Xây dựng công nghệ vô tuyến nhận thức cho hệ thống thông tin thủy âm

1.1 Vai trò của hệ thống thông tin thủy âm Để đáp ứng những nhu cầu thực tế, thông tin liên lạc dưới nước ngày càng được sử dụng rộng rãi và đóng vai trò rất quan trọng với nhiều mục đ

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI CAM ĐOAN 4

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC BẢNG BIỂU 6

DANH MỤC HÌNH VẼ 7

LỜI NÓI ĐẦU 1

TÓM TẮT LUẬN VĂN 2

GIỚI THIỆU CHUNG 3

Mục đích thiết kế 3

Phương pháp thực hiện 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC 4

Giới thiệu chương 4

1.1 Vai trò của hệ thống thông tin thủy âm 4

1.2 Đặc điểm sóng thủy âm 4

1.2.1 Đặc tính tần số của sóng thủy âm 4

1.2.2 Vận tốc sóng âm dưới nước 5

1.2.3 Đặc tính lan truyền sóng âm trong môi trường nước 7

1.3 Đặc điểm kênh truyền thủy âm .17

1.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến kênh truyền thủy âm 17

1.3.2 Suy hao trong môi trường dưới nước 20

1.3.3 Sự suy giảm âm thanh trong chất lắng cặn 29

1.3.4 Nhiễu môi trường 35

1.3.5 Hiệu ứng Doppler 35

1.4 Các tham số đánh giá hiệu quả của kênh 37

1.4.1 Đánh giá tỉ số SNR – Tần số tối ưu 37

1.4.2 Đánh giá băng thông, tỉ số C/B 38

Kết chương 42

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC - COGNITIVE RADIO 43

Giới thiệu chương 43

2.2 Software defined radio 43

2.2.1 Khái Niệm 43

2.2.2 Giới thiệu về Lịch sử SDR 43

2.2.3 Các thiết bị hỗ trợ SDR 44

2.2.4 Lợi ích từ SDR 45

2.3 Cognitive Radio (CR) 46

2.3.1 Giới thiệu 46

2.3.2 Định nghĩa 47

2.3.3 Kiến trúc vật lí 48

2.3.4 Sự phát triển của Cognitive Radio (CR) .50

2.3.5 Các chức năng chính của CR 54

2.3.6 Cảm biến phổ (spectrum sensing) 56

Kết chương 60

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG CÔNG NGHỆ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN THỦY ÂM 61

Giới thiệu chương 61

3.2 Đặc tính kênh truyền dưới nước 61

3.2.1 Suy hao đường truyền trong môi trường nước 61

3.2.2 Nhiễu màu trong môi trường nước 62

3.3 Công nghệ vô tuyến nhận thức 63

Kết chương 68

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 69

Giới thiệu chương 69

4.2 Kênh truyền dẫn 69

4.3 Hệ thống vô tuyến nhận thức thông minh trong thủy âm 69

Kết chương 77

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu đưa ra trong luận văn dựa trên các kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép bất kỳ kết quả nghiên cứu của tác giả khác Nội dung của luận văn có tham khảo và sử dụng một số thông tin, tài liệu từ các nguồn sách, tạp chí được liệt kê trong danh mục các tài liệu tham khảo

Nguyễn Văn Thọ

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Thuật ngữ Từ gốc Ý nghĩa

ASK Amplitude Shift Keying Điều chế số theo biên độ tín hiệu

FSK Frequency Shift Keying Điều chế số theo tần số tín hiệu GMSK Gaussian Minimum Shift Keying Điều chế dịch cực tiểu Gauss ISI InterSymbol Interference Nhiễu xuyên ký tự

OFDM Orthogonal Frequency Divionsion

Multiplex

Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao

PAM Pulse Amplitude Modulation Điều chế biên độ xung

PSK Phase Shift Keying Điều chế số theo pha tín hiệu QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế pha trực giao

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

UAC Underwater Acoustic Channel Kênh thông tin thủy âm

DANH MỤC BẢNG BIỂU

4-1: Bảng lựa chọn phạm vi truyền song theo băng thông tín hiệu 70

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Tốc độ âm thanh phụ thuộc vào nhiệt độ và độ sâu (S=33ppt) 6

Hình 1-2 Sự phụ thuộc của tốc độ âm thanh vào độ mặn của nước 6

Hình 1-3 Di chuyển của hạt từ vị trí x tới vị trí x+dx 7

Hình 1-4 Môi trưởng truyền sóng đồng nhất với nguồn S và bên thu R 12

Hình 1-5 Hiện tượng đa đường trong môi trường nước 13

Hình 1-6 Mô hình đa đường theo lý thuyết tia 14

Hình 1-7 Sự phụ thuộc của nhiệt độ theo độ sâu của nước biển 18

Hình 1-8 Sự thay đổi của độ mặn theo độ sâu ( Biển Atlantic) 19

Hình 1-9 Hệ số hấp thụ a f  trong môi trường nước 20

Hình 1-10 Suy hao theo phân bố cầu ở vùng nước sâu 21

Hình 1-11 Suy hao theo phân bố trụ trong môi trường nước nông 22

Hình 1-12 Hệ số hấp thụ theo công thức Thorp 24

Hình 1-13 Hệ số suy giảm theo tần số (công thức Francois và Garrison) 26

Hình 1-14 Hệ số suy giảm thay đổi theo độ mặn và nhiệt độ (T=200C) - công thức Francois và Garrison[4] 27

Hình 1-15 Hệ số suy hao thay đổi theo độ mặn và nhiệt độ (T=300C) - công thức Francois và Garrison[4] 28

Hình 1-16 Hệ số suy hao theo các mô hình khác nhau (T = 4oC, D=1000m, pH=8)28 Hình 1-17 Phản xạ và khúc xạ tại mặt phân cách hai chất lỏng 30

Hình 1-18 Sự phụ thuộc của SNR vào khoảng cách truyền và tần số 37

Hình 1-19 Giá trị tần số tối ưu theo khoảng cách 38

Hình 1-20 Bảng các giá trị b c p0, ,0 0,  0, 0, 0theo SNR 41

Hình 1-21 Giá trị của B[kHz] và C[kHz] theo khoảng cách 41

Hình 1-22 Đặc tuyến C/B theoSNR0 và E b /N 42 0

Hình 2-1 Hiệu suất sử dụng phổ tần số 47

Hình 2-2 Cấu trúc của SDR 48

Hình 2-3 RF Fron-End 49

Hình 2-4 Sự phát triển của Cognitive Radio (CR) 50

Hình 2-5 Kiến trúc mạng xG 53

Hình 2-6 Chu trình cognitive 55

Hình 2-7 Cảm biến tìm ra phổ trống 56

Hình 2-8 Sơ đồ khối của Spectrum Sensing 58

Hình 2-9 Sơ đồ cảm biến trong miền thời gian 59

Hình 2-10 Sơ đồ cảm biến trong miền tần số 60

Hình 3-1: Phân bố phổ tần giữa hệ thống sơ cấp và thứ cấp 64

Hình 3-2: Mô hình nhiễu giữa hệ thống sơ cấp và thứ cấp 65

Hình 4-1 Mô tả sơ đồ hệ thống xây dựng cho kênh truyền 69

Hình 4-2: Phân bố công suất của CR với ngưỡng nhiễu 165 mW 71

Hình 4-3: Phân bố công suất của CR với ngưỡng nhiễu 4*165 mW 72

Hình 4-4: Phân bố công suất của CR với ngưỡng nhiễu 7*165 mW 72

Hình 4-5: Phân bố công suất của CR với ngưỡng nhiễu 11*165 mW 73

Hình 4-6: Phân bố công suất của CR với ngưỡng nhiễu 15* 165 mW 73

Hình 4-7: Thông lượng của hệ thống với trường hợp dss = 1km,dsp = 1km, dps = 3km 74

Hình 4-8: Thông lượng của hệ thống với trường hợp dss = 2km, dsp = 1km, dps = 3km 74

Hình 4-9: Phân bổ công suất CR với trường hợp, Ith = 4*165mW, dss = 10km, dsp = 1km, dps = 3km 75

Hình 4-10: Phân bổ công suất CR với trường hợp, Ith = 4*165mW, dss = 10km, dsp = 2km, dps = 5km 75Hình 4-11: Thông lượng hệ thống với trường hợp dss = 10km, dsp = 2km, dps = 5km,không tính đến nhiễu màu 76Hình 4-12: Thông lượng hệ thống với trường hợp dss = 10km, dsp = 2km, dps = 5km, tính đến nhiễu màu 76

LỜI NÓI ĐẦU

Tài nguyên tần số là hữu hạn và vô cùng quý giá, dải tần số đang dần trở nên chật hẹp bởi nhu cầu sự dụng… Mặc dù vậy nhưng hiệu suất sử dụng tài nguyên tần số lại rất thấp Hiệu suất này thay đổi dựa vào đặc điểm hệ thống mạng viễn thông ở từng vùng địa lí (mạng dày đặc hay thưa thớt) và thời điểm sử dụng (giờ

cao điểm hay bình thường) Cognitive radio là công nghệ mới đầy hứa hẹn cho sự

phát triển của viễn thông trong tương lai bởi tính linh hoạt và thông minh của nó sẽ đáp ứng được yêu cầu về sử dụng hiệu quả tần số cao hơn có thể cảm nhận phổ, biết được phổ đang sử dụng và phổ trống, từ đó đưa ra những quyết định sử dụng phổ

Nhu cầu thông tin liên lạc dưới nước ở Việt Nam ngày càng trở nên cần thiết với mục đích khác nhau như thám hiểm tài nguyên biển, vận hành các phương tiện dưới biển tự động và quân sự Tuy nhiên, do sự khác biệt cơ bản về đặc tính của môi trường không gian tự do và môi trường biển nên những công nghệ sử dụng cho thông tin vô tuyến hiện thời khó có thể áp dụng cho việc thông tin dưới nước Đặc biết dải tần số cho thông tin liên lạc dưới nước lại hạn hẹp (KHz) Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó và trong khuôn khổ luận văn này, tôi xin trình bày về việc xây dựng

công nghệ vô tuyến nhận thực Cognitive radio và ứng dụng cho kênh truyền thông

tin liên lạc dưới nước sử dụng công cụ mô phỏng Matlab

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS.Nguyễn Quốc Khương đã tận tình chỉ bảo giúp đỡ tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận văn Với thời gian và kiến thức còn hạn hẹp nên luận văn không tránh khỏi tồn tại nhiều thiếu sót Tôi mong sẽ nhận được sự chỉ bảo, góp ý của thầy cô và các bạn để phát triển đề tài này tốt hơn nữa

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn đề cập đến vấn đề xây dựng công nghệ vô tuyến nhận thức cho hệ thống thông tin thủy âm

Nội dung luận văn bao gồm 6 phần :

 Giới thiệu chung

 Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin dưới nước

Tổng quan mạng hệ thống thông tin dưới nước, vai trò của hệ thống thông tin thủy âm, các đặc tính sóng thủy âm và đặc tính của kênh truyền thủy âm

 Chương 2: Giới thiệu về công nghệ vô tuyến nhận thức

Trình bày ngắn gọn về nền tảng công nghệ được sử dụng trong các ứng dụng

về công nghệ vô tuyến nhận thức trong truyền dẫn, các chức năng chính của công nghệ vô tuyến nhận thức

 Chương 3: Xây dựng công nghệ vô tuyến nhận thức cho hệ thống thông tin

thủy âm

Trong chương này đề cập chi tiết đến đặc tính của kênh truyền dưới nước Sự ảnh hưởng của suy hao đường truyền, ảnh hưởng của nhiễu Sau đó áp dụng công nghệ vô tuyến nhận thức cho hệ thống thông tin thủy âm

 Chương 4: Kết quả mô phỏng hệ thống

Trình bày về kết quả đã đạt được dựa vào mô hình hệ thống đề xuất ở chương 3

 Kết luận và hướng phát triển

GIỚI THIỆU CHUNG

Mục đích thiết kế

Ngày nay khi nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng phát triển mạnh mẽ đặc biệt như với môi trường truyền dẫn dưới nước các các phương tiện giao thông trên biển, tàu ngầm, thiết bị nghiên cứu, thông tin về thời tiết, thông tin quân sự thì yêu cầu về nghiên cứu hệ thống và tối ưu hệ thống trở thành yêu cầu cần thiết và có tính thực tiễn cao Không nằm ngoài mục đích đó, trong khuôn khổ nghiên cứu và thiết kế của luận văn, giúp tìm hiểu, nghiên cứu và mô phỏng áp dụng công nghệ vô tuyến nhận thức thông minh trong truyền dẫn môi trường dưới nước Tạo ra hệ thống thân thiện và hiệu suất sử dụng phổ vô tuyến cao kèm theo các đánh giá và hướng phát triển tiếp theo

Áp dụng công nghệ vô tuyến nhận thức vào mô hình kênh truyền dưới nước trong hệ thống thông tin liên lạc dưới nước thông qua việc phân bổ công suất cho cho hệ thống CR dựa vào các điều kiện rằng buộc

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DƯỚI

NƯỚC

Giới thiệu chương

Hệ thống thông tin dưới nước ngày càng góp phần quan trọng vào các lĩnh vực của cuộc sống với nhiều mục đích khác nhau Tuy nhiên, do những tính chất của môi trường, các yếu tố ảnh hưởng đến môi trường truyền sóng nên hệ thống thông tin liên lạc thủy âm có nhiều điểm khác biệt với hệ thống trên mặt đất Do đó để đảm bảo truyền thông tin ổn định và chính xác việc nghiên cứu các đặc tính của kênh truyền đóng một vai trò quan trọng Việc hiểu đúng và đầy đủ các đặc tính đó giúp ta có được những thiết kế phù hợp, hiệu quả với kiến trúc máy thu, máy phát cũng như các thiết bị khác dùng trong hệ thống

Chương 1 trình bày ngắn gọn vai trò của hệ thống thông tin thủy âm, các đặc tính sóng thủy âm và đặc tính của kênh truyền thủy âm

1.1 Vai trò của hệ thống thông tin thủy âm

Để đáp ứng những nhu cầu thực tế, thông tin liên lạc dưới nước ngày càng được

sử dụng rộng rãi và đóng vai trò rất quan trọng với nhiều mục đích khác nhau như: thăm dò dưới biển, điều khiển thiết bị tự động, thu thập dữ liệu về môi trường một cách tự động sau đó truyền về trung tâm, đặc biệt cho những mục đích quân sự,

1.2 Đặc điểm sóng thủy âm

1.2.1 Đặc tính tần số của sóng thủy âm

Việc thông tin dưới biển thực tế khó có thể thực hiện được bằng sóng điện từ trường, lý do mức độ suy hao rất lớn trong môi trường lan truyền dưới nước Sóng quang học tuy không có suy hao lớn trong môi trường nước tuy nhiên lại bị nhiễu bởi hiện tượng tán xạ Cho đến nay, phương pháp hiệu quả nhất cho việc truyền dẫn thông tin vô tuyến dưới nước là sử dụng lan truyền sóng âm

Tần số công tác thấp: nằm trong dải dao động của sóng âm thanh

Độ rộng băng rất hẹp và độ gợn sóng khá lớn

1.2.2 Vận tốc sóng âm dưới nước

Sự biến thiên vận tốc sóng âm trong môi trường biển là tương đối nhỏ

Thông thường, vận tốc sóng âm c sẽ biến thiên từ 1450 tới 1540m/s Tuy nhiên,

những thay đổi nhỏ trong vận đốc sóng âm cũng có những ảnh hưởng lớn tới lan truyền sóng ở trong nước

Tốc độ âm thanh trong nước biển đã được tập trung phân tích trong rất nhiều

mô hình toán học Trong đó có phương trình Mackenzine được trình bày trong [1],

ở đây tốc độ âm thanh trong nước biển được tính toán với một ước lượng tốc độ sai

Hình 1-1 Tốc độ âm thanh phụ thuộc vào nhiệt độ và độ sâu (S=33ppt)

Ta thấy tốc độ âm thanh tăng theo cả nhiệt độ và độ sâu, nhưng theo chiều tăng nhiệt độ, đặc tính tốc độ âm thanh dốc hơn nhiều Tốc độ âm thanh đối với vùng biển Việt Nam có độ sâu dưới 1000m thay đổi từ 1400÷1560 m/s

Hình 1-2 Sự phụ thuộc của tốc độ âm thanh vào độ mặn của nước

Hình 1-4 chỉ ra rằng mặc dù tốc độ âm thanh thay đổi theo sự thay đổi của độ mặn, nhưng thậm chí những giá trị về độ sâu và nhiệt độ được sử dụng được cho là tối ưu cho sự thay đổi của tốc độ âm thanh, nhưng tốc độ âm thanh cũng chỉ thay đổi 10m/s trong phạm vi tăng giảm độ mặn đi 10ppt, do vậy ảnh hưởng của độ mặn

có thể lấy một giá trị cố định mà vẫn chấp nhận được Sử dụng phương trình MacKenzine, xây dựng một đồ hình cho tốc độ âm thanh trong nước thay đổi theo

độ sâu và nhiệt độ trong Hình 1-4 Độ mặn ở đây lấy cố định là 35ppt đã trình bày hiệu quả nhất về ảnh hưởng của độ sâu và nhiệt độ, hai biến số thay đổi nhiều nhất trong môi trường nước sâu

1.2.3 Đặc tính lan truyền sóng âm trong môi trường nước

Quá trình lan truyền sóng âm trong môi trường dưới nước có thể được mô tả dưới dạng toán học bằng phương trình sóng, các tham số và điều kiện biên của phương trình thỏa mãn điều kiện môi trường dưới nước ở từng khu vực khác nhau

1.2.3.1 Phương trình sóng của quá trình truyền sóng âm

Phương trình sóng trong chất lỏng có thể được giải từ mối quan hệ thủy động lực và đoạn nhiệt giữa áp suất và mật độ Phương trình bảo toàn khối lượng, phương trình Euler, và phương trình đoạn nhiệt của trạng thái được trình bày dưới đây [3]

Hình 1-3 Di chuyển của hạt từ vị trí x tới vị trí x+dx[3].

Với kí hiệu P glà áp suất và glà mật độ, ta thu được các quan hệ sau:

0

g

: thay đổi áp suất

Từ phương trình bảo toàn khối lượng, ta có:

Phương trình này được biết đến là phương trình thể hiện tính liên tục của mật độ

b) Phương trình đoạn nhiệt trạng thái

s

p c

và chỉ số s thể hiện phương trình đạo hàm riêng thủy động lực được xác định trong

điều kiện entroly không đổi

Với điều kiện 𝑝 ≪ 𝑝0 và 𝜌 ≪ 𝜌0, phương trình (1.11) trở thành:

Kết hợp hai phương trình (1.15) và (1.16) ta nhận được phương trình sau cho không gian một chiều:

 

P A j k x k y k z   (1.22)

Trong đó k k k x, y, zlà các tham số sóng

1.2.3.3 Lan truyền sóng âm trong ống dẫn sóng đồng nhất

Môi trường truyền sóng được minh họa trong Hình 1-4

Hình 1-4 Môi trưởng truyền sóng đồng nhất với nguồn S và bên thu R [3]

Trường tạo ra tại nguồn 0,z skhi không có biên (ở những nơi rất sâu) là:

 ,  

4

jkR e

A  :biên độ tại nguồn

Để nghiệm thu được thỏa mãn điều kiện biên, ta cần thêm điều kiện biên vào phương tình Helmholtz Điều kiện biên ở đây là: áp suất giảm về 0 tại bề mặt và đáy của môi trường truyền sóng

Phương pháp được sử dụng là phương pháp ảnh gương, và được trình bày trong phần 2.5.5

1.2.3.4 Tính đa đường trong lan truyền sóng âm

Truyền dẫn đa đường trong truyền thông vô tuyến gây ra nhiễu liên kí tự (inter-symbol interference) và fading của kênh trong miền tần số Mặt khác, truyền dẫn đa đường dẫn đến sự chậm trễ khác nhau của tín hiệu nhận được ở phía thu, điều này sẽ làm khó khăn cho quá trình hiệu chỉnh dữ liệu Hiện tượng đa đường trong môi trường nước khác rất nhiều so với hiện tượng đa đường trong môi trường trên cạn Nó bị chi phối bởi hai hiệu ứng: phản xạ âm thanh ở bề mặt, ở đáy, hay phản xạ với bất kỳ vật thể nào, và khúc xạ âm thanh trong nước như mô tả trong Hình 1-5 Mỗi đường truyền có những đặc trưng riêng của mình, chẳng hạn như sự lan truyền, hấp thụ, tốc độ trải trễ Do đó, mô hình kênh cần phải được xem xét cho từng loại đường dẫn

c

rx tx

Khoảng cách

rx

tx

Độ sâu

a, Mô hình tia cho vùng nước nông b, Mô hình tia cho vùng nước sâu

Hình 1-5 Hiện tượng đa đường trong môi trường nước [10]

Như đã trình bày, có rất nhiều nguyên nhân gây ra hiện tượng đa đường: phản xạ của đáy, của bề mặt, khúc xạ, do các vật trong nước,… Tuy nhiên, để cho phù hợp với môi trường nước ở Việt Nam- các vùng dưới nước đều không quá sâu,

đồ án phân tích hai yếu tố chính gây nên hiện tượng đa đường: sự phản xạ tại mặt

và đáy trong môi trường truyền dẫn

1.2.3.5 Phương pháp ảnh gương

Có nhiều cách để mô tả quá trình truyền sóng âm dưới nước Tuy nhiên, đồ

án trình bày về phương pháp ảnh gương Đây là phương pháp áp dụng với phạm vi rộng, đồng thời cũng giúp ta có một cái nhìn trực quan về quá trình truyền sóng âm dưới nước

Do tính chất phản xạ của bề mặt và đáy, chúng ta coi hai bề mặt đó như là hai mặt gương có thể phản xạ tín hiệu giống Tín hiệu có thể được phản xạ nhiều lần trước khi đi tới máy thu Hình vẽ dưới đây giúp ta hình dung rõ hơn về phương pháp này

Hình 1-6 Mô hình đa đường theo lý thuyết tia [8]

Khác với phương pháp ảnh gương trong môi trường tự do, trong môi trường dẫn sóng, (mô hình suy hao trụ, nước nông) âm thanh sẽ bị phản xạ nhiều lần giữa hai mặt phản xạ và tạo ra vố số các tín hiệu phản xạ truyền từ nguồn từ đích

Hình 1-6 minh họa hệ thống với nguồn ở độ sâu z s, ba nguồn ảnh đầu tiên

tạo ra 4 thành phần trong khai triển của trường tổng cộng [8]:

01

2 2

02

2 2

03

2 2

04

22

L e

2 2

2

2 2

3

2 2

4

22

Với D là chiều sâu của ổng dẫn sóng

1.2.3.6 Góc hợp bởi tia tới và tia phản xạ

Góc này còn được gọi là Grazing angle Trong Hình 1-6, các góc đã được minh họa rõ nét Với mô hình toán học đơn giản, giá trị của các góc này được tính như sau:

1 1

1 2

1 3

1 4

s m

s m

s m

    góc hợp bởi tia thứ m và mặt phản xạ- như minh họa trên Hình 1-6

D: chiều sâu của ống dẫn sóng, hoặc là kênh truyền

m: nhận giá trị từ 0 tới vô cùng

z : độ sâu của máy thu, tính theo đơn vị mét

z: độ sâu của máy phát, cũng tính theo đơn vị mét

r: khoảng cách máy thu phát, tính theo đơn vị mét

Từ những phương trình trên ta nhận thấy rằng:

- Hệ số phản xạ bề mặt ˆR1chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như: vận tốc gió, tần số và góc giữa tia tới và bề mặt

- Hệ số phản xạ đáy phụ thuộc vào loại đáy và góc giữa tia tới và bền mặt phản xạ

1.3 Đặc điểm kênh truyền thủy âm

1.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến kênh truyền thủy âm

Các yếu tố ảnh hưởng lên hệ thống kênh truyền dưới nước bao gồm:

 Nhiệt độ (T)

 Nồng độ muối (S)

 Độ pH của nước biển ( pH)

 Độ sâu(D) hay áp suất của nước (P)

 Sự biến động của bề mặt và địa hình đáy

Các thông số này bên cạnh sự ảnh hưởng của chúng lên hệ thống kênh truyền dưới nước, bản thân giữa chúng cũng có mỗi quan hệ mật thiết với nhau Dựa trên thực nghiệm, Hình 1-6 chỉ ra sự phụ thuộc của nhiệt độ của nước biển theo độ sâu được khảo sát vào mùa hè trên nhiều vùng biển để có được kết quả đặc trưng nhất [1]:

Hình 1-7 Sự phụ thuộc của nhiệt độ theo độ sâu của nước biển [1]

Nhiệt độ giảm theo chiều tăng của độ sâu và với mực nước càng sâu thì mức giảm càng nhanh Tương tự như nhiệt độ, độ mặn cũng là thông số thay đổi rất nhiều theo độ sâu Ở Việt Nam do có khá nhiều sông đổ ra biển nên vùng ven bờ độ mặn là thấp nhất, độ mặn cũng thay đổi nhiều theo mùa mưa và khô Đồ thị sau là một ví dụ được khảo sát ở vùng biển Atlantic [1]:

Hình 1-8 Sự thay đổi của độ mặn theo độ sâu ( Biển Atlantic) [1]

Đường biểu diễn sự thay đổi của độ mặn theo độ sâu khá phức tạp đặc biệt là trong vùng halocline Độ mặn bị giảm mạnh khi độ sâu tăng, qua vùng đó, độ mặn lại có xu hướng tăng nhẹ theo độ sâu Sau đây chúng ta sẽ xem xét ảnh hưởng của chúng lên các đặc tính của kênh truyền như thế nào

1.3.2 Suy hao trong môi trường dưới nước

Tín hiệu sóng âm khi truyền trong môi trường nước sẽ chịu ảnh hưởng của suy hao Suy hao trong môi trường nước khi truyền sóng âm sẽ ảnh hưởng đến rất nhiều yếu tố: việc chọn lựa tần số và phạm vi truyền tín hiệu

Hệ số suy hao:

Hệ số suy hao của kênh sóng âm trong môi trường nước phụ thuộc vào khoảng cách máy phát và máy thu và tần số làm việc như sau:

𝐴(𝑑, 𝑓) = 𝑑𝑘𝑎(𝑓)𝑑 (1.31)

Trong đó d là khoảng cách tuyến đường truyền dẫn, f là tần số, k là hệ số

tán xạ phụ thuộc vào hình dạng địa lý của môi trường truyền dẫn (có giá trị khoảng

từ 1.5 đến 2 ) [3] Hệ số k tương ứng với môi trường truyền sóng radio trên cạn là

hệ số mũ suy hao ( )a f là hệ số hấp thụ thể hiện như ở Hình 1-9

Hình 1-9 Hệ số hấp thụ a f  trong môi trường nước [3]

1.3.2.1 Suy hao trải hình học

Những yếu tố về môi trường như độ sâu, khoảng cách truyền có nhiều ảnh hưởng tới suy hao tín hiệu Để có thể đánh giá ảnh hưởng của suy hao một cách chính xác nhất, người ta chia suy hao thành các loại khác nhau Có hai hình thức

suy hao truyền Mô hình suy hao do sự phân bố hình cầu xảy ra trong môi trường nước sâu Trong môi trường nước nông, khi khoảng cách truyền lớn, năng lượng sóng âm có xu hướng bị giới hạn bởi hai mặt phẳng là: mặt nước và mặt đáy Lúc này mô hình suy hao trong môi trường nước nông là suy hao do sự phân bố hình trụ

- Suy hao cầu

Mô hình suy hao cầu được áp dụng cho những vùng nước sâu Trong mô hình suy hao cầu, mật độ năng lượng được xác định như sau [3]:

r



Với r 0 – khoảng cách tham chiếu (thường lấy là 1m), P a – năng lượng sóng

âm tại nguồn, I 0 – mật độ năng lượng sóng âm tại khoảng cách r o , I -mật độ năng lượng sóng âm tại khoảng cách r

Như vậy, với suy hao theo phân bố hình cầu, mật độ năng lượng tỉ lệ nghịch với lũy thừa bậc 2 của khoảng cách Tính theo dB:

Suy hao trải hình trụ xuất hiện khi môi trường truyền dẫn bị giới hạn bởi hai mặt phản xạ.Hai mặt phản xạ này chính là bề mặt nước và mặt đáy của môi trường

Khoảng cách giữa hai mặt phản xạ này là h, thỏa mãn điều kiện h >10λ, λ là bước

sóng của sóng âm Suy hao do phân bố trụ được tính như sau[3]:

hr



Với mô hình suy hao phân bố trụ thì mật độ công suất tỉ lệ nghịch với r Tính

theo dB thì suy hao trong trường hợp này sẽ là:

và tại tần số cao hơn thì năng lượng bị hấp thụ nhiều hơn Có một số công thức mô

tả về quá trình hấp thụ âm thanh trong nước biển đã đặt nền móng cho những hiểu biết hiện nay Mỗi phương trình đó trong thời gian qua đã giúp cải thiện khả năng ứng dụng và độ chính xác về mặt toán học của việc đánh giá sự hấp thụ của âm thanh trong nước biển

Tại tần số thấp, sự hấp thụ trong nước biển chuẩn là quá nhỏ so với môi trường này nên một yêu cầu tính toán chính xác sự chuyển hóa năng lượng âm thanh trong nước biển ở tần số thấp thì các mô hình hiện nay khó có thể đáp ứng

- Sự hấp thụ do chuyển động của hạt

Với những tần số trên 100 kHz, sự chuyển động của hạt tạo bởi âm thanh tạo thành nhiệt thông qua sự cản do nhớt Sự hấp thụ chuyển đổi một phần của năng lượng dao động thành nhiệt khi nó đi qua từng khoảng cách xác định Tỷ lệ thất thoát suy giảm theo hệ số mũ có thể được xác định bằng một tỷ lệ thông qua thuật toán logarit đưa về dB Cho nên hệ số suy giảm thường được biểu diễn theo dB/km cho những kết quả đo đạc sự suy giảm dưới nước biển Suy giảm 1 dB/km có nghĩa

là năng lượng giảm 21% trên mỗi km truyền đi

Hệ số suy giảm tăng theo bình phương tần số Tại những tần số lớn hơn 1Mhz, người ta thường lấy theo đơn vị dB/m vì khi đó âm thanh suy giảm rất nhanh Giá trị

α phụ thuộc vào nhiệt độ của nước biển T (o

C) và áp suất hoặc độ sâu Mặc dù sự chuyển đổi giữa áp suất và độ sâu còn ảnh hưởng bởi một vài thông số khác, những

ảnh hưởng này là nhỏ khi đem so sánh với tổng lỗi cho nên việc sử dụng độ sâu D

theo (m) thường được dùng để tiện lợi cho việc tính toán áp suất thủy tĩnh

- Sự hấp thụ hóa học

Một vài phân tử trong nước có nhiều hơn một trạng thái ổn định, và chúng chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác phụ thuộc vào áp suất Những sự thay đổi này có thể chuyển đổi năng lượng kết hợp với áp suất âm thanh dao động thành nhiệt Những thay đổi pha khác nhau liên quan tới những lần tương tác khác nhau,

và những trễ trong đáp ứng này có thể được đặc trưng bởi thời gian relaxation hay tần số relaxation Thay đổi với tốc độ càng nhanh thì càng có ít ảnh hưởng vì những thay đổi phân tử là quá chậm, cho nên sự hấp thụ này chỉ có ảnh hưởng ở những tần

số thấp Độ mặn của nước biển không là nguyên nhân duy nhất gây ra sự hấp thụ hóa học, mà sự tồn tại của axit Boric và muối MgSO4 nữa Những tham số khác có thể ảnh hưởng tới sự hấp thụ trong nước biển là độ pH Thường thì pH=8 được sử dụng là tiêu chuẩn để thể hiện độ axit của nước biển [3]

