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

Bài viết đề xuất một thuật toán trường phối hợp hình học mà ở đó ta tìm kiếm một hướng chiếu để cực đại tín hiệu mong muốn. Các kết quả phân tích và mô phỏng bước đầu cho thấy thuật toán đề xuất làm việc tốt hơn so với thuật toán trường phối hợp truyền thống cả trong trường hợp phối hợp và trong một số trường hợp mất phối hợp (khi tín hiệu yếu hơn nền tạp âm, khi số snapshot hạn chế), trong khi chỉ yêu cầu tính toán đơn giản. Mời các bạn cùng tham khảo!

Định Vị Mục Tiêu Ngầm Bằng Phương Pháp Trường Phối Hợp Hình Học Trần Cao Quyền Khoa Điện tử-Viễn Thơng, Trường 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 gian Riemannian lên khơng gian Euclidean kích thước với đa tạp Riemannian Sau xử lý TPH hình học Riemannian tối thiểu hóa khoảng cách Riemannian tất mắt lưới tín hiệu mơ hình hóa Trong báo này, tác giả đề xuất ý tưởng sử dụng phương pháp TPH hình học để giải toán định vị mục tiêu ngầm Ý tưởng trường phối hợp hình học dùng để giải tốn định vị mục tiêu ngầm tìm hướng chiếu khơng gian cho cực đại tín hiệu mong muốn Tuy nhiên phương pháp TPH hình học chúng tơi đề xuất khác với TPH hình học Riemannian qua phép chiếu làm cho cực đại tín hiệu mong muốn (định vị mục tiêu) mà khơng cần phải thực q trình tối thiểu hóa Bước đầu phương pháp đạt số kết mơ khả quan, đơn giản hóa việc tính tốn kết so sánh với phương pháp TPH khác, đặc biệt số trường 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 Keywords- SONAR, trường phối hợp, phân loại nhiều tín hiệu, thủy âm biển nơng I GIỚI THIỆU Bài tốn định vị mục tiêu ngầm 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 nhiều tác Tolstoy, Baggeorrer, Kolev., [1-9] nghiên cứu 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 từ dàn hydrophone đứng ngang thường bị ảnh hưởng môi trường (tạp âm biển, mặt biển, đáy biển,v.v) mơ hình âm (tia, mode chuẩn, xấp xỉ parabolic,v.v) khơng kể hết tham số ống dẫn sóng đại dương Phương pháp trường phối hợp (TPH) 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 dương cho toán định vị mục tiêu ngầm[1,3] Sự phát triển phương pháp TPH xem từ phương pháp TPH truyền thống đến phương pháp TPH cải tiến để nâng cao độ tin cậy chất lượng phân giải mục tiêu, đồng thời tránh ảnh hưởng điều kiện phối hợp [1-9] Giả thiết yếu tố tốc độ xử lý, phương pháp tính tốn máy tính tốn điều kiện bờ ln có nghiệm thực phương pháp TPH cải tiến gần phân tích liệu theo kinh nghiệm, TPH thích nghi TPH lấy mẫu thưa đề xuất [7-9] Tuy nhiên khối lượng tính tốn khơng nhỏ Trong [10] đề xuất dùng TPH hình học Riemannian Việc tính khoảng cách Riemannian thực phép chiếu khơng Phần cịn lại báo tổ chức sau: phần II giới thiệu phương pháp TPH TPH hình học đề xuất Trong phần III, đánh giá hiệu phương pháp với kết phân tích mô Cuối cùng, kết luận báo cho phần IV II CÁC PHƯƠNG PHÁP A PHƯƠNG PHÁP TRƯỜNG PHỐI HỢP TRUYỀN THỐNG Phương pháp trường phối hợp truyền thống hay xử lý trường phối hợp biết đến nhiều xử lý tuyến tính Bộ xử lý trực tiếp lấy tương quan liệu đo F với liệu mô  F , xử lý PLin bình phương biên độ tương quan Công suất xử lý cho  PLin (x)  w  Cw   28 F  chuyển vị liên hiệp phức F, FT chuyển vị F, (1)  tốn tìm phương nên lời giải toán chiều Trong báo đề xuất phương pháp trường phối hợp hình học để giải tốn định vị mục tiêu ngầm, trước mắt sử dụng công thức (2) mơi trường ống dẫn sóng đại dương (sóng âm) mở rộng lên hai chiều (cự ly độ sâu) Cụ thể A có từ mơ hình âm (xem mục II.C) q lập nên từ ma trận liệu âm đầu vào (xem mục II D) Fn trường âm đo tần số  hydrophone thứ n, F 1, w  F, C  FF  , (1-a) F  (F1 , F2 , , FN )T ,    C MƠ HÌNH ÂM Mơ hình âm sử dụng phương pháp mode chuẩn, lúc áp suất âm thu cho [12]  F  (F1 , F2 , , FN )T ,   Fn tín hiệu âm mơ hình tần số   hydrophone thứ n cho tham số x , p(r , z )   F 1,  i M eikmr i e  m ( zs ) m ( z )  ( zs ) 8 r km m 1 (3)    2 F  F    FN norm L2 F, kỳ vọng a, C ma trận liệu phổ chéo NxN    r cự ly, z độ sâu zs độ sâu nguồn   mật độ nước biển  m biên độ mode thứ m km giá trị riêng thứ m (số sóng) B PHƯƠNG PHÁP TRƯỜNG PHỐI HỢP HÌNH HỌC  Ý tưởng trường phối hợp hình học dùng để giải toán định vị mục tiêu ngầm sau: Có thể tìm hướng chiếu khơng gian cho cực đại tín hiệu mong muốn hay khơng? Thực ý tưởng đơn giản trực quan nhiên vấn đề khả triển khai mơi trường ống dẫn song đại dương có khả thi không dùng cách tiếp cận để áp dụng lời giải hình học Thật may mắn Schmidt có cơng trình tiếng mang tên MUSIC [11] giải tốn tìm phương mơi trường khơng gian tự dùng sóng điện từ Cách giải Schmidt thường gọi phương pháp khơng gian con, ta tìm kiếm tồn khơng gian vec-tơ hướng hướng tín hiệu mong muốn mà trực giao với khơng gian tạp âm Phổ MUSIC cho  PMusic  A qq H A H D DỮ LIỆU ÂM ĐẦU VÀO Dữ liệu âm dàn hydrophone thụ động từ thí nghiệm SACLANT 1993 North Elba Internet 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 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 hưởng 170 Hz Với nguồn có 10 file liệu Tốc độ âm cho tính tốn cho Hình sau (2)  A vec-tơ hướng 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 hoàn toàn tương đương mặt hình học Thật hướng chiếu tạp âm tối thiểu tín hiệu cực đại khơng gian tín hiệu trực giao với khơng gian tạp âm Phương pháp hình học mà chúng tơi đề xuất cho tốn định vị mục tiêu ngầm mang tính tổng qt tức giải phương pháp khác, không thiết phương pháp Đại số MUSIC Theo cách giải MUSIC yêu cầu ma trận hiệp biến liệu thu phải xác định dương 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 Hình Vận tốc âm biển nơng thí nghiệm SACLANT 1993 North Elba, bờ Tây, Italia 29 III B KHI MẤT PHỐI HỢP KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Nguồn giả thiết đặt cự ly 6000 m độ sâu 50 m phát tần số trung tâm 170Hz trường 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 trường hợp phối hợp ảnh hưởng tạp âm Gauss với mức tín tạp (SNR) nhỏ -3 dB trường hợp số snapshot thu 30 mẫu Trong trường hợp phối hợp, giả thiết xảy mức SNR thấp=-3dB số lượng snapshot thu thập nhỏ 30 mẫu Hình Hình kết mô cho phương pháp TPH truyền thống phương pháp TPH hình học Lúc mức hai phương pháp nhỏ, nhiên kết định vị dùng phương pháp TPH hình học thể ưu việt TPH truyền thống khả kháng nhiễu cao hơn, đỉnh định vị sắc nhọn A KHI CÓ PHỐI HỢP cong suat chuan hoa cong suat chuan hoa Kết mô dùng liệu âm SACLANT trường hợp phối hợp chon mức SNR=10 dB 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 phương 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 hướng chiếu hình học làm cực đại tín hiệu Cong suat chuan hoa Hình TPH truyền thống phối hợp, SNR= -3 dB, số snapshot