Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng mảng cảm biến thu tín hiệu thủy âm trong vùng biển nông

Mục tiêu nghiên cứu của luận án Nghiên cứu các giải pháp mới nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường, tạp nhiễu của môi trường lên mảng cảm biến của hệ thống sonar thụ động theo

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS PHAN TRỌNG HANH

2 TS VŨ VĂN BINH

Hà Nội - 2020

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng 06 năm 2020

TÁC GIẢ

MỤC LỤC

Trang

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ x

MỞ ĐẦU 1

1 CHƯƠNG 1: MẢNG CẢM BIẾN THỦY ÂM VÀ VẤN ĐỀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG MẢNG Ở VÙNG BIỂN NÔNG 5

1.1 Tổng quan mảng cảm biến thủy âm 5

1.1.1 Mô hình mảng cảm biến 5

1.1.2 Mảng cảm biến và hệ thống sonar thủy âm thụ động 7

1.2 Vùng biển nông và các đặc trưng cơ bản 12

1.2.1 Khái niệm vùng biển nông 12

1.2.2 Hiệu ứng phản xạ đa đường trong vùng biển nông 12

1.2.3 Ảnh hưởng tham số của biển nông đến chất lượng của hệ thống sonar thủy âm thụ động 16

1.3 Một số giải pháp nâng cao chất lượng mảng cảm biến 17

1.3.1 Tối ưu hóa cấu trúc hình học của mảng 17

1.3.2 Kỹ thuật tạo búp sóng mảng cảm biến 19

1.3.3 Xử lý tín hiệu mảng cảm biến 20

1.4 Vấn đề nâng cao chất lượng mảng cảm biến thủy âm và hướng nghiên cứu của luận án 22

1.4.1 Các nghiên cứu liên quan đã công bố 22

1.4.2 Yêu cầu và hướng nghiên cứu của luận án 27

1.4.3 Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án 29

1.5 Kết luận chương 1 30

2 CHƯƠNG 2: GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU

TRÊN CƠ SỞ TẠO BÚP SÓNG MẢNG TÙY BIẾN 31

2.1 Kỹ thuật tạo búp sóng mảng cảm biến 31

2.1.1 Tạo búp sóng với mảng thẳng 33

2.1.2 Tạo búp sóng mảng cảm biến có cấu trúc hình học khác nhau 41

2.2 Tạo búp sóng thích nghi cho mảng cảm biến 47

2.2.1 Mô hình và phương pháp tạo búp sóng thích nghi 47

2.2.2 Tạo búp sóng thích nghi Frost 49

2.3 Giải pháp xử lý đa đường trên cơ sở tạo búp sóng mảng tùy biến 52

2.3.1 Tạo búp sóng tùy biến với mảng phẳng 52

2.3.2 Tính toán và tùy biến mảng để giảm ảnh hưởng đa đường 56

2.4 Đánh giá hiệu quả phương pháp tạo búp sóng mảng tùy biến 60

2.4.1 Triệt giảm tạp ồn của tín hiệu 60

2.4.2 Nâng cao độ lợi tín hiệu với mảng tùy biến 65

2.5 Kết luận chương 2 66

3 CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU MẢNG CẢM BIẾN THỦY ÂM TRONG VÙNG BIỂN NÔNG 68

3.1 Xây dựng giải pháp 68

3.1.1 Mô hình xử lý tín hiệu 68

3.1.2 Đề xuất giải pháp xử lý tín hiệu 69

3.2 Phân tích các phần tử độc lập ICA với mảng tùy biến 72

3.2.1 Kỹ thuật phân tích các phần tử độc lập ICA 72

3.2.2 Xử lý tín hiệu ICA nâng cao chất lượng định vị mục tiêu 76

3.3 Giải tích chập mù đa kênh 85

3.3.1 Mô hình giải tích chập mù đa kênh 85

3.3.2 Điều kiện giải tích chập mù đa kênh cho mảng cảm biến 88

3.3.3 Ứng dụng mạng nơ ron truyền thẳng để giải tích chập mù 89

3.3.4 Huấn luyện mạng FFNNs tách tín hiệu mong muốn 92

3.3.5 Mô phỏng xử lý tín hiệu đa đường với FFNNs 94

3.4 Đánh giá hiệu quả giải pháp xử lý tín hiệu phức hợp 98

3.4.1 Nâng cao tỷ số SNR và độ lợi sau xử lý ICA 98

3.4.2 Nâng cao SNR và độ lợi sau xử lý với mạng nơ ron FFNNs 99

3.5 Kết luận chương 3 100

KẾT LUẬN 101

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 104

TÀI LIỆU THAM KHẢO 105

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

r, 𝑟 Khoảng cách tương đối của cảm biến và nguồn âm

𝑧 𝑟 , 𝑡 Trường áp suất âm (đầu vào của bộ cảm biến)

𝑥 𝑟 , 𝑡 Đáp ứng không gian thời gian tín hiệu đầu ra

𝑦 𝑟 , 𝑡 Nguồn âm

Ψ 𝑟 , 𝑡 Đáp ứng môi trường nước

ω, 𝑘 , t Tần số, số sóng đến và thời gian

δ, d Khoảng cách giữa các cảm biến

A s (f i ) Mật độ phổ công suất của s(t i )

𝐷 𝑓, θ, ϕ Véc tơ quay của búp sóng chính

𝜎𝑛2 𝑓𝑖 Mật độ phổ công suất của nhiễu

S Ma trận tương quan tín hiệu ( 𝑺 𝑓𝑖, θ, ϕ )

R(f i ) Không gian ma trân tương quan của nhiễu

 D mt

 D tn

∆𝑓𝑚𝑡 Băng thông của máy thu

𝐯𝐤(𝐤) Véc tơ đa tạp của mảng ( 𝑦(𝑡, 𝐤) = 𝒘𝐻𝐯𝐤(𝐤)𝑒𝑗𝜔𝑡 )

𝐵𝜃 𝜃 Búp sóng trong không gian θ ( 𝐵𝜃 𝜃 = 𝐰𝐻𝐯𝜃 𝜃 )

𝑾 Trọng số của mảng (𝒘𝐻 )

ϒ.𝜓 𝜓 Hàm của tần số sóng trong không gian ψ

N x M Số lượng hydrophone trong mảng

BWNN Độ rộng búp tính từ điểm = 0 đến điểm = 0 của búp

chính (Beamwith Null to Null)

ADC Chuyển đổi tương tự số

A-NL Tạp âm môi trường xung quanh (Ambient - Noise

Level) ATR Kỹ thuật đảo thời gian nhân tạo (Artificial Time

Reversal)

BD Giải tích chập mù (Blind Deconvolution)

DEMON Giải điều chế tách sóng đường bao (Demodulation

of Envelope Modulation On Noise)

DI Chỉ số định hướng thu (Receiving Directivity

Index) DSP Xử lý tín hiệu số (Digital Sig nal Processing)

DT Xác lập ngưỡng phát hiện (Detection Threshold) FFNWs Mạng nơ ron đường tiến, hoặc lan truyền tiến

(Feed-Forward Neural Networks) FFT Biến đổi Fourier nhanh

FIR Đáp ứng xung hữu hạn (Finite Impulse Response) GSC Triệt búp sóng phụ (Generalized sidelobe canceller) HDPR Đo xa thụ động trực tiếp theo phương ngang

(Horizontal Direct Passive Ranging) HPBW Độ rộng nửa công suất (half-power beamwidth) ICA Phân tích các phần tử độc lập (Independent

Components Analysis) IIR Đáp ứng xung vô hạn (Infinite Impulse Response) LCMV Ràng buộc tuyến tính với phương sai nhỏ nhất

(Linearly Constrained Minimum Variance) LMS Trung bình bình phương tối thiểu

LOFAR Phân tích và ghi âm tần số tín hiệu thủy âm

(Low-Frequency Analysis and Recording) LTI Tuyến tính bất biến theo thời gian (Linear Time

Invariant) MBD Giải tích chập mù đa kênh (Multi-Channel Blind

Deconvolution) MISO Nhiều đầu vào một đầu ra (Multi Input Single

Output) MVDR Đáp ứng không méo với phương sai nhỏ nhất

(Minimum Variance Distortionless Response) SIMO Một đầu vào nhiều đầu ra (Single Input Multi

Output) SINR Tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng với tạp âm (Signal to

Interference plus Noise Ratio)

SL Mức công suất phát của nguồn âm (Projector

Source Level)

SL Mức công suất phát ra từ mục tiêu (Taget Source

Level) S-NL Mức tạp âm nội bộ của thiết bị (Seft - Noise Level) SNR Tỷ số tín hiệu tạp âm

STR Kỹ thuật đồng bộ đảo thời gian (Synthetic Time

Reversal)

TDOA Thời điểm khác nhau của sóng tới (Time Diffirence

Of Arrivals) TL(PL) Suy hao đường truyền kênh âm (Transmission Loss/

Propagation Loss) ULA Mảng thẳng cách đều (Uniform Linear Arrays)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 2.1: Các kỹ thuật tạo búp sóng thông thường 33

Bảng 2.2: Tính HPBW trong các không gian khác nhau 41

Bảng 2.3: Các kỹ thuật tạo búp sóng thích nghi 47

Bảng 2.4: Độ lợi G A tại các góc hướng của mảng phẳng tùy biến 58

Bảng 2.5: Độ lợi của mảng thường ULA theo 3 góc tới của tín hiệu 66

Bảng 2.6: Độ lợi của mảng phẳng tùy biến theo 3 góc tới của tín hiệu 66

Bảng 3.1: Vị trí các cụm hydrophone 83

Bảng 3.2: Tính toán định vị mục tiêu 1 84

Bảng 3.3: Tính toán định vị mục tiêu 2 84

Bảng 3.4: Tính toán định vị mục tiêu 3 85

Bảng 3.5: Tính toán tỷ số SNR để xác định độ lợi sau xử lý ICA 99

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1: Mô hình thu tín hiệu không gian thời gian của mảng cảm biến 6

Hình 1.2: Mô hình cấu trúc hệ thống sonar thủy âm thụ động 8

Hình 1.3: Hiệu ứng đa đường ở vùng biển nông 13

Hình 1.4: Mô phỏng hiệu ứng đa đường với 5 tia âm 15

Hình 1.5: Tín hiệu xung bị ảnh hưởng đa đường 15

Hình 1.6: Búp sóng mảng thẳng có 5 phần tử 19

Hình 1.7: Sơ đồ khối hệ thống xử lý tín hiệu mảng cảm biến 20

Hình 1.8: Mô hình giải tích chập mù sử dụng mạng nơ ron 21

Hình 1.9: Mô hình xử lý tín hiệu nâng cao chất lượng mảng cảm biến 29

Hình 2.1: Mảng cảm biến và tạo búp sóng cho mảng 31

Hình 2.2: Mảng thẳng bố trí theo trục z 33

Hình 2.3: Búp sóng mảng thẳng ϒ(ψ): ψ = 2𝜋𝜆𝑑 𝑐𝑜𝑠𝜃, 𝑁 = 11 37

Hình 2.4: Búp sóng mảng thẳng |ϒ(ψ)| theo dB 38

Hình 2.5: Búp sóng mảng thẳng |ϒ(ψ)| tính theo hàm loga (dB) 38

Hình 2.6: Búp sóng mảng thẳng ϒ(ψ) vẽ trong tọa độ cực (dB) 39

Hình 2.7: Búp sóng mảng thẳng ϒ(ψ) vẽ trong không gian 3D 39

Hình 2.8: Độ rộng búp sóng chính 40

Hình 2.9: Búp sóng mảng tròn khi quay 0 o 43

Hình 2.10: Búp sóng mảng tròn khi quay 45 o 43

Hình 2.11: Búp sóng mảng phẳng 5x5 quay 0 o 44

Hình 2.12: Búp sóng mảng phẳng 5x5 quay 45 o 44

Hình 2.13: Búp sóng mảng trụ tròn 5x10 quay 0 o 45

Hình 2.14: Búp sóng mảng trụ tròn 5x10 quay 30 o 45

Hình 2.15: Búp sóng mảng cầu 42 phần tử quay [0,0] o 46

Hình 2.16: Búp sóng mảng cầu 42 phần tử quay [30,25] o 46

Hình 2.17: Mô hình tạo búp sóng thích nghi của B Widrow [39] 48

Hình 2.18: Thuật toán tạo búp sóng Frost 49

Hình 2.19: Tạo búp sóng thích nghi với thuật toán Frost 52

Hình 2.20: Cấu trúc hình học và chùm búp sóng mảng phẳng 5x7 53

Hình 2.21: Búp sóng mảng thẳng 1x5 54

Hình 2.22: Búp sóng mảng phẳng đường tròn 55

Hình 2.23: Búp sóng mảng phẳng hình thang 55

Hình 2.24: Cấu trúc hình học của một số mảng phẳng 56

Hình 2.25: Búp sóng mảng thẳng 30 hydrophone 56

Hình 2.26: Tạo búp sóng với 3 mảng thẳng độc lập 10 hydrophone 57

Hình 2.27: Tạo búp sóng với 1 mảng thẳng và 2 mảng xoay 10 o 57

Hình 2.28: Tùy biến thành 3 mảng và búp sóng mảng phẳng 4x6 60

Hình 2.29: Búp sóng mảng thẳng 1x6 quay 180 o và 1x5 quay 25 o 60

Hình 2.30: Một số tín hiệu âm thanh dưới nước sử dụng để mô phỏng 61

Hình 2.31: Mảng thường ULA và mảng phẳng tùy biến 62

Hình 2.32: Tín hiệu hỗn hợp thu tại cảm biến bất kỳ 62

Hình 2.33: Tạo búp sóng Delay and Time mảng ULA góc S 1 [-30 O , 0 O ] 63

Hình 2.34: Tạo búp sóng Delay and Time mảng tùy biến góc S 1 [-30 O , 0 O ] 63

Hình 2.35: Tạo búp sóng thích nghi Frost mảng ULA góc S 1 [-30 O , 0 O ] 64

Hình 2.36: Tạo búp sóng thích nghi Frost mảng tùy biến góc S 1 [-30 O , 0 O ] 64

Hình 3.1:Mô hình giải pháp xử lý tín hiệu mảng cảm biến 68

Hình 3.2: Lưu đồ thuật giải thuật xử lý tín hiệu 70

Hình 3.3: Lưu đồ giải thuật tạo búp sóng mảng tùy biến 71

Hình 3.4: Phân tách hỗn hợp âm thành các nguồn âm riêng biệt 75

Hình 3.5: Mảng cảm biến định vị mục tiêu 78

Hình 3.6: Xác định TDOA của tín hiệu thuỷ âm đến các hydrophone 81

Hình 3.7: Mô hình ICA để định vị đa mục tiêu 82

Hình 3.8: Cấu hình mảng cảm biến 83

Hình 3.9: Tách hỗn hợp âm thanh mục tiêu thành các nguồn âm độc lập 84

Hình 3.10: Mô hình minh họa giải tích chập mù đa kênh 87

Hình 3.11: Cấu trúc hình học mạng nơ ron FFNWs 90

Hình 3.12: Hướng của hai luồng tín hiệu trong một lớp tri giác 91

Hình 3.13: Biểu đồ tín hiệu thuật toán truyền có phản hồi 93

Hình 3.14: Tín hiệu đa đường với 10 tia trong kênh thủy âm 95

Hình 3.15: Tín hiệu xung phát 96

Hình 3.16:Tín hiệu ảnh hưởng bởi hiệu ứng đa đường 96

Hình 3.17: Các mẫu huấn luyện và mẫu tín hiệu đưa vào mạng nơ ron 97

Hình 3.18: Tín hiệu sau khi xử lý bằng mạng nơ ron 97

Hình 3.19: Tín hiệu miền tần số 99

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Biển đặc biệt quan trọng đối với quốc phòng an ninh, với phát triển kinh tế xã hội và hội nhập với thế giới Tất cả các quốc gia có biển đều phải

có phương án và giải pháp bảo vệ an toàn vùng biển, vùng đảo, vùng lãnh hải hợp pháp của mình Bảo vệ an toàn các căn cứ quân sự ven biển và các quần đảo trên biển, phát hiện nhận dạng mục tiêu để phòng chống các mục tiêu dưới nước xâm nhập từ biển là rất cấp thiết

Đất nước Việt Nam là một nước đang phát triển và yêu chuộng hoà bình, vũ khí khí tài trang bị cho quân đội chủ yếu để phòng thủ và bảo vệ chủ quyền Việc phát hiện và cảnh giới bờ biển từ xa nhằm chống xâm nhập của các mục tiêu dưới nước bảo vệ các căn cứ quân sự ven biển, phục vụ tác chiến cho người chỉ huy là rất quan trọng và phù hợp với chủ trương chung của Đảng và Nhà Nước ta Phát hiện và cảnh báo sớm các mục tiêu dưới nước nhằm bảo vệ vùng biển là một chiến lược quân sự cần thiết, các quốc gia có biển thường bố trí các hệ thống thu thuỷ âm riêng biệt hoặc bố trí nhiều hệ thống các sonar thụ động và chủ động trên toàn bộ khu vực cần bảo vệ thuộc lãnh hải của mình

Vùng biển Việt Nam phần lớn là vùng biển nước nông, do vậy chịu nhiều sự tác động của môi trường đến chất lượng thu tín hiệu thủy âm của các

hệ thống sonar, điển hình là hiệu ứng đa đường do tín hiệu bị phản xạ nhiều lần giữa tầng đáy và bề mặt đại dương trước khi đến bộ thu, một đặc trưng nữa là tạp ồn của vùng biển nông cũng cao do chịu nhiều tác động của các nguồn gây nhiễu tự nhiên và nhân tạo Do vậy, việc nghiên cứu các giải pháp nâng cao chất lượng tín hiệu thu được từ các hệ thống sonar có ý nghĩa quan trọng trong việc phát hiện mục tiêu, nó quyết định đến khả năng quan sát và cảnh báo sớm các nguy cơ tiềm ẩn dưới nước

Các hệ thống quan trắc cảnh giới và phòng thủ bờ biển, các giải pháp chống xâm nhập từ biển, phát hiện tàu ngầm, tàu nổi và cảnh báo sớm mục

tiêu dưới nước của các quốc gia trên thế giới đều tuyệt mật, không bao giờ được công bố, không bao giờ chuyển giao

Trên thế giới có rất nhiều hệ thống trinh sát thuỷ âm hiện đại sử dụng trong quân sự được phát triển bởi nhiều hãng khác nhau Tuy nhiên việc thương mại hóa và chuyển giao công nghệ là một việc vô cùng khó khăn bởi

bị ràng buộc bởi nhiều yếu tố như chính trị, ngoại giao và nhiều vấn đề nhạy cảm khác Bên cạnh đó các kết quả nghiên cứu về công nghệ thuỷ âm, sonar dưới nước có liên quan đến vũ khí quân sự, liên quan đến kỹ thuật phòng thủ cảnh giới cũng như tấn công các mục tiêu dưới nước đều được giữ bí mật, không được công bố

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Nghiên cứu các giải pháp mới nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường, tạp nhiễu của môi trường lên mảng cảm biến của hệ thống sonar thụ động theo dõi đồng thời nhiều mục tiêu trong vùng biển nông: Giải pháp tùy biến cấu hình hình học của mảng cảm biến nhằm tăng độ lợi của mảng trên các hướng quan tâm; giải pháp khử đa đường bằng kỹ thuật giải tích chập mù; giải pháp phân tích tín hiệu thu được thành các thành phần độc lập ứng với các mục tiêu khác nhau, từ đó nâng cao chất lượng phát hiện, định

vị mục tiêu

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là cấu trúc và phương pháp xử lý tín hiệu mảng cảm biến thuỷ âm trong các tổ hợp khí tài sonar thụ động gắn cố định trên tàu hoặc các hệ sonar phát hiện định vị mục tiêu dạng phao thủy âm thụ động dùng trong vùng biển nông

Phạm vi nghiên cứu bao gồm: Nghiên cứu đặc tính của vùng biển nông

và ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường đến tín hiệu thu của hệ thống định vị thủy âm thụ động; Nghiên cứu xây dựng các giải pháp nâng cao chất lượng tín hiệu thu của mảng cảm biến thuỷ âm trên cơ sở lựa chọn mô hình cấu trúc phù hợp kết hợp với kỹ thuật tạo búp sóng tùy biến thích nghi, làm tăng độ lợi của mảng cảm biến thủy âm; Nghiên cứu xây dựng giải pháp giảm thiểu ảnh

hưởng đa đường và tạp âm môi trường đến tín hiệu thu, làm tăng tỷ số SNR của tín hiệu, từ đó nâng cao chất lượng phát hiện mục tiêu trong vùng biển nông

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu đã được sử dụng bao gồm: phân tích lý thuyết, xây dựng các mô hình toán học, sử dụng các công cụ mô phỏng Matlab, Simulink và thiết bị phòng thí nghiệm để kiểm chứng và thực nghiệm các giải pháp đề xuất

5 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của luận án

Việc nghiên cứu nâng cao chất lượng của mảng cảm biến thủy âm dùng cho hệ thống và thiết bị định vị thụ đồng các mục tiêu phát xạ thủy âm dưới nước được thực hiện trên cơ sở giải pháp về cấu trúc và xử lý tín hiệu thủy âm đối với vùng biển nông là giải quyết yêu cầu khoa học và yêu cầu thực tiễn hiện nay

Kết quả nghiên cứu của luận án với việc đề xuất một giải pháp về cấu trúc mảng và tạo búp sóng tùy biến thích nghi và một giải pháp xử lý tín hiệu thủy âm phức hợp trên cơ sở kết hợp hai kỹ thuật xử lý tín hiệu ICA và MBD

sẽ đóng góp thêm về mặt lý luận đối với lĩnh vực định vị thủy âm Đồng thời các kết quả nghiên cứu này đã gắn với những điều kiện và đặc điểm của vùng biển Việt Nam, do vậy sẽ là cơ sở và định hướng tốt khi thiết kế hệ thống hoặc thiết bị định vị thủy âm tại vùng biển Việt Nam phục vụ an ninh quốc phòng

6 Nội dung nghiên cứu của luận án

Theo như hiểu biết của NCS thì hiện nay có rất nhiều các đề tài, luận án nghiên cứu cải tiến vũ khí dưới nước, nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị thuỷ

âm Nhưng chưa có công trình nghiên cứu chuyên sâu nào liên quan đến nâng cao chất lượng mảng cảm biến thuỷ âm trong vùng biển nông theo giải pháp kết hợp thay đổi cấu trúc hình học và xử lý tín hiệu thủy âm Trong tương lai, việc xây dựng được các phương pháp đo lường thủy âm và kết hợp xử lý mảng cảm biến trong vùng biển Đông của Việt Nam có ý nghĩa quan trọng

trong phát triển khoa học công nghệ biển Do đó, việc nghiên cứu các giải pháp xử lý mảng đang là vấn đề thách thức đã và đang được nhà khoa học trong nước quan tâm Vì vậy, nghiên cứu xây dựng các giải pháp và thuật toán nâng cao độ lợi của mảng, tỷ số SNR của tín hiệu kết hợp với mô phỏng

thực nghiệm là những nội dung chính của luận án tiến sĩ kỹ thuật “Nghiên

cứu giải pháp nâng cao chất lượng mảng cảm biến thu tín hiệu thủy âm trong vùng biển nông”

7 Bố cục của luận án

Luận án được bố cục gồm phần mở đầu, phần nội dung trình bày thành

3 chương; chương 1 tổng quan và 2 chương nội dung kết quả nghiên cứu chính và phần kết luận

Chương 1 của luận án giới thiệu tổng quan về mảng cảm biến thủy âm,

mô hình hệ sonar thủy âm thụ động và một số các tham số tác động vào độ chính xác phát hiện, định vị, các tham số ảnh hưởng đến chất lượng mảng cảm biến Nêu đặc trưng của biển nông ảnh hưởng đến truyền sóng âm như hiệu ứng đa đường tác động vào mảng cảm biến, các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến hướng nghiên cứu; từ đó đề ra hướng nghiên cứu của luận án

Chương 2 đề xuất cấu trúc hình học mảng cảm biến và giải pháp tạo búp sóng tùy biến Đưa ra cơ sở toán học và mô hình của mảng, xử lý tín hiệu tạo búp sóng tùy biến kết hợp điều khiển quay búp sóng chính mảng cảm biến

để nâng cao độ lợi của mảng, đây là cơ sở để tính toán mô phỏng thực nghiệm

1 CHƯƠNG 1: MẢNG CẢM BIẾN THỦY ÂM VÀ VẤN ĐỀ NÂNG

CAO CHẤT LƯỢNG MẢNG Ở VÙNG BIỂN NÔNG 1.1 Tổng quan mảng cảm biến thủy âm

Mô hình cơ bản của mảng cảm biến được thể hiện trong Hình 1.1, trong

đó xử lý tín hiệu mảng được minh họa hai chiều (2D) liên quan đến phân tích phổ thời gian và không gian Việc xử lý thời gian cung cấp các đặc tính phổ tần số được sử dụng để phát hiện phân loại mục tiêu, quá trình xử lý không gian cung cấp các thông tin về đặc tính định hướng (hướng, khoảng cách…) của một tín hiệu được phát hiện Do đó, xử lý không gian - thời gian là khái niệm xử lý cơ bản trong hệ thống sonar và siêu âm dưới nước [33]

1.1.1 Mô hình mảng cảm biến

Nguồn âm được quan tâm trong sonar và siêu âm là các ứng dụng băng hẹp và băng rộng thỏa mãn phương trình truyền sóng trong [31],[37], hơn nữa các thuộc tính không gian thời gian của chúng có thể tách rời độc lập được Bởi vậy việc đo trường áp 𝑧 𝑟 , 𝑡 được kích thích bởi các nguồn âm có thể xác định đáp ứng không gian thời gian 𝑥 𝑟 , 𝑡 Véc tơ 𝑟 là vị trí tương đối của

cảm biến và nguồn âm, t là thời gian

Đáp ứng đầu ra 𝑥 𝑟 , 𝑡 là tích chập của 𝑧 𝑟 , 𝑡 và đáp ứng của mảng cảm biến 𝑕 𝑟 , 𝑡

Ở đây ω, 𝑘 là tần số và số sóng đến trong phổ không gian thời gian của

phép biến đổi trong công thức (1.1)(1.2) Xử lý tín hiệu tạo búp sóng ở phía

mảng thu có thể ƣớc lƣợng đƣợc góc quan sát của mảng (bearing) và khoảng

cách đến nguồn âm

Hình 1.1: Mô hình thu tín hiệu không gian thời gian của mảng cảm biến

Xét một mảng đa chiều gồm nhiều cảm biến có khoảng cách đều nhau

là δ Đầu ra của bộ cảm biến thứ n là một chuỗi thời gian biểu thị bởi x n (t i ),

trong đó (i = 1, , M s) là các mẫu thời gian cho mỗi chuỗi thời gian cảm biến

X* là véc tơ chuyển vị liên hợp phức của x, do đó là vector hàng của chuỗi tín

hiệu thời gian cảm biến nhận đƣợc {x n (t i ), n = 1, 2, , N}, x n (t i ) = s n (t i ) +

ε n (t i ), ở đây s n (t i ) và ε n (t i ) là tín hiệu và các thành phần tạp nhiễu thu đƣợc theo

thời gian của cảm biến 𝑺 và 𝜺 là các véc tơ cột của tín hiệu và các thành phần

tạp nhiễu của véc tơ 𝑿 của đầu ra cảm biến, (𝑥 = 𝑠 + 𝜀 )

là biến đổi Fourier của x n (t i ) tại tín hiệu có tần số f, c = f.λ là tốc độ âm thanh trong nước, λ là bước sóng của tần số f 𝑆 = 𝐸 𝑆 , 𝑆 ∗ là không gian ma trận tương quan của véc tơ tín hiệu 𝑆 có thành phần thứ n được biểu diễn bởi

𝑠𝑛 𝑡𝑖 = 𝑠𝑛 𝑡𝑖 + 𝜏𝑛 θ, ϕ (1.5)

Trong đó E{….} là toán tử kỳ vọng và τ n(θ, ϕ) là thời gian trễ giữa cảm

biến thứ (n - 1) và thứ n của mạng với sóng đến có đặc trưng hướng thể hiện bởi góc phương vị θ và góc ngẩng ϕ như thể hiện ở Hình 1.1 Trong miền tần

số, không gian ma trận tương quan S của tín hiệu sóng âm s n (t i ) được định

nghĩa bởi:

𝑺 𝑓𝑖, θ, ϕ = 𝐴𝑠 𝑓𝑖 𝐷 𝑓𝑖, θ, ϕ 𝐷∗ 𝑓𝑖, θ, ϕ (1.6)

ở đây A s (f i ) là mật độ phổ công suất của s(t i ) cho tần số thứ i và 𝐷 𝑓, θ, ϕ là

véc tơ quay của búp sóng chính (steering vector) với thành phần thứ n được

định nghĩa bởi 𝑑𝑛 𝑓, θ, ϕ Ma trận 𝑺 𝑓𝑖, θ, ϕ có phần tử ở hàng thứ n và cột thứ m là 𝑆𝑛𝑚 𝑓𝑖, θ, ϕ = 𝐴𝑠 𝑓𝑖 𝑑𝑛 𝑓𝑖, θ, ϕ 𝑑𝑚∗ 𝑓𝑖, θ, ϕ

Ngoài ra còn có thành phần của nhiễu thể hiện bởi R(f i ); là không gian ma

trận tương quan của nhiễu thu được theo thời gian từ cảm biến của thành phần

tần số thứ i được biểu diễn bởi 𝑅𝑚𝑛 𝑓, 𝑑𝑛𝑚 𝑅𝜀 𝑓𝑖 = 𝜎𝑛2 𝑓𝑖 𝑅𝜀 𝑓𝑖 với

𝜎𝑛2 𝑓𝑖 là mật độ phổ công suất của nhiễu ε n (t i )

1.1.2 Mảng cảm biến và hệ thống sonar thủy âm thụ động

Mô hình cấu trúc hệ thống:

Hệ thống sonar định vị thủy âm dưới biển là hệ thống thiết bị có chức năng xác định vị trí nguồn âm trong vùng không gian quan sát dưới mặt nước biển Tùy theo ứng dụng và đặc tính khác nhau mà hệ thống có dạng: di động hoặc cố định Mô hình cấu trúc cơ bản của hệ thống sonar thủy âm thụ động

cố định có N cảm biến có thể được mô tả theo diễn tiến của thông tin phát

hiện nhận dạng như sau (Hình 1.2):

Hình 1.2: Mô hình cấu trúc hệ thống sonar thủy âm thụ động

Theo đó, hệ thống có thể được khái quát gồm 4 khâu cơ bản, đó là:

+ Không gian quan sát:

Khâu không gian quan sát trong trường hợp này là vùng không gian nước biển nằm trong miền quan sát được của hệ thống, được giới hạn bởi bề mặt biển và đáy biển – kênh truyền âm Trong không gian quan sát có thể chứa các nguồn âm (cần định vị) và các nguồn nhiễu âm (do tự nhiên hoặc nhân tạo)

Các dao động âm phát ra từ các loại nguồn âm này được truyền trong kênh truyền âm và đi tới các phần tử cảm biến

+ Mảng cảm biến thủy âm:

Như đã nói ở trên, mảng gồm N phần tử cảm biến có nhiệm vụ như

những anten thu tín hiệu thủy âm và những nguồn tạp ồn khác trong môi trường dưới nước ở không gian xung quanh cảm biến Trong khuôn khổ của luận án này, các nghiên cứu tập trung vào giải pháp và các kỹ thuật nâng cao

chất lượng mảng, nâng cao tỷ số SNR của tín hiệu thu, từ đó nâng cao khả

năng phát hiện định vị mục tiêu

+ Xử lý cấp 1:

Khâu xử lý cấp 1 là khâu xử lý tín hiệu và thực hiện các bài toán định

vị (phát hiện, đo lường) và nhận dạng nguồn âm Các véc tơ tín hiệu lấy từ mảng cảm biến thủy âm được sử dụng cho phép phát hiện và đo lường các tham số tín hiệu định vị, tính toán xác định các tham số định vị và giải bài toán định vị để xác định vị trí nguồn âm theo các nguyên lý, phương pháp và thuật toán cụ thể Tùy theo nguyên lý xây dựng hệ thống mà có các bài toán

Đồng thời trong một số trường hợp khâu này thực hiện bài toán nhận dạng hay phân loại để xác định dạng nguồn âm Cũng tùy theo mục đích và yêu cầu sử dụng mà bài toán nhận dạng có thể có ở dạng khác nhau

+ Xử lý cấp 2:

Khâu xử lý cấp 2 là khâu thực hiện các bài toán chỉ thị và giám sát (hợp nhất thông tin định vị), quản lý và lưu trữ các kết quả định vị nhận được từ bài toán cấp 1 Và cũng tùy theo mục đích và yêu cầu sử dụng mà khâu bài toán cấp 2 này có thể có hoặc không và hoặc ở các dạng khác nhau

Như vậy, trong hệ thống định vị nguồn âm dưới biển mảng cảm biến thủy âm là khâu quan trọng có ảnh hưởng nhiều đến chất lượng nói chung và

độ chính xác nói riêng của hệ thống Theo đó, với tác động của vùng biển

nông việc nâng cao tỷ số SNR, khả năng tách hoặc chế áp nhiễu là yêu cầu đặt

ra cao hơn

Độ chính xác định vị nguồn âm:

Cũng như các hệ thống định vị vô tuyến khác, hệ thống định vị thủy âm cũng tuân theo các đặc tính của các hệ định vị, trong đó có sai số định vị Theo lý thuyết định vị, sai số định vị được phân thành sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên Trong đó, sai số hệ thống có trong kết quả định vị được quy ước là có quy luật đã biết hoặc giữ nguyên không đổi từ bước định vị này đến bước định vị khác Ví dụ về sai số như thế khi xác định cự ly là sự giữ chậm tín hiệu diễn ra ở bên trong hệ thống Và sau khi hiệu chuẩn, sai số này sẽ được bù khử

Theo vị trí phát sinh sai số xác định toạ độ nguồn âm được phân tách thành sai số ngoài và sai số thiết bị Sai số ngoài gây nên bởi sự không ổn định của điều kiện truyền sóng âm và sai khác vị trí trung tâm phát xạ sóng

âm của nguồn âm Sai số thiết bị lại được phân nhỏ thành các sai số gây nên bởi sự thăng giáng của tín hiệu phát xạ, bởi tạp âm nội bộ hoặc các nhiễu bên ngoài khác, và sai số gây nên bởi sự không hoàn thiện của phương tiện đo -

sai số dụng cụ (sai số tính toán, hiệu chuẩn,…).Khi dạng tín hiệu và tỷ số SNR

đã cho, việc xử lý tối ưu cho phép đảm bảo sai số nhỏ nhất do tạp âm được gọi là độ chính xác giới hạn đặc trưng hay tiềm năng khi các điều kiện hầu như lý tưởng

Cũng theo lý thuyết sai số, sai số ngẫu nhiên có nguồn gốc khác nhau được coi là độc lập Và vì vậy, phương sai của nó được tính bằng tổng các phương sai của các sai số thành phần Ví dụ đối với phép đo cự ly, sai số đầu

thứ i của hệ thống

Trong trường hợp này, sai số tiềm năng hay sai số giới hạn được quy định bởi

sự dịch chuyển thời gian gây ra do nhiễu và tạp âm

ở đây 𝜎𝑡𝑟𝑛 𝐷 - sai số quy định bởi hệ số truyền âm, phụ thuộc vào độ chính xác xác định ảnh hưởng của nhiết độ, áp suất, độ mặn,…

và vận tốc truyền âm thay đổi theo độ sâu của Del-Gross có quy luật ở dạng:

𝑐 = 1448,6 + 4,618𝑡 − 0,00523𝑡2 + 0,00023𝑡3

+ 1,25 𝑆 − 35 − 0,011 𝑆 − 35 𝑡+ 2,7 10−8 𝑆 − 35 𝑡4 − 2 10−7 𝑆 − 35 4

trong đó: p áp suất (dbar) và độ sâu (m) [8]

b) Sai số tiềm năng:

Như đã nói ở trên, sai số tiềm năng hay sai số giới hạn gây ra bởi ảnh

hưởng của nhiễu và tạp âm khi dạng tín hiệu và tỷ số SNR đã cho trong trường

hợp xử lý tối ưu Nó quy định độ chính xác giới hạn lý thuyết của phép đo định vị Để đơn giản mà không mất đi tính khái quát xét trong bài toán xác định cự ly Từ sai số đo cự ly tiềm năng:

𝜎𝑡𝑛 𝐷 = 𝑐

2

1

trong đó: c – vận tốc truyền lan trong kênh truyền âm; ∆𝑓𝑚𝑡 - băng thông của

máy thu; Ec/N 0 – tỷ số SNR

Công thức (1.11) chỉ ra rằng, để nâng cao độ chính xác đạt được bằng cách

mở rộng dải thông hoặc tăng tỷ số SNR

Từ công thức (1.12) cho thấy rằng độ chính xác tiềm năng khi thu tối

ưu chỉ phụ thuộc vào dải thông của tín hiệu và tỷ số SNR đầu vào Chính vì

vậy, để nâng cao độ chính xác tiềm năng có thể dựa trên ứng dụng tín hiệu dải

rộng và tăng tỷ số SNR

Ngoài ra còn có sai số do thiết bị (do công nghệ) và sai số hệ thống (do giữ chậm tín hiệu khi truyền và xử lý trong thiết bị) ít liên quan đến giải pháp

1.2 Vùng biển nông và các đặc trưng cơ bản

1.2.1 Khái niệm vùng biển nông

Biển nông có đặc thù là có nhiễu giao thoa, hiệu ứng đa đường, và mô hình truyền sóng phụ thuộc nhiều vào các tác động bên ngoài Theo quan điểm về địa lý và cũng là quan điểm chung thì biển nông là một khái niệm quy ước những vùng biển và đại dương có độ sâu nhỏ hơn 200m [25] Khái niệm biển nông trong một số tài liệu khác lại cho rằng những biển mà trong

đó trường âm thanh tạo bởi phản xạ nhiều lần từ mặt biển và đáy biển; trong vùng biển như vậy sóng âm ở một số bước sóng có thể truyền được khoảng cách khá xa Một diễn đạt khác, biển nông đặc trưng cho sự lan truyền âm thanh trên khoảng cách lớn hơn nhiều lần so với độ sâu Vùng nước nông được giới hạn bằng công thức:

𝑟2 ≥𝐻2

Trong đó : r là khoảng cách, H là độ sâu và λ là bước sóng [1],[7]

Theo [13] đối với nhiều chuyên gia về hải dương học, biển nước nông là vùng biển có bước sóng âm lan truyền hiệu quả trong chế độ mode chuẩn (nomal mode) Đối với một số nhà vật lý đại dương thì coi vùng biển nông là vùng biển kéo dài từ bờ tới thềm lục địa Tất cả những định nghĩa này đều có tính chất tương đối và đã được công nhận ở một mức độ nhất định

1.2.2 Hiệu ứng phản xạ đa đường trong vùng biển nông

Đối với vùng biển nông môi trường truyền dẫn bị giới hạn bởi mặt biển

và đáy biển, tín hiệu trong quá trình lan truyền bị phản xạ nhiều lần trước khi

tới bộ thu Theo như kết quả thực nghiệm của Lurton[37] tại Hình 1.3a đường

đi của các tia âm trong vùng nước nông bị phản xạ nhiều lần, Hình 1.3b cho

thấy hiệu ứng đa đường đo tín hiệu trên miền thời gian thực

Hình 1.3: Hiệu ứng đa đường ở vùng biển nông

Hệ thống được thiết lập với khoảng cách và độ sâu gần đúng như sau:

Độ sâu nước biển 90m, khoảng cách thu phát 1000m, độ sâu nguồn phát 15m,

độ sâu bộ thu 83m Hình 1.3 a) tia âm phản xạ, b) tín hiệu theo thời gian cho

thấy tia (A) tia trực tiếp; (B) phản xạ bề mặt; (C) phản xạ từ đáy; (D) phản xạ

từ bề mặt tới đáy; (E) phản xạ từ đáy tới bề mặt Nhóm tia tới đầu tiên là 4 tia

có thể phân biệt rõ ràng, truyền đến khoảng 4ms; nhóm thứ hai tới sau khoảng 20ms với cường độ đáng kể nhưng dạng tín hiệu đã mờ đi và giao thoa lẫn nhau Từ đây cho thấy hiệu ứng đa đường ảnh hưởng đáng kể đến phía thu Ngoài ra trong vùng biển nông thì có nhiệt độ môi trường thay đổi mạnh, tạp âm nền và nhiễu của môi trường cao (do tàu bè hoạt động nhiều dễ phát hiện nhầm), độ mặn của của nước thay đổi nhanh và độ mấp mô của mặt biển lớn, ngoài ra còn ảnh hưởng bởi sóng nội… trong khuôn khổ luận án này tập trung chủ yếu vào giải pháp xử lý tín hiệu khi bị phản xạ đa đường

Mô hình tín hiệu sóng âm khi chưa kể hiệu ứng đa đường:

Trong trường hợp này tín hiệu phát ra từ các nguồn truyền thẳng tới các hydrophone, ta dễ dàng xây dựng mô hình toán học cho trường hợp nhiều nguồn bức xạ âm, nhiều hydrophone Gọi tín hiệu thu được từ hydrophone

thứ j là x j ta có:

𝑥𝑗 = 𝑎𝑗1𝑠1 + 𝑎𝑗2𝑠2 + ⋯ + 𝑎𝑗𝑁𝑠𝑁 , 𝑗 = 1,2,3 … 𝑁 (1.14)

Với a j1 , a j2 , …, a jN là các hệ số suy giảm, s1, s2, , sN là các nguồn tín hiệu gốc (1.14) là hệ phương trình đặc trưng cho trường hợp các nguồn tín hiệu truyền thẳng tới hydrophone và viết ở dạng ma trận như sau:

Với P là số hydrophone, N là số nguồn phát xạ

Mô hình tín hiệu sóng âm khi có hiệu ứng đa đường:

Trong vùng nước nông khi tín hiệu truyền đến hydrophone bị ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường thì tín hiệu đầu ra như sau:

𝑠𝑖𝑔 = 𝑎0𝑠 𝑡 − 𝜏0 + 𝑎1𝑠 𝑡 − 𝜏1 + ⋯ + 𝑎𝑀−1𝑠 𝑡 − 𝜏𝑀−1

= 𝑎𝑘𝑠 𝑡 − 𝜏𝑘

𝑀−1 𝑘=0

(1.16)

với M là số đường truyền, trong thực tế ta chỉ quan tâm tới độ trễ tương đối giữa các đường, vì thế có thể coi τ0 = 0

Như vậy trường hợp có nhiều nguồn bức xạ âm, có nhiều hydrophone và bị

ảnh hưởng của đa đường ta có tín hiệu x j từ đầu ra của hydrophone thứ j được

viết như sau;

𝑥𝑗 = 𝑎𝑖𝑗𝑘𝑠𝑖 𝑡 − 𝜏𝑖𝑘 , 𝑗 = 1,2 … 𝑁

𝑀−1 𝑘=0

𝑁 𝑖=1

(1.17)

j là chỉ số biểu thị thứ tự của hydrophone, i là chỉ số thứ tự của nguồn âm, k số

thứ tự của kênh truyền trong truyền dẫn đa đường

Hình 1.4: Mô phỏng hiệu ứng đa đường với 5 tia âm

Hình 1.5: Tín hiệu xung bị ảnh hưởng đa đường

Hình 1.4 mô phỏng kênh âm ở vùng nước nông bị ảnh hưởng của hiệu

ứng đa đường với 5 tia âm: Tốc độ âm 1520m/s, độ sâu kênh âm 100m, nguồn âm có tọa độ [0,0,-60], bộ thu 1 có tọa độ [500,0,-40], bộ thu 2 có tọa

độ [500, 1000, -70], nguồn phát đẳng hướng và tia âm truyền thẳng và phản

xạ ở đáy có mức suy hao 0.5dB

Nguồn phát đẳng hướng phát xung có độ rộng 13.2ms vào kênh âm với 5

tia âm thu được tại bộ thu Ở Hình 1.5, tín hiệu quan sát thấy thu được nhiều

xung vọng sinh ra bởi các tia âm phản xạ, tín hiệu đã giao thao vào với nhau Như vậy trong vùng biển nông ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường đến chất lượng tín hiệu là rất lớn

Để khắc phục vấn đề này có một số giải pháp như: Một là thiết kế cấu trúc hình học của mảng hợp lý để tăng độ lợi của mảng thu Hai là tạo búp sóng mảng cảm biến sao cho búp sóng chính hướng về tia trực tiếp trong khi

tín hiệu đến từ các hướng khác là nhiễu, mục đích làm tăng tỷ số SNR của

mảng Ba là xử lý tín hiệu DSP tái tạo khôi phục lại tín hiệu ban đầu Các giải pháp này được thảo luận chi tiết ở những phần tiếp theo

1.2.3 Ảnh hưởng tham số của biển nông đến chất lượng của hệ thống

sonar thủy âm thụ động

Theo hải dương học, vùng biển nông có thể được quy về vùng biển tiếp giáp với bờ và phần đại dương mà có độ sâu nhỏ hơn 200 m [13] Cũng theo

số liệu trong nước tiếp cận được [8], các vùng biển gần bờ của nước ta thường

có độ sâu nhỏ, trong đó từ 40 – 50 m đối với vùng Vịnh Bắc bộ, và từ 50 – 60

m đối với vùng Vịnh Thái Lan.Và trong nội dung nghiên cứu của luận án sẽ hướng tới xét đến vùng biển nông điển hình này

Với độ sâu này môi trường biển có một số tác động đáng kể đến điều kiện định vị của hệ thống định vị thủy âm cố định, như:

+ Thuận lợi:

- Có thể chủ động triển khai và bố trí các cảm biến thu âm nhiều hơn,

có cấu hình mạng phức tạp hơn và khả năng kiểm soát tốt hơn

- Yêu cầu về khả năng phân biệt theo độ sâu không cao (có tính thực tế)

- Hiện tượng kênh âm hay đảo âm không xảy ra, do đó vận tốc truyền

âm trong vùng biển nông thay đổi theo hướng giảm dần theo độ sâu, từ đó việc xử lý bớt phức tạp hơn

+ Khó khăn:

- Chịu tác động rất mạnh đối với hiệu ứng đa đường

- Mức nhiễu và tạp âm biển mạnh hơn (sóng gió, phản xạ từ đáy không đồng nhất, sóng gần bò, )

- Nhiễu nguồn âm nhân tạo nhiều hơn

Nói cách khác, đặc tính của vùng biển nông có tác động lớn đến độ chính xác của hệ thống định vị thủy âm Và tất cả các tác động này ảnh hưởng trực tiếp trong khâu mảng cảm biến thủy âm Để nâng cao khả năng định vị cho hệ thống cần thiết phải có những giải pháp tận dụng những tác động tích cực của vùng biển nông và giảm thiểu tác động gây khó khăn Theo đó, lựa chọn cấu hình mảng cảm biến thủy âm phù hợp cho vùng biển nông nhằm đảm bảo khả năng lựa chọn không gian và giảm thiểu tác động đa đường, tách nhiễu tạp âm mù nhằm nâng cao tỷ số SNR là rất cần thiết

1.3 Một số giải pháp nâng cao chất lượng mảng cảm biến

1.3.1 Tối ưu hóa cấu trúc hình học của mảng

Như đã đề cập ở trên; mảng cảm biến có nhiều loại cấu trúc khác nhau như mảng 1 chiều (mảng thẳng, mảng dọc, mảng ngang, mảng đồng nhất tuyến tính), mảng 2 chiều (mảng chữ nhật, mảng tròn), mảng 3 chiều (mảng trụ tròn, mảng cầu, mảng hình tháp ) Các mảng này có ưu nhược điểm khác nhau và được sử dụng trong các mục đích cụ thể

- Xây dựng ma trận tham số môi trường truyền dẫn:

Mảng cảm biến được coi như là anten thu tín hiệu của một hệ sonar thụ động khi phát hiện ra mục tiêu sẽ được quyết định bởi các tham số về thiết bị, các tham số môi trường, các tham số của mục tiêu Chúng được biểu diễn bởi hai chữ cái la tinh để tránh tối đa các ký tự Hy Lạp và các ký hiệu trong các

biểu thức toán học Các tham số này đều là mức (levels) có thứ nguyên là dB, tham chiếu với cường độ của sóng phẳng chuẩn là 1- μPa [31]

Các tham số quyết định bởi thiết bị:

Mức công suất phát của nguồn âm (Projector Source Level): SL

Mức tạp âm nội bộ của thiết bị (Seft - Noise Level): NL

Chỉ số định hướng thu (Receiving Directivity Index): DI

Xác lập ngưỡng phát hiện (Detection Threshold): DT

Các tham số quyết định bởi môi trường:

Suy hao truyền dẫn (Transmission Loss/ Propagation Loss): TL (PL) Tạp âm môi trường xung quanh (Ambient - Noise Level): NL

Các tham số quyết định bởi mục tiêu:

Mức công suất phát ra từ mục tiêu (Taget Source Level): SL

Tham số môi trường cho bởi ma trận M = [m ij]nxn là ma trận vuông cấp n (cấp của ma trận bằng với số lượng các cảm biến) đặc trưng cho môi trường làm việc và cho thiết bị

- Xây dựng ma trận tham số mảng:

Gọi ma trận tham số mảng là S = [s ij]nxn là ma trận vuông cấp n (cấp của ma trận bằng với số lượng các cảm biến) đặc trưng cho các tham số hình học, cấu trúc không gian của mảng cảm biến, các tham số chưa biết là một tập

X = [x ij]n , các tham số đã biết là tập Y = [y ij]n

Tín hiệu (các tham số chưa biết) phát ra từ mục tiêu đi qua các môi trường

truyền dẫn (ma trận [M]) tới hệ mảng cảm biến thuỷ âm (ma trận [S]) được xử

lý và tính toán để lấy ra được các thông tin hữu ích Từ đây ta có công thức tổng quan của mô hình toán hệ ma trận các tham số là:

𝑀 𝑆 𝑋 𝑇 = 𝑌𝑇 (1.18) Như vậy có thể thấy cấu trúc hình học của mảng quyết định đến chất lượng thu tín hiệu, độ chính xác định vị, sự tối ưu về cấu trúc sẽ tăng độ lợi của mảng nâng cao độ chính xác phát hiện và nhận dạng mục tiêu

1.3.2 Kỹ thuật tạo búp sóng mảng cảm biến

Tạo búp sóng là kỹ thuật quan trọng trong lĩnh vực xử lý tín hiệu mảng cảm biến thủy âm, được thực hiện bởi nhiều giải pháp khác nhau như: Thuật toán Frost[15], Grinffiths [16], LCMV, MVDR, Với mảng cảm biến thủy âm trong hầu hết các ứng dụng, người ta luôn mong 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 (Hình 1.6) Theo [17] 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

Hình 1.6: Búp sóng mảng thẳng có 5 phần tử

- 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 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

1.3.3 Xử lý tín hiệu mảng cảm biến

Bất kỳ thuật toán DSP nào được sử dụng trong mảng cảm biến phải

đảm bảo được yếu tố thực hiện trong thời gian thực Hình 1.7 trình bày sơ đồ

khối của hệ thống xử lý tín hiệu mảng cảm biến, có thể thấy rằng hầu hết các khối là xử lý số, và có một số ít khối xử lý tương tự

Hình 1.7: Sơ đồ khối hệ thống xử lý tín hiệu mảng cảm biến

Xử lý tín hiệu mảng cảm biến thủy âm là khái niệm mở rộng bao hàm

cả xử lý mảng cảm biến sonar thụ động, mạng thông tin liên lạc dưới nước gồm các khối chức năng như: chuyển đổi ADC, lọc FIR, Lọc thích nghi LMS, Kalman, triệt nhiễu thích nghi, nâng cao khả năng thích nghi tuyến tính, phân

tích DEMON/LOFAR, phân tích phổ FFT/MUSIC, cảnh báo phát hiện mục tiêu (ngư lôi, tàu ngầm, tàu lạ, người nhái, đàn cá ), phân loại nhận dạng mục tiêu, đánh giá tỷ số SNR của mảng, thu nghe lưu trữ, theo dõi hoặc bám

Hình 1.8: Mô hình giải tích chập mù sử dụng mạng nơ ron

Vùng biển nông là vùng biển khi truyền sóng âm tín hiệu bị phản xạ nhiều lần và đến bộ thu từ nhiều hướng khác nhau, coi đây là môi trường chưa

biết, phù hợp với kênh SIMO (một đầu vào/ nhiều đầu ra) và có thể giải quyết

được khi ứng dụng mô hình giải tích chập mù đa kênh (Hình 1.8)

1.4 Vấn đề nâng cao chất lượng mảng cảm biến thủy âm và hướng nghiên cứu của luận án

1.4.1 Các nghiên cứu liên quan đã công bố

Tình hình nghiên cứu trong nước:

Trong những năm qua, một số cơ sở nghiên cứu khoa học trong nước đã

và đang triển khai một số hướng nghiên cứu mới về lĩnh vực thủy âm như: Viện Vật lý kỹ thuật, Viện Điện tử, Viện Kỹ thuật Hải quân/ Quân chủng Hải quân, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Đại học Khoa học Tự nhiên/ ĐHQGHN, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam, Đại học Bách Khoa Hà Nội, Đại học Hàng Hải, Học viện Hải quân Nha Trang

Theo hướng nghiên cứu về thuật toán xử lý tín hiệu thủy âm trong điều kiện môi trường biển nông và phức tạp có một số luận án sau:

1 LATS của tác giả Trần Phú Ninh, 2018, “Nghiên cứu xử lý tín hiệu sonar thụ động để nâng cao chất lượng phát hiện mục tiêu ngầm trong điều kiện thủy văn phức tạp”, Học viện KTQS [7]

Với công trình này tác giả đã nghiên cứu một số đặc tính của vùng nước nông và ảnh hưởng của nó đến sự mất phối hợp của một số thuật toán trường phối hợp thích nghi MFP, tải đường chéo DL, đáp ứng không méo với phương sai cực tiểu MVDR làm giảm chất lượng phát hiện định vị mục tiêu ngầm, đề xuất thuật toán tải đường chéo cải tiến IDL Tác giả đã đưa các dữ liệu tham số của mô hình biển nước nông vào đánh giá thực trạng của thuật toán DL, với kết quả tính toán định vị mục tiêu đạt chính xác khi SNR ≥ - 6 và số lượng hydrophone tối thiểu là 6 Với thuật toán IDL tác giả chứng minh được rằng mức của búp sóng chính tăng, búp sóng phụ giảm, cải thiện độ phân giải và tỷ

số đỉnh trên nền (Peak Backgroud Rate - PBR) của hàm bề mặt trong phát

hiện và định vị mục tiêu, nâng cao độ phân giải hàm bề mặt so với thuật toán

DL trong cả trưởng hợp mục tiêu cố định và mục tiêu chuyển động

2 LATS của tác giả Nguyễn Xuân Long, 2017, “nghiên cứu thuật toán xử lý trường phối hợp thích nghi cho sonar thụ động định vị mục tiêu ngầm trong vùng biển nước nông Việt Nam”, Viện KH-CN quân sự [4]

Tác giả tập trung phát triển thuật toán CCABB-MFP (Cross Correaltion Adaptive Broad Band – Matching Field Processing) xử lý trường phối hợp thích nghi tương quan chéo, ứng dụng định vị nguồn âm dải rộng, có mức thấp với dạng sóng chưa biết làm việc trong điều kiện biển nước nông Việt Nam, sử dụng 1 đến 2 cảm biến để tính toán phát hiện định vị mục tiêu với nhiễu có tỷ

số SNR nhỏ hơn -3dB

3 LATS của tác giả Bùi Trường Giang, 2014, “Nghiên cứu thuật toán MFP thích nghi xử lý tín hiệu ở chế độ định phương vị được phối hợp với các tham

số của kênh lan truyền”, Liên bang Nga [3]

4 LATS của tác giả Nguyễn Ngọc Đông, 2018, “Định vị các mục tiêu chuyển động trên biển bằng sonar thụ động trên cơ sở giải pháp tích lũy các thành phần phổ hợp tác của tín hiệu”, Liên bang Nga [1]

Hướng nghiên cứu về kênh thủy âm để mô phỏng kênh, xác định các tham số kênh ảnh hưởng đến hệ thống thông tin thủy âm Về hướng này có hai luận án nghiên cứu đề cập đến như sau:

1 LATS của tác giả Đỗ Việt Hà, 2017, “Mô hình đặc tính kênh truyền cho thông tin thủy âm vùng nước nông ”, Đại học Bách Khoa Hà Nội [2]

Tác giả đã đề xuất phương pháp thiết kế bộ mô phỏng kênh thủy âm đơn giản trong tính toán và mô tả được các đặc tính của kênh thủy âm đo đạc trong thực tế Phân tích cơ sở lý thuyết hiệu ứng Doppler trong thông tin dưới nước từ cả hai nguyên nhân: sự chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát, sự dịch chuyển phức tạp của mặt nước Từ đó, đề xuất một mô hình phổ Doppler cho kênh thủy âm và xác nhận tính chính xác của nó thông qua dữ

liệu đo phổ Doppler thực tế Thực hiện phân tích nhiễu ICI kết hợp với nhiễu môi trường đến hệ thống thông tin thủy âm dùng kênh mô phỏng dựa trên dữ liệu đo Dựa trên các kết quả phân tích tỷ số SIR, SINR và dung lượng kênh, các thông số tích hợp cho hệ thống thông tin thủy âm được xác định Các kết quả này rất hữu ích trong việc lựa chọn các tham số tối ưu trong thiết kế hệ thống thông tin thủy âm

2 LATS của tác giả Lê Minh Ngọc, 2015, “Nghiên cứu giải pháp đảm bảo khả năng làm việc ổn định của kênh liên lạc thủy âm” [5], Viện KH-CN quân sự Trong đó tác giả đề xuất một số giải pháp kết hợp khắc phục hiện tượng mất ổn định tín hiệu của kênh liên lạc thủy âm, sử dụng anten mảng nhiều phần

tử cảm biến để tăng cường cự ly kênh liên lạc Luận án đã tính toán và mô phỏng một mô hình kênh liên lạc thủy âm cố định sử dụng an ten mảng thẳng, xác định được hiệu quả tăng cường tỷ số SNR của máy thu và kiểm nghiệm bằng đo đạc thử nghiệm thực tế

Hướng nghiên cứu nâng cao chất lượng mạng hydrophone, mảng cảm biến, các giải pháp nâng cao tỷ số SNR của tín hiệu thu được từ mạng Về hướng nghiên cứu này hiện nay có một LATS của tác giả Lưu Tuấn Sinh,

2007, “Nghiên cứu nâng cao chất lượng xử lý phát hiện mục tiêu cho mạng thu định vị bằng phao thuỷ âm”, Học viện KTQS [6]

Tác giả đã xây dựng được mô hình tín hiệu và các đặc trưng thống kê của tạp âm dưới nước, đề xuất được bộ phát hiện tín hiệu tối ưu hơn theo thuật toán lọc thích nghi để nâng cao tỷ số SNR và có ngưỡng thích nghi theo phương pháp cửa sổ trượt của CA-CFAR, tích hợp giải pháp nâng cao được tốc độ xử

lý tại trạm thu tín hiệu phao thủy âm bằng công nghệ thông tin và ứng dụng kỹ thuật số

Tình hình nghiên cứu ngoài nước:

Các giải pháp và nghiên cứu mới nhất về công nghệ và kỹ thuật của lĩnh vực này gần như không công bố hoặc công bố rất hạn chế Từ xưa tới nay ở

nhiều nước trên thế giới các nghiên cứu về lĩnh vực thủy âm đều được coi là

bí mật quốc gia

Hướng nghiên cứu về cấu trúc mảng cảm biến, kỹ thuật tạo búp sóng cho mảng, và các thuật toán tạo búp sóng thích nghi đã được nghiên cứu rộng rãi cho mảng cảm biến dưới nước và truyền sóng âm vùng biển nông, tiêu biểu

có một số công trình nghiên cứu như sau:

Thuật toán Frost [15], 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 [16], 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[44] 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 mảng [43] Nén búp sóng phụ sử dụng cấu trúc thích nghi ổn định để giải quyết vấn đề đa đường [20] là một giải pháp tìm góc tới tín hiệu cũng làm tăng hiệu năng của mảng

Kỹ thuật tối ưu mặt mở, tối ưu hóa cấu trúc mảng cảm biến sonar thụ động để tính toán chỉ số định hướng (DI – Directivity Index) của mảng [57], xác định khoảng cách và phương hướng của mục tiêu theo thuật toán Hyperbolic dựa trên nguyên lý TDOA- Time Direction Of Arriver [58] là những giải pháp tối ưu cấu trúc mảng cảm biến đã được nghiên cứu và kiểm nghiệm thực tế cho những kết quả khả quan

Đối với vùng biển nông cũng có nhiều nhà nghiên cứu quan tâm đến và

đã xây dựng được các mô hình toán học truyền sóng âm [13],[19],[24], [25],[37], mô hình đặc trưng tín hiệu sóng âm khi bị nhiễu giao thoa do hiệu ứng phản xạ đa đường Trong xử lý tín hiệu thủy âm giải pháp tạo búp sóng thích nghi mảng cảm biến được sử dụng rộng rãi [12],[15],[16],[17],[20] tập trung vào phát triển thuật toán thích nghi Frost, GSC Griffiths, LCVM,

MVDR trên cơ sở điều chỉnh trọng số wij trong hệ thống

Trên thực tế tín hiệu đến mảng cảm biến không phải là duy nhất mà thường từ nhiều nguồn Việc phân tách thành công tín hiệu quan tâm trong hỗn hợp tín hiệu thu được cho phép phát hiện nhận dạng mục tiêu với độ chính xác cao hơn Trong những năm gần đây kỹ thuật phân tích các thành phần độc lập (ICA) đã đạt được nhiều tiến bộ và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, trong xử lý tín hiệu cũng đã được quan tâm nghiên cứu, ứng dụng nhiều trong thực tế với các công trình tiêu biểu như:

Kỹ thuật phân tách các phần tử độc lập ICA được Aapo Hyvärinen, Erkki Oja và các cộng sự nghiên cứu phát triển với mô hình phân tách các nguồn âm khác nhau với thuật toán Fast-ICA [9],[10] cho phép tách tín hiệu thành các nguồn âm độc lập nhau, điều này thực sự có ý nghĩa khi ứng dụng vào xử lý tín hiệu thủy âm trong trường hợp có nhiều mục tiêu xuất hiện, kỹ thuật này được hải quân Brazil nghiên cứu ứng dụng thực tế và đã có những thành công nhất định [55],[56]

Trong thực tế tín hiệu tín hiệu từ mục tiêu đến mảng cảm biến phải đi qua một môi trường không biết trước (không thể tham số hóa được) Nói cách khác môi trường về bản chất là đối tượng chưa biết Khi tín hiệu từ mục tiêu truyền qua môi trường đến bộ thu, môi trường sẽ tác động lên tín hiệu theo hiệu ứng tích chập, do môi trường chưa biết cho nên đây chính là tích chập

mù Để khôi phục tái tạo lại tín hiệu cần phải có hoạt động khử bỏ ảnh hưởng của môi trường gọi là giải tích chập mù Gần đây có nhiều công trình nghiên