Phương trình này chỉ áp dụng cho nước biển có nhiệt độ 4 oC và độ sâu xấp xỉ

1000 m Những giới hạn đó khiến cho phương trình này rất khó để được sử dụng trong những ứng dụng của hệ thống mạng dưới nước và hơn thế, bằng việc lờ đi những hấp thụ hóa học thì phương trình này khó có được kết quả chính xác Trong khi đó mô hình này lại có thể ước lượng một cách nhanh chóng hệ số suy giảm, những giá trị mà hầu như không đủ để cung cấp một ước lượng chính xác về hiệu năng mạng

Hình 1-12 Hệ số hấp thụ theo công thức Thorp

Nhìn vào hình ta nhận thấy rằng, suy hao tăng theo tần số

 Phương trình Francois và Garrison

Biểu thức toán học của phương trình Francois Garrison được cho như sau [3]

Hệ số suy giảm α-dB/km là tổng ảnh hưởng của ba thành phần: B(OH)3,

MgSO4 và nước tinh khiết

Trong đó:

Axit Boric

0.78 5 1

1

1245 4 273 1

8.686.101

S f

Z m là độ sâu xác định mà tại đó tốc độ âm thanh là nhỏ nhất

D > z m: Tốc độ âm thanh tăng chủ yếu do nhiệt độ

D < z m: Tốc độ âm thanh tăng do áp suất thủy tĩnh

Hình 1-13 Hệ số suy giảm theo tần số (công thức Francois và Garrison)[4]

Từ Hình 1-13 ta nhận thấy rằng ảnh hưởng của từng thành phần sẽ là khác nhau với từng dải tần số khác nhau: Tần số từ 100 Hz ÷ 3000 Hz axit Boric ảnh hưởng nhiều nhất tới sự suy giảm, từ 3000 ÷ 200000 Hz muối Magie sunfat chiếm

ưu thế còn từ 200000Hz nước biển có vai trò chính khiến tín hiệu bị hấp thụ trong quá trình truyền đi

Hình 1-14 Hệ số suy giảm thay đổi theo độ mặn và nhiệt độ (T=20 0 C) - công thức

Francois và Garrison[4]

Từ Hình 1-14 ta thấy hệ số suy giảm tỉ lệ thuận với nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng thì hệ số suy giảm cũng tăng Ngoài ra, hệ số suy giảm cũng tăng khi nhiệt độ tang

Hình 1-15 Hệ số suy hao thay đổi theo độ mặn và nhiệt độ (T=30 0 C) - công thức Francois

1.3.3 Sự suy giảm âm thanh trong chất lắng cặn

Sự suy giảm âm thanh trong chất lắng cặn phần lớn thay đổi theo đặc điểm địa chất của đáy Đặc điểm của đáy có thể được đặc trưng bởi bt, thông số xác định loại chất cặn trong đại dương Bảng sau cung cấp giá trị bt của mỗi loại đặc điểm của đáy [3]

Bảng 1.1 Giá trị bt của từng loại đáy khác nhau

          (1.42)

Trong đó giá trị K và n được cho như sau[5]:

Bảng 1.2 Giá trị hệ số K, n theo từng loại đáy khác nhau [5]

do đó việc xác định, tính toán hế số truyền và hệ số phản xạ có vai trò rất quan trọng trong mô phỏng và thực nghiệm

Hình 3-9 minh họa hiện tượng phản xạ tại mặt phân cách giữa hai môi trường chất lỏng đồng chất với mật độ i và vận tốc âm c i , i1, 2 Góc hợp bởi tia tới với mặt phẳng tới xz được kí hiệu là i Giả sử sóng tới có biên độ đơn vị, các sóng phản xạ và khúc xạ có biên độ lần lượt là R và T Áp suất sóng âm được biểu thị như sau[3]:

Trong đó thành phần chung expi t  được lược bỏ

Các đại lượng chưa xác định R,T và 2 được xác định từ điều kiện biên về tính liên tục của áp suất và vận tốc hạt khi đi qua mặt phân cách tại vị trí z=0 Với

áp suất trong môi trường 1là p1  p i  p r, và áp suất trong môi trường 2 là p2  p i Điều kiện biên được biểu diễn theo phương trình sau: