Nghiên cứu giải pháp nhảy tần băng rộng cho hệ thống định vị dưới nước chủ động

Các hệ thống định vị thủy âm chủ động hiện nay hầu hết sử dụng các tín hiệu điều chế xung đơn dạng Sin, Cosin hoặc điều tần tuyến tính hoặc Hypebol. Bài viết công bố giải pháp tín hiệu nhảy tần băng rộng mới sử dụng mã Costas nhằm nâng cao khả năng phát hiện, khả năng phân giải cho các hệ thống định vị thủy âm chủ động.

TNU Journal of Science and Technology 227(08): 449 - 457 A SOLUTION OF WIDEBAND HOPPING FOR ACTIVE UNDERWATER NAVIGATION SYSTEMS Dinh Thi Thuy Duong* Academy of Military Science and Technology ARTICLE INFO Received: 29/4/2022 Revised: 30/5/2022 Published: 31/5/2022 KEYWORDS Stepped Frequency PhaseCoded Stepped Frequency High Range Resolution Costas Hydroacoustic signal ABSTRACT Active underwater navigation systems have mostly used single pulse modulation signals of the sine, cosine, hyperbolic, or linear frequency modulation in recent years These systems using the signals are limited factors such as range resolution, low azimuth; bad antiinterference ability; the maximum detection distance is not large and it is not possible to ensure the secrecy of the transmitted signal structure This paper presents a new broadband signal solution using Costas code to improve detection and resolution capabilities for active underwater navigation systems The research proposes a model of frequency hopping hydroacoustic signal according to the Costas rule and signals combining Costas frequency hopping with linear frequency modulation, applied on the active sonar model of ultra-short baseline USBL Simulation results show that the discriminant ability of the navigation system depends only on the bandwidth of the signal, gain of the signal to noise ratio at the output of the combined filter is 17 dB with the Costas N=8 and 23.8 dB with Costas N=16 This result allows the design of longer signal chains to improve activity range of the sonar system while ensuring high resolution at range NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NHẢY TẦN BĂNG RỘNG CHO HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ DƯỚI NƯỚC CHỦ ĐỘNG Đinh Thị Thùy Dương Viện Khoa học Cơng nghệ Qn THƠNG TIN BÀI BÁO Ngày nhận bài: 29/4/2022 Ngày hoàn thiện: 30/5/2022 Ngày đăng: 31/5/2022 TỪ KHÓA Nhảy tần Nhảy tần băng rộng Phân giải cao Costas Tín hiệu thủy âm TĨM TẮT Các hệ thống định vị thủy âm chủ động hầu hết sử dụng tín hiệu điều chế xung đơn dạng Sin, Cosin điều tần tuyến tính Hypebol Các hệ thống định vị thủy âm chủ động sử dụng tín hiệu có hạn chế: khả phân giải cự li, phương vị thấp; khả chống nhiễu kém; cự li phát cực đại khơng lớn khơng có khả đảm bảo bí mật cấu trúc tín hiệu phát Bài báo cơng bố giải pháp tín hiệu nhảy tần băng rộng sử dụng mã Costas nhằm nâng cao khả phát hiện, khả phân giải cho hệ thống định vị thủy âm chủ động Nghiên cứu đề xuất cấu trúc tín hiệu thủy âm nhảy tần theo quy luật