Một giải pháp cấu hình mảng cảm biến thủy âm hai chiều trên cơ sở tạo búp sóng tùy biến

Bài viết đề xuất và xây dựng một giải pháp mới dựa trên mô hình tạo búp sóng tùy biến sử dụng ma trận hydrophone phẳng để tạo ra các búp sóng thu có độ linh động cao, thực hiện lọc không gian tín hiệu nhằm nâng cao chất lượng thu tín hiệu mục tiêu.

Trang 1

Nghiên cứu khoa học công nghệ

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54, 04- 2018 95

MỘT GIẢI PHÁP CẤU HÌNH MẢNG CẢM BIẾN THỦY ÂM HAI CHIỀU TRÊN CƠ SỞ TẠO BÚP SÓNG TÙY BIẾN

Phan Hồng Minh1*, Phan Trọng Hanh2, Vũ Văn Binh1, Nguyễn Công Đại2

Tóm tắt: Bài báo đề xuất và xây dựng một giải pháp mới dựa trên mô hình tạo

búp sóng tùy biến sử dụng ma trận hydrophone phẳng để tạo ra các búp sóng thu có

độ linh động cao, thực hiện lọc không gian tín hiệu nhằm nâng cao chất lượng thu tín hiệu mục tiêu Bằng cách thực hiện kích hoạt các hydrophone trong mảng cảm biến sẽ tạo ra các mảng có cấu trúc hình học khác nhau và quay được búp sóng theo hướng mong muốn Bên cạnh đó, việc tính toán trọng số của mảng sẽ điều khiển được búp sóng, độ rộng hẹp của búp sóng chính, triệt giảm búp sóng phụ và điều khiển khoảng cách giữa các búp sóng để thu được tín hiệu là lớn nhất, ảnh hưởng không mong muốn là ít nhất

Từ khóa: Mảng cảm biến dưới nước, Tạo búp sóng mảng cảm biến, Chùm búp sóng, tạo búp sóng mảng

phẳng

1 GIỚI THIỆU

Tạo búp sóng là kỹ thuật rất quan trọng trong lĩnh vực thủy âm, được thực hiện bởi nhiều giải pháp khác nhau như: Thuật toán Frost [5], thuật toán lặp và điều chỉnh trọng số của mảng để giảm thiểu tiếng ồn ở đầu ra trong khi duy trì đáp ứng tần số đã chọn theo hướng khẩu độ của mảng Thuật toán Grinffiths [6], các tín hiệu mong muốn được xác định bởi việc điều khiển búp sóng chính của mảng vào hướng cần quan tâm, tất cả các tín hiệu đến từ hướng khác mà không có sự vượt trội sẽ được coi là tạp âm và nhiễu không mong muốn, thuật toán giảm thiểu tạp nhiễu tại đầu ra, đồng thời duy trì được đáp ứng tần số theo hướng tín hiệu mong muốn Tối ưu hóa lồi giải quyết vấn đề sai lệch giữa búp sóng chính giả định và thực tế nhờ sử dụng thuật toán tạo búp sóng thích nghi MVDR (Minimum variance distortionless response) ước lượng véc tơ quay ứng với tín hiệu mong muốn theo không gian tạp và không gian hữu hạn [1] Thuật toán Frost kết hợp tạo búp sóng Trễ thời gian cho mảng thu khi có tín hiệu không mong muốn nhằm giảm tiếng ồn

và loại bỏ nhiễu tương ứng, làm tăng SNR mà không gây ra lỗi mạng [2] Nén búp sóng phụ sử dụng cấu trúc thích nghi ổn định để giải quyết vấn đề đa đường [6] là một giải pháp để tìm góc tới của tín hiệu cũng làm tăng hiệu năng của mảng Như vậy, đối với mảng cảm biến thủy âm trong hầu hết các ứng dụng, chúng ta luôn muốn chủ động sắp đặt vị trí cảm biến để quay búp sóng, hoặc quay hướng của mảng để đáp ứng tốt nhất được với các tín hiệu đến từ các hướng khác nhau Theo [4] có hai cách để thực hiện:

- Điều khiển cơ học để xoay trục chính của mảng:

Cách tiếp cận trực tiếp là thay đổi vị trí của cảm biến sao cho trục của mảng vuông góc với hướng thu mong muốn Đây là điều khiển cơ học giống như khi một ăng ten parabol được quay khẩu độ trong hệ thống radar Thông thường trong mảng cảm biến thủy âm, phương pháp này khó thực hiện được vì kích thước vật lý của một mảng khá lớn khi hoạt động với tín hiệu có bước sóng dài hoặc phải hiệu chuẩn lại cảm biến khi chúng được di chuyển

- Điều khiển mềm để xoay búp sóng của mảng:

Một cách khác là làm trễ tín hiệu đến theo thời gian (hoặc dịch pha trong trường

Trang 2

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

P H Minh, …, N C Đại, “Một giải pháp cấu hình mảng… tạo búp sóng tùy biến.”

96

hợp băng hẹp) để xoay búp sóng của mảng Đây được gọi là điều khiển mềm, với

những tiến bộ trong bộ xử lý tín hiệu tốc độ cao, hệ thống điều khiển mềm đang

được sử dụng rộng rãi không chỉ vì những hạn chế của điều khiển cơ học mà còn

bởi tính linh hoạt và khả năng đáp ứng nhanh chóng

Kỹ thuật tạo búp sóng cứng thường có nhược điểm là không được linh động do

khó khăn trong việc tạo cấu trúc hình học của mảng Thông thường mảng cảm biến

thường được thiết kế cố định về mặt hình học, như vậy khẩu độ và búp sóng chính

sẽ bị giới hạn trong một không gian nhất định Việc tính toán thiết kế trọng số

mảng sẽ làm tăng hiệu năng, tạo ra được hình dạng búp sóng như mong muốn phù

hợp với nhiều môi trường và mục tiêu khác nhau

Bài báo đề xuất một giải pháp mới kết hợp 2 kiểu điều khiển cứng và mềm tạo

các mảng có cấu trúc hình học khác nhau dựa trên mô hình mảng phẳng, bằng cách

kích hoạt các hydrophone trong ma trận cảm biến sẽ tạo ra được nhiều loại mảng

có kiểu búp sóng cũng như hướng khác nhau, điều khiển mềm tính toán trọng số

mảng để quay búp sóng có hướng thu mong muốn, triệt giảm búp sóng phụ, giảm

sự ảnh hưởng tối đa của nhiễu và tạp ồn

2 THIẾT KẾ MẢNG PHẲNG TÙY BIẾN VÀ ĐIỀU KHIỂN BÚP SÓNG

2.1 Mảng cảm biến tổng quan và kỹ thuật tạo búp sóng

Theo [4] có hai vấn đề quan trọng nhất khi thiết kế mảng để xác định đặc tính và

hiệu suất của chúng như các bộ lọc không gian Thứ nhất, cấu trúc hình học của

mảng thiết lập các đặc tính không gian khi hoạt động, chúng sẽ tạo ra các kiểu búp

sóng và hướng thu khác nhau Cấu trúc này được đặc trưng bởi véc tơ đa tạp (the

array manifold vector – đặc trưng cho hình dạng của giản đồ búp sóng trong không

gian ba chiều) Thứ hai là thiết kế các trọng số của dữ liệu tại mỗi đầu ra bộ cảm

biến Việc lựa chọn các trọng số này xác định các đặc tính lọc không gian của mảng

Hình 1 Mảng cảm biến và tạo búp sóng cho mảng

Trang 3

Xét mảng cảm biến bao gồm tập N các cảm biến đẳng hướng được đặt tại vị trí

pn bất kỳ trong không gian n = 0, 1, 2, 3, N-1 Tín hiệu đến là sóng phẳng truyền

tới mảng từ hướng ⃗ với tần số là ω, tín hiệu thu được là tập các tín hiệu được biểu

diễn bởi véc tơ f(t,p)

( , ) =

⎣

⎢

⎡ ( −( − ))

⋯ ( − )⎦⎥

⎥

⎤

Với = , a là véc tơ đơn vị được biểu diễn như sau =

−

,

Trong đó: θ là góc ngẩng (góc tà) và ϕ là góc phương vị khi tính toán trong tọa độ

cầu (hình 2a), xuất hiện dấu trừ do hướng của a, c tốc độ âm trong nước

Nếu ta định nghĩa hướng sóng đến theo trục cosine ta có:

u x = sinθcosϕ; u y = sinθsinϕ; u z = cosθ; và u = - a;

thì (2) viết lại như sau:

Gọi k là số sóng đến với = = , λ là bước sóng cho bởi tần số ω

véc tơ đa tạp cho bởi:

( ) =

⎣

⎢

⎡

⋯

⎦

⎥

⎤

Và định nghĩa véc tơ trọng số phức như sau:

Như vậy, đầu ra y(t) trở thành

là phương trình tổng quan thiết kế búp sóng cảm biến mảng bất kỳ

2.2 Mảng phẳng và kỹ thuật tạo búp sóng

Mảng phẳng là mảng hai chiều, trong đó, các hydrophone được triển khai theo một mặt phẳng, hoặc mảng thu được bố trí dưới nước có cùng độ sâu (hình 2a) Một mảng phẳng cung cấp rất nhiều cấu trúc hình học trên một trục ngang theo tọa

độ đề các hai chiều Tùy thuộc vào số lượng hydrophone mà có thể bố trí một số cấu trúc hình học khác nhau, hình tam giác, vuông, tròn, cặp lệch (hình thoi), hình chữ nhật, hình thang, hình chữ Y, T… (hình 7)

Trang 4

toán

m

đư

chùm búp sóng

để có một véc t

và

98

Trên cơ s

toán

mảng

được tính nh

Trong đó

Trư

chùm búp sóng

Véc tơ đa t

N

Từ đây

ể có một véc t

Tương t

và

Trên cơ s

và thi

ảng [4]

ợc tính nh

Trong đó

Trường hợp mảng phẳng đồng nhất v

chùm búp sóng

Véc tơ đa t

Như v

ừ đây

Tương t

=

Hình

Trên cơ s

và thi

[4]

ợc tính nh

Trong đó

ờng hợp mảng phẳng đồng nhất v

chùm búp sóng

Véc tơ đa t

hư vậy

(

ừ đây,

Tương t

= [

P.

Hình

Trên cơ sở l

và thiết kế

Chùm búp sóng t

ợc tính như sau:

,

Trong đó:

chùm búp sóng

Véc tơ đa t

ậy, v

( )

, chúng ta có th

Tương tự,

[

P H

Hình

ở là m

ết kế

Chùm búp sóng t

ư sau:

chùm búp sóng

Véc tơ đa tạp

với to

( ) =

chúng ta có th

ể có một véc tơ

đối với

[ ⋯

Minh, …, N C

Hình 2 C

à m

ết kế tạo búp sóng

Chùm búp sóng t

ư sau:

=

chùm búp sóng hình 2

ạp của h

ới toàn b ( ) = [

chúng ta có th

ơ NM

ối với

⋯

Minh, …, N C

Cấu trúc h

à mảng phẳng chữ nhật

ạo búp sóng Chùm búp sóng t

=

= ờng hợp mảng phẳng đồng nhất v

hình 2

ủa h

àn b [ ( chúng ta có th

NM

ối với ma tr

Minh, …, N C

ấu trúc h

ảng phẳng chữ nhật

2

hình 2b, c

ủa hàng th

àn bộ mảng ta có ma trận đa tạp [ ( )

chúng ta có th

ma tr ⋯

Minh, …, N C

ấu trúc h

b, c

àng th

(

ộ mảng ta có ma trận đa tạp ( ) ⋮

chúng ta có thể định nghĩa một véc t

1 giá tr

ma trận

⋯

Minh, …, N C

ấu trúc hình h

ạo búp sóng Chùm búp sóng tạo ra bởi mảng phẳng có nguồn âm tại vị trí

àng thứ m theo trục y của mảng phẳng

) =

ộ mảng ta có ma trận đa tạp ) ⋯

ể định nghĩa một véc t giá tr

ận các tr

Minh, …, N C Đại, “Một giải pháp cấu h

ình h

ạo búp sóng cho

ạo ra bởi mảng phẳng có nguồn âm tại vị trí

ứ m theo trục y của mảng phẳng

=

ộ mảng ta có ma trận đa tạp

⋯ ⋮

ể định nghĩa một véc t giá trị

( các tr ]

ại, “Một giải pháp cấu h

ình học

cho m

⋮

ể định nghĩa một véc t

( ) các trọng số của mảng ], v

ọc và

mảng căn cứ tr

, ờng hợp mảng phẳng đồng nhất v

(

((

( ) = ọng số của mảng ] vớì

và c

ảng phẳng chữ nhật N

ảng căn cứ tr

, ờng hợp mảng phẳng đồng nhất với

( (

⋯ )

(

ọng số của mảng

ì hà

chùm búp sóng m

N x M

ảng căn cứ tr

ới d

⋯ )

( ) ]

(

⋯ ọng số của mảng àng

hùm búp sóng m

M hydrophone

ảng căn cứ tr

d x = d

)

( ) ]T ,

( )

⋯ ( ọng số của mảng

ng th

hùm búp sóng m

hydrophone ảng căn cứ tr

= d y

)

) ] véc tơ

ể định nghĩa một véc tơ t

) ) ọng số của mảng

thứ m

hùm búp sóng m

hydrophone ảng căn cứ trên véc tơ đa t

∗

=2

y = λ/2

)

ộ mảng ta có ma trận đa tạp v

] véc tơ

ơ tổng quát bằng cách xếp lần l

ọng số của mảng

m

ại, “Một giải pháp cấu hình m

hùm búp sóng m

hydrophone

ên véc tơ đa t

2

= λ/2

với N

véc tơ ổng quát bằng cách xếp lần l

ọng số của mảng phẳng ta có

K

ình mảng… tạo búp sóng t

hùm búp sóng m

hydrophone

ên véc tơ đa t

= λ/2 và

ới N x M

véc tơ = ổng quát bằng cách xếp lần l

ẳng ta có

=

ảng… tạo búp sóng t

hùm búp sóng mảng phẳng

hydrophone, xây d

ên véc tơ đa t

và N

= ổng quát bằng cách xếp lần l

ẳng ta có

=

ỹ thuật điều khiển & Điện tử

ảng phẳng

xây d

ên véc tơ đa t

N x

đư

hydrophone

ổng quát bằng cách xếp lần l

ẳng ta có

⋯

ảng phẳng

xây dựng mô h

ên véc tơ đa tạp v

x M =

được tính bằng

hydrophone

ẳng ta có

, ,

⋯ ,

ảng phẳng

ựng mô h

ạp v

M =

ợc tính bằng

hydrophone

ảng phẳng 5x7

ựng mô h

ạp và t

M = 5 x

ợc tính bằng

hydrophone

7

ựng mô h

à tập trọng số

x 7

ợc tính bằng

hydrophone như sau:

ảng… tạo búp sóng tùy bi

ựng mô hình tính

ập trọng số

ạo ra bởi mảng phẳng có nguồn âm tại vị trí p(r,θ,

ta có

ợc tính bằng

như sau:

ùy biến.

ình tính

ập trọng số

p(r,θ,

ta có

như sau:

ổng quát bằng cách xếp lần lư

(10

(11

ến.”

ình tính

ập trọng số

p(r,θ,ϕ)

(7)

ta có

(8)

như sau:

(9) ượt

10)

11)

”

ình tính

ập trọng số

)

Trang 5

Nghiên c

Tạp chí Nghi

là

2.3 T

m

có hư

W

hi

ph

B(ψ

ho

búp sóng ph

m

cho m

lần lặp

hydrophone

hư

hạn chế l

Nghiên c

ạp chí Nghi

Ta có

là dạng tổng quan để thiết kế một mảng phẳng

2.3 T

G

mảng

có hư

W để

hiệu mong muốn

Th

phẳng

Bư

B(ψ x )

Bư

B(ψ x )

Các không gian

hoạt

búp sóng ph

một h

cho m

ần lặp

Tạo búp sóng với mẳng phẳng

hydrophone

Đ

ướng theo trục

ạn chế l

Nghiên c

ạp chí Nghi

Ta có

ạng tổng quan để thiết kế một mảng phẳng

2.3 Tạo búp sóng

Giải pháp

ảng ch

có hướng

ể thi

ệu mong muốn

Thật vậy

ẳng theo

Bước 1

)

Bước 2

) như tín hi

Các không gian

cảm biến v

búp sóng ph

ột hướng khác

cho mảng bằng cách

ần lặp theo đi

ạo búp sóng với mẳng phẳng

hydrophone

Đối với mảng phẳng cho ở

ớng theo trục

ạn chế l

ạp chí Nghi

Ta có

ạo búp sóng

ải pháp

chữ nhật để h

ớng và đ

thiết kế

ệu mong muốn

ật vậy

theo

ớc 1

ớc 2

như tín hi

Các không gian

ảm biến v

búp sóng ph

ớng khác

ảng bằng cách

theo đi

hydrophone

ối với mảng phẳng cho ở

ớng theo trục

ạn chế là không t

ứu khoa học công nghệ

ạp chí Nghiên c

ạo búp sóng

ải pháp

ữ nhật để h

và đ

ết kế

ệu mong muốn

ật vậy,

theo hai bư

ớc 1: T

ớc 2: T

như tín hi

Các không gian

ảm biến v

búp sóng phụ, quay búp sóng chính

ớng khác

ảng bằng cách

theo đi

hydrophone

ớng theo trục

à không t

ên cứu KH&CN

( ạng tổng quan để thiết kế một mảng phẳng

ạo búp sóng

mới

ữ nhật để h

và đặc tính thu

ết kế đặc tính của mảng th

ệu mong muốn

từ

hai bư

Tạo búp sóng với mảng thẳng theo trục

Tạo các mảng búp sóng 1 lần theo trục

như tín hiệu đầu v

Các không gian

ảm biến v

ụ, quay búp sóng chính

ớng khác

ảng bằng cách

theo điều kiện môi tr

ớng theo trục

à không t

ứu KH&CN

( ) ạng tổng quan để thiết kế một mảng phẳng

ạo búp sóng

ới bài báo

ữ nhật để h

ặc tính thu

ặc tính của mảng th

ệu mong muốn tốt nhất

biểu thức hai bước

ạo búp sóng với mảng thẳng theo trục

ạo các mảng búp sóng 1 lần theo trục

ệu đầu v Các không gian

ảm biến và t

ớng khác…

ảng bằng cách

ều kiện môi tr

ớng theo trục z và b

à không tạo búp sóng chính theo trục

ứu KH&CN

( ) = ạng tổng quan để thiết kế một mảng phẳng

ạo búp sóng tùy bi

bài báo

ữ nhật để hình thành m

ặc tính thu

ốt nhất

ểu thức

ớc

ệu đầu v

Các không gian V

à tạo các đáp ứng của mảng theo

… Tại đây ảng bằng cách

ều kiện môi tr

và b

ạo búp sóng chính theo trục

ứu KH&CN

) ạng tổng quan để thiết kế một mảng phẳng

tùy bi

bài báo ình thành m

ặc tính thu

ốt nhất

ểu thức

ớc

ệu đầu vào đư

và

ạo các đáp ứng của mảng theo

ại đây tính toán

ều kiện môi tr

Hình

và bị giới hạn trong không gian 0 <

ứu KH&CN quân s

tùy biến dựa tr

bài báo đ ình thành m

ặc tính thu mong mu

ốt nhất

ểu thức (

ệu đầu vào đư

và W

ại đây tính toán

ều kiện môi tr

Hình

ị giới hạn trong không gian 0 <

uân s

, ạng tổng quan để thiết kế một mảng phẳng

ến dựa tr

đề xuất ình thành m mong mu

(7) ho

ào được

W có th

ại đây, có th tính toán

ều kiện môi trường

Hình

uân sự, Số

[

ến dựa tr

ề xuất ình thành một cấu trúc h mong mu

) ho

ợc

có th

có th tính toán thay đ

ờng

Hình 3 B

ối với mảng phẳng cho ở hình 3

ự, Số

]

= ạng tổng quan để thiết kế một mảng phẳng

ến dựa trên

ề xuất là kích ho

ột cấu trúc h mong muốn

ặc tính của mảng thành

) hoặc

ợc B(ψ

có thể áp dụng ri

có thể áp dụng các thay đ

ờng

ạo búp sóng với mẳng phẳng 5

Búp sóng m

hình 3

ự, Số 54, 04

=

ên

là kích ho

ột cấu trúc h ốn, ành

ặc (13

B(ψ x ,ψ

ể áp dụng ri

ụ, quay búp sóng chính, tăng cư

ể áp dụng các thay đổi

5x5 v

úp sóng m

hình 3

54, 04

⎣

⎢

⎡

mảng phẳng chữ nhật

là kích ho

ột cấu trúc h , đồng thời ành bộ lọc không gian 13)

,ψ y )

ể áp dụng ri

tăng cư

ể áp dụng các

ổi t

5 với

úp sóng m

hình 3 hư

54, 04- 20

⎣

⎢

⎡ ⋯

⋯

[ ạng tổng quan để thiết kế một mảng phẳng

ảng phẳng chữ nhật

là kích ho

ột cấu trúc h

ồng thời

ộ lọc không gian

có th

)

ể áp dụng ri

tăng cư

ể áp dụng các

tập trọng số trong

ới

úp sóng m

hướng quay của búp sóng chính của mảng

2018

⎡

⎦

⎥

⎤

] ạng tổng quan để thiết kế một mảng phẳng

là kích hoạt

ột cấu trúc hình h

ồng thời

có th

ể áp dụng riêng bi

tăng cường

ể áp dụng các

ập trọng số trong

ới dx = dy =

úp sóng mảng phẳng 5

ớng quay của búp sóng chính của mảng

ạo búp sóng chính theo trục y

18

⎦

⎥

⎤

N x

ạt tùy bi ình học ồng thời,

có thể thực hiện

êng bi

ờng ho

ể áp dụng các thu

dx = dy =

ảng phẳng 5

y ho

⎦

⎥

⎤

tùy bi

ọc nh kết

ể thực hiện

êng biệt tr

ạo các đáp ứng của mảng theo m

hoặc suy giảm thuật toán tạo búp sóng thích nghi

dx = dy =

ảng phẳng 5

hoặc tr

⎦

( hydrophone

tùy biến một tập nhất định

ết h

ể thực hiện

ạo búp sóng với mảng thẳng theo trục x

ạo các mảng búp sóng 1 lần theo trục y

ệt tr một y

ặc suy giảm

ật toán tạo búp sóng thích nghi

dx = dy =

ảng phẳng 5

c tr

( ) hydrophone

ến một tập

ất định hợp sử dụng ma trận trọng số

ộ lọc không gian v

ể thực hiện

x với

bằng cách xử lý các véc t

ệt trên m

ột yêu c

ặc suy giảm

λ/2

ảng phẳng 5x5

ị giới hạn trong không gian 0 < θ < π/2

c trục

( ) hydrophone

ến một tập

ất định

ợp sử dụng ma trận trọng số với mục đích

ể thực hiện tạo búp sóng

ới N

ằng cách xử lý các véc t

ên mỗi mảng phẳng để

êu c

ặc suy giảm

ập trọng số trong không gian

λ/2 khi kích ho

5,

θ < π/2

ục x đư

( ) hydrophone

ến một tập

ất định để tạo đ

ợp sử dụng ma trận trọng số

ới mục đích

ạo búp sóng

N l

ằng cách xử lý các véc t

ỗi mảng phẳng để

êu cầu nhất định nh

ặc suy giảm

không gian khi kích ho

θ < π/2

được

hydrophone b

ến một tập hydrophone trong

ể tạo đ

ới mục đích

ạo búp sóng lần đ ằng cách xử lý các véc t

ầu nhất định nh

ặc suy giảm tín hi

θ < π/2 Điều n

ợc

bất kỳ

hydrophone trong

ể tạo đ

ới mục đích

ạo búp sóng

ần đư ằng cách xử lý các véc t

ầu nhất định nh tín hi

ều n

ất kỳ

hydrophone trong

ể tạo được

ới mục đích thu đư

ạo búp sóng

ược ằng cách xử lý các véc t

ầu nhất định nh tín hiệu thu

không gian khi kích hoạt tất cả các

ều này t

ất kỳ

hydrophone trong

ợc búp sóng

thu đư

ạo búp sóng cho m

ợc các ằng cách xử lý các véc t

ầu nhất định nh

ệu thu

không gian W

ạt tất cả các

ày tạo những

hydrophone trong

búp sóng

thu đư cho m các véc tơ ằng cách xử lý các véc t

ầu nhất định như ch

ệu thu đ

W sau m

ạo những

(12

(13

hydrophone trong

búp sóng

thu được tín cho mảng véc tơ ằng cách xử lý các véc t

ỗi mảng phẳng để kích

ư ch đến từ

sau m

ạo những

99

12)

13)

hydrophone trong

búp sóng

ợc tín ảng véc tơ ằng cách xử lý các véc tơ

kích

ư chặn

ến từ

sau mỗi

ạo những

99

)

hydrophone trong

búp sóng

ợc tín ảng véc tơ

ơ kích

ặn

ến từ

ỗi

ạo những

Trang 6

chính hư

đư

búp sóng chính theo tr

đư

hình

tạo ra các dạng mặt tr

kích ho

phù h

100

V

chính hư

được h

được các búp sóng nh

hình

ạo ra các dạng mặt tr

kích ho

phù h

Với

chính hư

ợc hư

ợc các búp sóng nh

hình đư

kích ho

phù hợp trong quan sát mục ti

ới hình 4

chính hướng về phía trục y v

ướng thu T

đường tr

kích hoạt mảng theo h

ợp trong quan sát mục ti

P.

hình 4

ớng về phía trục y v

ớng thu T

ờng tr

ạt mảng theo h

P H

hình 4 kích ho

ớng về phía trục y v

ớng thu T

ờng tròn, có

ạt mảng theo h

Minh, …, N C

kích ho ớng về phía trục y v

ớng thu T

òn, có

ạt mảng theo h

Minh, …, N C

Hình

kích ho ớng về phía trục y v

ớng thu Tương t

òn, có đư

ạt mảng theo h

Hình

Minh, …, N C

Hình

kích hoạt mảng phẳng th ớng về phía trục y v

ương t búp sóng chính theo trục x, ngo

ợc các búp sóng như mong mu

đường kính bằng độ lớn của mảng phẳng

ạo ra các dạng mặt tròn và

ạt mảng theo hình thang cho th

Hình

Minh, …, N C

Hình

Hình 5

ạt mảng phẳng th ớng về phía trục y v

ương tự nếu kích hoạt mảng theo trục y sẽ tạo ra đ

ục x, ngo

ư mong mu ờng kính bằng độ lớn của mảng phẳng

òn và ình thang cho th

Hình 6

Minh, …, N C

Hình

5 B

ạt mảng phẳng th ớng về phía trục y và tr

ự nếu kích hoạt mảng theo trục y sẽ tạo ra đ

ục x, ngo

ư mong mu ờng kính bằng độ lớn của mảng phẳng

òn và đư ình thang cho th

6 B

Minh, …, N C Đại, “Một giải pháp cấu h

Hình 4 B

Búp sóng m

ạt mảng phẳng th

à tr

ục x, ngo

ư mong mu ờng kính bằng độ lớn của mảng phẳng đường tr

ình thang cho th

ợp trong quan sát mục tiêu

Búp sóng m

Búp sóng m

úp sóng m

à trục z Nh

ục x, ngoài ra có th

ư mong muốn

ờng kính bằng độ lớn của mảng phẳng

ờng tr ình thang cho th

êu ở h

úp sóng m

ục z Nh

ài ra có th

ốn Hình 5 ờng kính bằng độ lớn của mảng phẳng

ờng tr ình thang cho th

ở hướng y

úp sóng m

úp sóng mảng

ạt mảng phẳng thành m

ục z Nh

ài ra có th Hình 5 ờng kính bằng độ lớn của mảng phẳng

ờng tròn có c ình thang cho thấy búp sóng chính theo trục y lớn v

ớng y

úp sóng mảng phẳng

úp sóng m

ảng

ành m

ục z Như v

ài ra có thể kích hoạt theo các đ Hình 5

òn có c

ấy búp sóng chính theo trục y lớn v ớng y

ảng phẳng

úp sóng mảng thẳng 1

ảng ph

ành m

ư vậy

ể kích hoạt theo các đ Hình 5 đư

òn có cấu trúc h

ấy búp sóng chính theo trục y lớn v

ảng phẳng

ảng thẳng 1

phẳng

ành mảng thẳng theo

ậy, m

ể kích hoạt theo các đ được kích hoạt theo dạng mảng phẳng ờng kính bằng độ lớn của mảng phẳng

ấu trúc h

ảng phẳng

ảng thẳng 1

ẳng đư

ảng thẳng theo mảng t

ể kích hoạt theo các đ

ợc kích hoạt theo dạng mảng phẳng ờng kính bằng độ lớn của mảng phẳng

ấu trúc h

ảng phẳng hình

ại, “Một giải pháp cấu hình m

ảng thẳng 1

đường

ảng thẳng theo ảng t

ấu trúc h

hình

K

ình mảng… tạo búp sóng t

ảng thẳng 1x5

ờng

ảng thẳng theo ảng tùy bi

ấu trúc hình h

hình thang

5

ờng tròn

ảng thẳng theo

ùy bi

ình h

thang

tròn.

ảng thẳng theo tr

ùy biến rất linh động đ

ợc kích hoạt theo dạng mảng phẳng ờng kính bằng độ lớn của mảng phẳng,

ình học khác nhau

thang

trục x, tạo búp sóng

ến rất linh động đ

ợc kích hoạt theo dạng mảng phẳng

, từ đây cũng có thể

ọc khác nhau

ục x, tạo búp sóng

ể kích hoạt theo các đường chéo để

ừ đây cũng có thể

ọc khác nhau

ờng chéo để

ọc khác nhau

ự nếu kích hoạt mảng theo trục y sẽ tạo ra được h

ờng chéo để

ọc khác nhau

ảng… tạo búp sóng tùy bi

ợc h ờng chéo để

ọc khác nhau Hình 6

ấy búp sóng chính theo trục y lớn và r

ùy biến.

ến rất linh động đư

ợc hướng ờng chéo để

Hình 6

à rộng,

ến.”

ược ớng ờng chéo để có

Hình 6 ộng,

”

ợc ớng

có

Hình 6 ộng,

Trang 7

Ngoài ra, có rất nhiều cấu trúc lệch hoặc cấu trúc cân bằng đối xứng khác có thể

tạo ra được từ mảng phẳng tùy biến ở trên (Hình 7)

Hình 7 Cấu trúc hình học của một số mảng phẳng

Như vậy, dựa trên công thức tính toán để thiết kế mảng phẳng, giải pháp bài báo đưa ra có thể tùy biến một mảng phẳng dựa trên việc kích hoạt các hydrophone trong mảng để tạo thành một mảng phẳng bất kỳ và tạo búp sóng cho mảng đó đến hướng mong muốn Trong những trường hợp quan sát mục tiêu cụ thể cần có những tính toán để chọn lựa về cấu trúc hình học của mảng sao cho tối ưu nhất

3 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG 3.1 Tính toán mảng để tăng cường tín hiệu thu khi mục tiêu tiếp cận gần

Xét mảng thẳng gồm 30 hydrophone, theo đó để quan sát mục tiêu xâm nhập từ phía xa tiến vào gần mảng có thể tùy biến mảng như sau:

- 1 mảng thẳng ở giữa và 2 mảng tùy biến độc lập nhau xoay 10 độ (hình 10): Khi quan sát mục tiêu ở xa, trường tín hiệu đến mảng là song song, hai trường hợp đầu tiên đều quan sát tốt Khi mục tiêu đến gần thì cả hai mảng trên đều thu kém hơn rất nhiều Để tính toán độ suy giảm ta xét độ lớn của búp sóng chính tại góc mở 3dB (the half-power beamwidth, HPBW- Độ rộng nửa công suất)

Theo [4] độ rộng nửa công suất của búp sóng chính:

Với 3 mảng được thiết kế mỗi mảng 10 hydrophone cách nhau 50m (d = 50m) quan sát tần số f = 15Hz (λ = 100m), giả sử vận tốc âm trong nước c = 1500 m/s

Ta có HPBW ≈ 100 Vậy khoảng cách R = 550/ sin100 = 3167 m

- Một mảng thẳng gồm 30 hydrophone:

Độ lợi mảng G A = 30dBi

Hình vẽ mô phỏng cho thấy búp

sóng chính rất hẹp và nhọn, các búp

phụ bị triệt tiêu đi đáng kể, khi quan sát

mục tiêu ở xa thì tốt (hình 8)

- 3 mảng thẳng độc lập mỗi mảng 10

hydrophone thẳng hàng :

Độ lợi mảng G A = G 1 + G 2 + G 3 = 30

dBi

Mô phỏng cho thấy búp sóng chính to

hơn, các búp sóng phụ cũng tăng hơn vẫn

đảm bảo độ lợi thu (hình 9)

Hình 8 Búp sóng mảng thẳng

30 hydrophone

Trang 8

102

Như vậy, khi mục tiêu tiến vào gần mảng đến khoảng cách 3167m thì với

trường hợp 2 độ lợi sẽ giảm đi còn G A = G 1 /2+ G 2 + G 3 /2 dB càng vào gần thì độ

lợi càng giảm hơn nữa Với trường hợp 3 mảng tùy biến đã xoay đi 100 thì khi mục

tiêu vào gần vẫn đảm bảo độ lợi không đổi

Hình 9 Tạo búp sóng với 3 mảng thẳng độc lập 10 hydrophone

Hình 10 Tạo búp sóng với 1 mảng thẳng và 2 mảng xoay 10 o 10 hydrophone

3.2 Tùy biến mảng để thu tối ưu tín hiệu mong muốn

Mảng phẳng chữ nhật 3x10 hydrphone trong đó giả sử tín hiệu mong muốn đến

từ hướng 28o, tín hiệu tạp nhiễu đến từ hướng 62o và tạp ồn đến từ hướng 75o Tùy

biến mảng phẳng thành 3 mảng thẳng song song với nhau và xác định độ lợi thu

với 3 búp sóng chính quay hướng 28o Mô phỏng 3 mảng thẳng cấu hình khác nhau

để tính hướng 62o và 75o của mảng trong các trường hợp để xác định G min , G A (θ o )=

G 1 (θ o )+ G 2 (θ o )+ G 3 (θ o ) quy chuẩn độ lợi thu = 10 dBi cho mỗi mảng

Bảng 1 Tính G tại các góc hướng của mảng phẳng tùy biến

mảng thẳng

Góc búp sóng chính

G A (28 o )

dBi

G A (62 o )

dBi

G A (75 o )

dBi

Trang 9

9 10:10:10 28o:28o:28o 30 1.9791 2.4735

10 11:8:11 28o:28o:28o 30 1.9562 0.7255

11 12:6:12 28o:28o:28o 30 1.9407 2.8942

12 13:4:13 28o:28o:28o 30 1.4770 2.1124

13 14:2:14 28o:28o:28o 30 1.8366 2.1415

Số liệu mô phỏng từ bảng 1 cho thấy với hướng 62o Gmin = 0.95 trong trường hợp STT-14 tùy biến thành 2 mảng thẳng 15 hydrophone, với hướng 75o Gmin = 0.7255 ở trường hợp STT-10 mảng tùy biến thành 3 mảng số lượng 11:8:11 Vậy,

để thu với sự ảnh hưởng của nhiễu và tạp ồn là ít nhất chúng ta hoàn toàn xác định được cấu hình tùy biến tối ưu

3.3 Tùy biến mảng để giám sát đồng thời đa mục tiêu

Mảng phẳng chữ nhật kích thước 5x7 gắn đáy theo dõi đồng thời 2 mục tiêu từ các hướng khác nhau và sử dụng 1 búp sóng chính để rà quét phát hiện các mục tiêu khác Tùy biến mảng thành 3 mảng nhỏ; mảng thẳng 1x6 theo trục y, mảng thẳng 1x5 theo trục x, và một mẳng phẳng 4x6 theo mặt phẳng xy như hình 11- a

Hình 11 Tùy biến thành 3 mảng và búp sóng mảng phẳng 4x6

Trong các hệ thống sonar dưới nước việc đồng thời quan sát nhiều mục tiêu là tối cần thiết, với giải pháp đưa ra ở đây là hợp lý khi tùy biến tách mảng phẳng ra

thành 3 mảng nhỏ kết hợp với tính toán véc tơ trọng số w n của từng mảng để quay búp sóng chính theo hướng mục tiêu đã phát hiện

Trang 10

104

Hình 12 Búp sóng mảng thẳng 1x6 quay 180 o và 1x5 quay 25 o

Hình 11-b mảng 4x6 sử búp sóng chính hướng trục z và tính toán quay búp sóng

theo hướng z để quan sát phát hiện mục tiêu Trong trường hợp xuất hiện thêm

mục tiêu thì có thể tách mảng 4x6 thành các mảng nhỏ hơn để theo dõi đồng thời,

Hình 12 là mảng 1x6 có búp sóng chính hướng theo trục yz và điều khiển quay

sang hướng 180o và mảng 1.5 có búp sóng hướng theo trục xz được điều khiển

quan sát hướng 25o

4 KẾT LUẬN

Bài báo đã đưa ra cơ sở tính toán và giải pháp thiết kế mảng cảm biến thuỷ âm

phẳng có thể linh động thay đổi cấu trúc hình học bằng cách kích hoạt hoặc không

kích hoạt một số hydrophone, phân tách thành nhiều mảng con và kết hợp tính toán

véc tơ trọng số của mảng để điều khiển mềm quay được búp sóng theo hướng

mong muốn Với giải pháp này chúng ta có thể tùy biến tạo thành nhiều mảng nhỏ

để quan sát nhiều mục tiêu đồng thời, có thể tính toán được độ lợi thu của mảng tại

nhiều hướng khác nhau từ đó đưa ra phương án tối ưu trong thiết kế mảng Hướng

nghiên cứu tiếp theo của bài báo là tính toán thiết kế mảng tùy biến và xây dựng

thuật toán tạo búp sóng thích nghi mới phù hợp ứng dụng trong vùng nước nông

của Việt Nam, nâng cao tỷ số SNR cho mảng trong điều kiện phản xạ đa đường

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Yong Chen, Fang Wang, Jianwei Wan, Gang Li, “Convex Optimization Based

Robust Adaptive Beamforming for Underwater Sensor Array” Signal

Processing (ICSP), 2016 IEEE 13th International Conference

[2] M T Hossein, M S Hossain, M F Reza, “Performance analysis of acoustic

microphone array beamformer in the presence of interfering signal” IEEE

2016 2nd International Conference on Electrical, Computer &

Telecom-munication Engineering

[3] Hung Lai, Henry Cox, Kristine Bell, “Adaptive factored beamforming for

vector sensor arrays” Signals, Systems and Computers, 2008 42nd Asilomar

IEEE Conference on Oct 2008

[4] Harry L Van Trees, “Detection, Estimation, and Modulation Theory, Part IV

- Optimum Array Processing”, John Wiley & Sons, Inc., New York, 2002

[5] FROST, O L “An algorithm for linearly constrained adaptive array

Định dạng
Số trang	11
Dung lượng	1,31 MB