh GĐH thì mô hình hiệu chỉnh

Phương án tối ưu tốc độ của mạng và tính toàn vẹn của tín hiệu nhờ quá trình tách tín hiệu thành hai phần trực giao I, Q

như hình 1.12 có thể cấu trúc lại:

Hình 2.1.Mô hình tích hợp anten mạng

và mạng nơ-ron nhân tạo

Hình 2.2: Tích hợp anten mạng và ANN thực hiện

theo I,Q

2.3.1 Mạng nơ-ron truyền thẳng nhiều lớp

Lớp thấp nhất của MFNN là lớp đầu vào trong đó các phần tử xử

lý nhận được tất cả các trọng số nơ-ron đầu vào, và cung cấp kết quả đầu ra của chúng để xử lý các phần tử của lớp ẩn đầu tiên

2.3.2 Các điều kiện tối ưu của MFNN

Vấn đề tối ưu hóa các tham số cho công việc cụ thể mong muốn

có thể được mô tả như sau đối với tiêu chuẩn cực tiểu hàm sai số [27]: