Định vị mục tiêu ngầm bằng phương pháp trường phối hợp hình học45040

Định Vị Mục Tiêu Ngầm Bằng Phƣơng Pháp Trƣờng Phối Hợp Hình Học Trần Cao Quyền Khoa Điện tử-Viễn Thơng, Trƣờng Đại học Công nghệ (ĐHQGHN) Email: quyentc@vnu.edu.vn, tran.cao.quyen1@gmail.com Abstract— Bài toán định vị mục tiêu ngầm vùng biển nông nhận quan tâm đặc biệt bối cảnh thời Phương pháp trường phối hợp để giải toán xu đại sử dụng nước Mỹ Tây Âu (NATO) Trong báo đề xuất thuật tốn trường phối hợp hình học mà ta tìm kiếm hướng chiếu để cực đại tín hiệu mong muốn Các kết phân tích mơ bước đầu cho thấy thuật tốn đề xuất làm việc tốt so với thuật toán trường phối hợp truyền thống trường hợp phối hợp số trường hợp phối hợp (khi tín hiệu yếu tạp âm, số snapshot hạn chế), u cầu tính tốn đơn giản Keywords- SONAR, trường phối hợp, phân loại nhiều tín hiệu, thủy âm biển nơng I GIỚI THIỆU Bài tốn định vị mục tiêu ngầm đƣợc hiểu xác định vị trí cự ly độ sâu mục tiêu điều kiện mục tiêu cố định di động vùng biển nơng định Bài tốn đƣợc nhiều tác giả nhƣ Tolstoy, Baggeorrer, Kolev., [1-9] nghiên cứu nhƣng đến có tính thời sự, đặc biệt bối cảnh yêu cầu cao đảm bảo an ninh hàng hải biển Đông Đây tốn khó u cầu độ xác cao liệu thu đƣợc từ dàn hydrophone đứng ngang thƣờng bị ảnh hƣởng môi trƣờng (tạp âm biển, mặt biển, đáy biển,v.v) mơ hình âm (tia, mode chuẩn, xấp xỉ parabolic,v.v) khơng kể hết đƣợc tham số ống dẫn sóng đại dƣơng Phƣơng pháp trƣờng phối hợp (TPH) đƣợc đề xuất để khai thác tối đa kỹ thuật xử lý dàn hydrophone kết hợp hiệu ứng vật lý truyền sóng ống dẫn sóng đại dƣơng cho toán định vị mục tiêu ngầm[1,3] Sự phát triển phƣơng pháp TPH xem từ phƣơng pháp TPH truyền thống đến phƣơng pháp TPH cải tiến để nâng cao độ tin cậy chất lƣợng phân giải mục tiêu, đồng thời tránh ảnh hƣởng điều kiện phối hợp [1-9] Giả thiết yếu tố nhƣ tốc độ xử lý, phƣơng pháp tính tốn máy tính tốn điều kiện bờ ln có nghiệm thực phƣơng pháp TPH cải tiến gần nhƣ phân tích liệu theo kinh nghiệm, TPH thích nghi TPH lấy mẫu thƣa đƣợc đề xuất [7-9] Tuy nhiên khối lƣợng tính tốn khơng nhỏ Trong báo này, tác giả đề xuất ý tƣởng sử dụng phƣơng pháp TPH hình học để giải tốn định vị mục tiêu ngầm Bƣớc đầu phƣơng pháp đạt số kết mơ khả quan, đơn giản hóa việc tính tốn kết so sánh đƣợc với phƣơng pháp TPH khác, đặc biệt số trƣờng hợp phối hợp (khi tạp âm biển dạng Gauss mức tín tạp (S/N) thấp -3 dB, số snapshot hydrophone thấp nhỏ 30 mẫu) Các kết có ích để xây dựng hệ SONAR thụ động thực tế Phần lại báo đƣợc tổ chức nhƣ sau: phần II giới thiệu phƣơng pháp TPH TPH hình học đề xuất Trong phần III, chúng tơi đánh giá hiệu phƣơng pháp với kết phân tích mơ Cuối cùng, kết luận báo đƣợc cho phần IV II CÁC PHƢƠNG PHÁP A PHƢƠNG PHÁP TRƢỜNG PHỐI HỢP TRUYỀN THỐNG Phƣơng pháp trƣờng phối hợp truyền thống hay xử lý trƣờng phối hợp biết đến nhiều xử lý tuyến tính Bộ xử lý trực tiếp lấy tƣơng quan liệu đo F với liệu mô  F , xử lý PLin bình phƣơng biên độ tƣơng quan Công suất xử lý cho  PLin (x)  w Cw (1) w  F, C  FF  , F  (F1 , F2 ,    F  (F1 , F2 ,    , FN )T ,  , FN )T , F  chuyển vị liên hiệp phức F, F T chuyển vị F, Fn trƣờng âm đo tần số  hydrophone thứ n, F  ,   Fn tín hiệu âm mơ hình tần số   hydrophone thứ n cho tham số    F  F12   Mơ hình âm sử dụng phƣơng pháp mode chuẩn, lúc áp suất âm thu cho [11] p(r , z )  x , F 1,      B PHƢƠNG PHÁP TRƢỜNG PHỐI HỢP HÌNH HỌC  Ý tƣởng trƣờng phối hợp hình học dùng để giải tốn định vị mục tiêu ngầm nhƣ sau: Có thể tìm hƣớng chiếu không gian cho cực đại tín hiệu mong muốn hay khơng? Thực ý tƣởng đơn giản trực quan nhiên vấn đề khả triển khai môi trƣờng ống dẫn song đại dƣơng có khả thi khơng dùng cách tiếp cận để áp dụng lời giải hình học Thật may mắn Schmidt có cơng trình tiếng mang tên MUSIC [10] giải tốn tìm phƣơng mơi trƣờng khơng gian tự dùng sóng điện từ Cách giải Schmidt thƣờng đƣợc gọi phƣơng pháp không gian con, ta tìm kiếm tồn khơng gian vec-tơ hƣớng hƣớng tín hiệu mong muốn mà trực giao với khơng gian tạp âm Phổ MUSIC cho A qq H A H (2) A vec-tơ hƣớng dàn hydrophone N phần tử   q vec-tơ riêng tạp âm ứng với trị riêng nhỏ ma trận hiệp biến liệu thu Tuy cách giải Đại số nhƣng hoàn toàn tƣơng đƣơng mặt hình học Thật hƣớng chiếu tạp âm tối thiểu tín hiệu cực đại khơng gian tín hiệu trực giao với khơng gian tạp âm Phƣơng pháp hình học mà chúng tơi đề xuất cho tốn định vị mục tiêu ngầm mang tính tổng qt tức giải phƣơng pháp khác, không thiết phƣơng pháp Đại số nhƣ MUSIC Theo cách giải MUSIC yêu cầu ma trận hiệp biến liệu thu phải xác định dƣơng tốn có nghiệm Về mặt vật lý tức số hydrophone sử dụng phải lớn số mục tiêu dự đoán Mặt khác MUSIC cho lời giải tốn tìm phƣơng nên lời giải toán chiều Trong báo đề xuất phƣơng pháp trƣờng phối hợp hình học để giải tốn định vị mục tiêu ngầm, trƣớc mắt sử dụng công thức (2) mơi trƣờng ống dẫn sóng đại dƣơng (sóng âm) mở rộng lên hai chiều (cự ly độ sâu) C MƠ HÌNH ÂM (3)  FN norm L2 F, kỳ vọng a, C ma trận liệu phổ chéo NxN PMusic   M i i eikm r e  m ( zs ) m ( z )  ( zs ) 8 r km m 1 r cự ly, z độ sâu z s độ sâu nguồn  mật độ nƣớc biển  m biên độ mode thứ m km giá trị riêng thứ m (số sóng) D DỮ LIỆU ÂM ĐẦU VÀO Dữ liệu âm dàn hydrophone thụ động từ thí nghiệm SACLANT 1993 North Elba Internet đƣợc dùng Dữ liệu thu từ dàn hydrophone đứng vùng biển nông bờ Tây Italia trung tâm NATO SACLANT La Spezia, Italia Trung tâm xử lý liệu phù hợp cho nghiên cứu xử lý tín hiệu Các chuỗi thời gian gốc đƣợc chuyển thành chuỗi file MATLAB.mat bao gồm ma trận “dat” 48 hydrophone có 64K liệu Mỗi file biểu diễn phút liệu Dàn hydrophone bao gồm 48 với khoảng cách 2m hai liền kề để đạt độ dài 94 m (từ 18.7 m đến 112.7 m) Nguồn phát tín hiệu giả ngẫu nhiên với tần số cộng hƣởng 170 Hz Với nguồn có 10 file liệu Tốc độ âm cho tính tốn cho Hình sau Hình Vận tốc âm biển nơng thí nghiệm SACLANT 1993 North Elba, bờ Tây, Italia III KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Nguồn đƣợc giả thiết đặt cự ly 6000 m độ sâu 50 m phát tần số trung tâm 170Hz trƣờng hợp mục tiêu cố định Dàn hydrophone gồm 48 phần tử đặt từ độ sâu 18.7 m đến 112.7 m khoảng cách hai hydrophone liên tiếp 2m Khi mô đánh giá trƣờng hợp phối hợp ảnh hƣởng tạp âm Gauss với mức tín tạp (SNR) nhỏ -3 dB trƣờng hợp số snapshot thu đƣợc 30 mẫu A KHI CĨ PHỐI HỢP 30 mẫu Hình Hình kết mô cho phƣơng pháp TPH truyền thống phƣơng pháp TPH hình học Lúc mức hai phƣơng pháp nhỏ, nhiên kết định vị dùng phƣơng pháp TPH hình học thể ƣu việt TPH truyền thống khả kháng nhiễu cao hơn, đỉnh định vị sắc nhọn Kết mô dùng liệu âm SACLANT trƣờng hợp phối hợp chon mức SNR=10 dB đƣợc Hình áp dụng thuật tốn TPH truyền thống Hình áp dụng thuật tốn TPH hình học Từ Hình ta thấy định vị nguồn vị trí độ sâu 50 m, cự ly 6000 m nhiên có nhiều búp phụ bên cạnh búp Từ Hình ta thấy phƣơng pháp TPH hình học ngồi khả định vị mục tiêu cịn có khả nén tạp âm mạnh, việc quan sát thị mục tiêu rõ ràng chọn đƣợc hƣớng chiếu hình học làm cực đại tín hiệu Hình TPH truyền thống phối hợp, SNR= -3 dB, số snapshot