Costas tín hiệu kết hợp nhảy tần Costas với điều tần tuyến tính, ứng dụng mơ hình sonar chủ động kiểu đường sở cực ngắn USBL (Ultra-short Baseline) Kết nghiên cứu cho thấy khả phân biệt hệ thống định vị phụ thuộc vào băng thơng tín hiệu, độ lợi tỷ số tín/tạp đầu lọc phối hợp đạt 17 dB với Costas N=8 23,8 dB với Costas N=16 Điều cho phép thiết kế chuỗi tín hiệu có độ dài lớn để nâng cao cự li làm việc hệ thống sonar mà đảm bảo khả phân giải cao cự li DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.5927 Email: duongmta@gmail.com http://jst.tnu.edu.vn 449 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(08): 449 - 457 Giới thiệu Do tầm quan trọng lĩnh vực định vị thủy âm quân sự, nghiên cứu lý thuyết dạng sóng nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu xây dựng để nâng cao chất lượng cho hệ thống Các nghiên cứu sonar chủ động hướng tới số vấn đề Mở rộng vùng quan sát, tham số phụ thuộc cơng suất trung bình tín hiệu phát đi, hay độ rộng xung phát [1], [2] Các giải pháp nâng cao công suất đỉnh xung phát bị giới hạn khả khuếch đại công suất công suất chịu đựng hệ cảm biến Khi mở rộng độ rộng xung phát dẫn tới giảm khả phân biệt cự ly can nhiễu đa đường xuất xung Nâng cao khả phân giải cự ly giải pháp nâng cao khả phân biệt cự li thực giảm độ rộng xung phát làm giảm cự li quan sát sonar Hầu hết người ta sử dụng giải pháp mở rộng phổ tín hiệu hay sử dụng tín hiệu dải rộng [3], [4] Nâng cao khả phân biệt phương vị giải pháp nâng cao khả phân biệt phương vị thực thông qua kết xử lý beaming tín hiệu Hai kỹ thuật beaming tạo dạng búp sóng phát định dạng búp sóng thu Một tín hiệu có búp sóng nhọn, búp sóng phụ thấp phía phát, phía thu cho phép khả phân biệt phương vị hiệu thơng qua phân tích tương quan thời gian mơ hình định hướng sóng tới TOA (Time of Arrival) [3]-[6] Nâng cao khả chống nhiễu, hệ thống chống nhiễu tốt hệ thống tạo tín hiệu băng rộng phía phát Khả chống nhiễu đa đường (fading) phụ thuộc vào vấn đề thu xử lý tín hiệu phía thu Giải pháp sử dụng tín hiệu nhảy tần, dải rộng cho phép đạt đồng thời vấn đề đặt Các kỹ thuật điều chế tần số theo quy luật tuyến tính hay hypebol cho phép mở rộng phổ xung phát Tuy nhiên, búp sóng phụ hàm tương quan tín hiệu lớn [7] dẫn đến việc tăng khả báo động nhầm mục tiêu có dấu vết nhỏ Mơ hình hệ thống nghiên cứu Nghiên cứu thực mơ hình sonar chủ động đơn giản hình [8], [9] Trong đó, sử dụng hệ thống cảm biến thu phát dạng trụ trịn gồm cảm biến phát vơ hướng cảm biến thu theo mơ hình USBL L Khối thu kênh ADC Lọc phối hợp Phát định vị Điều khiển Khối phát DAC Tạo tín hiệu Hình Mơ hình hệ thống thực nghiệm sonar chủ động kiểu USBL Trong mơ hình hệ thống USBL trên, dải tần số lựa chọn từ 28 kHz đến 36 kHz Bộ tạo tín hiệu tạo cấu trúc tín hiệu Costas, LFMCostas, sau qua biến đổi sổ - tương tự DAC để chuyển từ tín hiệu số tín hiệu tương tự, sau đưa tới khối phát để phát qua cảm biến phát Bộ tạo tín hiệu thực lưu giữ mẫu số liệu tín hiệu phát đi, đưa đến lọc phối hợp Đầu lọc phối hợp kết tính tốn tương quan tín hiệu thu từ kênh thu qua ADC (tần số lấy mẫu 200 kHz) với tín hiệu gốc ban đầu, tín hiệu đưa tới phát định vị sử dụng kỹ thuật TOA, TOF (Time of Fly) sở độ lệch thời gian sóng tới cảm biến thu khoảng cách cảm biến biết trước http://jst.tnu.edu.vn 450 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(08): 449 - 457 Giải pháp tín hiệu nhảy tần băng rộng 3.1 Tín hiệu nhảy tần Costas Đường bao phức tín hiệu Costas có chuỗi nhảy tần [1]: a= a a , , a  1, (1) M miêu tả công thức: u (t ) = NTc M u m =1 m [t − (m − 1)Tc ] (2) đó: e j 2 fmt  t  Tc um (t ) =  t  [0, Tc ] 0 (3) fm = am Tc (4) Công thức (4) giãn cách tần số nghịch đảo thời gian tồn tần số Điều đảm bảo tính trực giao tín hiệu để phổ tín hiệu xung mức dB không chồng lấn lên f Một chuỗi xung nhảy bước tần số Costas f f0 Tc t 8.Tc Hình Chuỗi tám xung tín hiệu nhảy bước tần số Costas N = [7 3] Hình mơ tả đặc trưng tần số tín hiệu Costas theo thời gian với chuỗi xung, nhảy tần theo quy luật N=8 [7 3] Hình Dạng sóng tín hiệu Costas N = [7 3] Độ rộng xung chuỗi là: Tc= 1/Δf =1 ms Với Δf = kHz, thỏa mãn tính chất Tc Δf = để đảm bảo tính trực giao tần số xung chuỗi Băng thơng tồn http://jst.tnu.edu.vn 451 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(08): 449 - 457 tín hiệu là: B = 7.Δf = kHz Dạng sóng tín hiệu tạo hệ thống hình Tín hiệu đầu lọc phối hợp cho hình Hình Kết đầu lọc phối hợp 3.2 Tín hiệu kết hợp nhảy tần Costas LFM (LFMCostas) Đường bao phức tín hiệu LFMCostas có phương trình biểu diễn sau [1]: M NTc u (t ) = u m =1 m [t − (m − 1)Tc ] (5) đó: e j 2 fmt  t  Tc um (t ) =  t  [0, Tc ] 0 (6) fm = f am = am Bc = am f Tc (7) Một chuỗi xung LFM nhảy bước tần số Costas Bc Δf f0 Tc t 8.Tc Hình Chuỗi xung tín hiệu LFM nhảy bước tần số Costas N = [7 3] Hình Dạng tín hiệu LFMCostas với N=8 [7 3] http://jst.tnu.edu.vn 452 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(08): 449 - 457 Hình mơ tả đặc trưng tần số tín hiệu LFMCostas theo thời gian với chuỗi xung, nhảy tần theo quy luật N=8 [7 3] Tín hiệu nhảy bước tần số Costas xung điều tần tuyến tính (LFMCostas) có dạng hình Hàm tương quan có dạng hình Hình Hàm tương quan tín hiệu LFMCostas với N=8 [7 3] 3.3 Mơ hình xử lý lọc phối hợp Sơ đồ khối mơ hình xử lý tín hiệu thu miền tần số mơ tả hình Bộ lọc phối hợp thực chất tính tốn tương quan miền thời gian phép tính tích chập Trong hệ xử lý số, việc tính tích chập miền thời gian tương đương với việc tính tích thường miền tần số Đầu Bộ lọc phối hợp tín hiệu nén lại mặt thời gian, tín hiệu đầu vào tín hiệu dải rộng Q trình kỹ thuật xử lý tín hiệu dải rộng gọi trình xử lý phân giải cao (HRR – High Resolution Ranging) Tín hiệu phản xạ u (t) Biến đổi A/D Biến đổi FFT uC(fn) Mẫu số liệu tín hiệu xung thứ n ban đầu u*(f) Bộ nhân UC(fn) uHRR(t) Biến đổi IFFT UHRR(f) Tính tổng N xung Hình Sơ đồ khối mơ hình xử lý HRR tín hiệu Dạng sóng nhảy bước tần số Costas N xung qua khâu xử lý mô tả hình Bộ tính tổng N xung thực miền tần số với N xung nhảy bước tần số, thực chất cộng tích lũy với số vòng lặp n = N, kết thúc vòng lặp, kết đầu chọn khởi tạo lại lấy tổng Nếu lựa chọn phổ xung LFMCostas Bc = Δf, phổ tín hiệu sau xử lý HRR uHRR(t) B = N.Δf Với tín hiệu Costas, phổ tín hiệu đầu B = (N-1).Δf Như vậy, từ chuỗi xung ban đầu, sau xử lý HRR, nhận xung uHRR(t) có độ rộng nén lại theo tỷ số 1/N xung Tc với tín hiệu LFMCostas 1/(N-1) xung Tc với tín hiệu Costas Điều làm nâng cao khả phân biệt cự li độ xác phát định vị Quá trình xử lý nén xung miền tần số mơ tả hình 9, tín hiệu Costas, xung Tc có Bc = Với tín hiệu LFMCostas, xung Tc có Bc = Δf http://jst.tnu.edu.vn 453 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(08): 449 - 457 Bc = Δf Xung #0 f0 Bc = Δf Xung #1 f0 +7Δf Bc = Δf Xung #2 f0 +2Δf Bc = Δf Xung #3 f0 +5Δf Bc = Δf Xung #4 f0 +Δf Bc = Δf Xung #5 f0 +6Δf Bc = Δf Xung #6 f0 +4Δf Bc = Δf Xung #7 tc /N f0 +3Δf IFFT Xung tổng hợp B=Bc + (N-1).Δf = N.Δf Hình Quá trình nén xung miền tần số Đánh giá kết thảo luận 4.1 Cải thiện độ xác phép đo cự ly, góc hướng Độ xác phép đo đặc trưng độ lệch trung bình bình phương phép đo thực N lần đo:  dx ' = N (x − x ) i =1 i /N (8) Trong đó, xi giá trị đo được, x0 giá trị trung bình mục tiêu đối chiếu tới trục x mặt phẳng ngang, N số lần thống kê Một phương pháp để đánh giá thống kê độ lệch chuẩn mẫu đo rời rạc phương pháp Monte Carlo [10] Hệ thống mô thực hệ USBL với hydrophone Tín hiệu mơ so sánh độ lệch trung bình bình phương phép đo cự li tín hiệu LFM Costas N = 8, với 300 lần đo tỷ số tín/tạp đầu vào máy thu 7,6 dB http://jst.tnu.edu.vn 454 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(08): 449 - 457 (a) (b) Hình 10 Thống kê kết đo với 300 lần đo, sử dụng USBL Hydrophone với: (a) L = 10 cm, (b) L = 30 cm với tín hiệu LFM (a) (b) Hình 11 Thống kê kết đo với 300 lần đo, sử dụng USBL Hydrophone với: (a) L = 10 cm, (b) L = 30 cm với tín hiệu Costas N= (a) (b) Hình 12 Thống kê kết đo với 300 lần đo, sử dụng USBL Hydrophone với: (a) L = 10 cm, (b) L = 30 cm với tín hiệu LFMCostas http://jst.tnu.edu.vn 455 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(08): 449 - 457 Kết mơ cho hình 10 đến hình 12, với x, y tọa độ mục tiêu mặt phẳng ngang mặt phẳng đứng L đường kính trụ bao Hydrophone Kết cho thấy, tín hiệu Costas có phân bố kết đo tập trung quanh điểm đo (400 m) tốt tín hiệu LFM LFMCostas Tính tốn định lượng độ lệch chuẩn 300 lần đo cấu trúc tín hiệu khác cho Bảng Kết cho thấy, tín hiệu Costas sử dụng với hệ USBL có đường kính 40 cm đạt phân bố chuẩn 6,63m mặt phẳng ngang 6,62 m mặt phẳng thẳng đứng Trong tín hiệu LFM tương ứng đạt độ lệch chuẩn 7,54 m 7,62 m Bảng Độ lệch chuẩn USBL sử dụng tín hiệu khác Costas N=8 LFMCostas N=8 LFM L (cm) σLx' (m) σLy' (m) σLx' (m) σLy' (m) σLx' (m) σLy' (m) 10 26,35 26,54 36,15 35,84 30,93 30,58 15 17,51 18,30 21,83 22,52 20,30 19,97 20 14,24 13,67 17,29 18,83 15,86 16,40 25 11,53 11,21 13,04 14,24 12,85 12,72 30 8,78 9,03 10,50 11,65 10,23 9,98 40 6,63 6,62 7,73 7,98 7,54 7,62 Từ kết mô cho thấy, với kích thước mảng L, tín hiệu Costas cho phép kết đo hệ thống USBL có độ lệch chuẩn nhỏ so với tín hiệu LFM LFMCostas Điều đạt hệ số nén tín hiệu Costas lớn búp sóng sau nén nhọn so với tín hiệu LFM tín hiệu LFMCostas Với tín hiệu LFMCostas, có hệ số nén cao, tác động búp bên nên dẫn tới độ lệch chuẩn phép đo lớn 4.2 So sánh hiệu tín hiệu Costas so với LFMCostas số tham số Xem xét kết nghiên cứu hai cấu trúc tín hiệu Costas LFMCostas, cho thấy: Ở độ dài chuỗi xung N, tín hiệu LFMCostas cho phép cải thiện tốt hệ số nén độ rộng xung tín hiệu đầu lọc phối hợp Do tín hiệu LFMCostas có băng thông lớn Giá trị so sánh Bảng STT I 1.1 1.2 1.3 II 2.1 2.2 2.3 Bảng So sánh tín hiệu Costas LFMCostas Tham số Cotas Với số xung N=8 Hệ số nén K (lần) ( tương đương dB) 56 (17 dB) Độ rộng xung tín hiệu BLPH (ms) 0,142 Bán kính vùng mù (m) Với số xung N=16 Hệ số nén K (tương đương dB) 240 (23,8 dB) Độ rộng xung tín hiệu BLPH (ms) 0,133 Bán kính vùng mù (m) 24 LFMCostas 64 (18 dB) 0,125 256 (24 dB) 0,125 24 Với độ dài chuỗi N=8, việc tín hiệu LFMCostas cải thiện hệ số nén 2,1 dB so với tín hiệu Costas, tương đương với việc cải thiện công suất phát gấp 1,6 lần Nếu hai hệ thống có cơng suất phát, hệ thống sử dụng tín hiệu LFMCostas cho phép cải thiện thêm 16% cự ly phát cực đại So sánh kết hàm tương quan hình (tín hiệu Costas) hình (tín hiệu LFMCostas), hàm tương quan tín hiệu LFMCostas có búp phụ lớn nằm cách đỉnh trung tâm 0,5 ms tương đương 0,75 m Đặc điểm tính chất tín hiệu LFM Trong điều kiện làm việc thực tế, dễ gây tượng báo động lầm hiểu nhầm búp phụ tín hiệu Đây nhược điểm tín hiệu LFMCostas Việc khắc phục tượng thực việc thiết kế phát CFAR http://jst.tnu.edu.vn 456 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(08): 449 - 457 Kết luận Việc nghiên cứu ứng dụng cấu trúc tín hiệu khác mơ hình hệ thống định vị thủy âm chủ động đơn giản kiểu USBL thu hai vấn đề sau Độ rộng xung đầu lọc phối hợp phụ thuộc vào băng thơng tín hiệu mà khơng phụ thuộc vào độ rộng chuỗi xung phát Độ rộng xung đầu lọc phối hợp định độ xác phép đo cự ly, phương vị độ phân giải hệ thống định vị chủ động nước Do đó, thiết kế tín hiệu băng rộng, cần tận dụng tối đa băng thông làm việc đầu thu phát Hiện nay, đầu thu phát băng rộng có băng thơng từ 10 kHz đến 20 kHz, tùy thuộc vào dải tần số làm việc hệ thống Khi tăng độ dài chuỗi Costas từ lên 16, độ rộng phổ chuỗi xung phát xạ tăng lên 0,5 kHz, dẫn đến độ rộng xung tín hiệu đầu lọc phối hợp giảm từ 0,142 ms xuống 0,133 ms, điều làm tăng khả phân biệt theo cự ly lên cm Độ lợi tỷ số nén tín hiệu đạt đầu lọc phối hợp tăng từ 17 dB lên 23,8 dB, tăng 6,8 dB Đây độ lợi có ý nghĩa lớn cho phép mở rộng phạm vi làm việc hệ thống Trong thiết kế thực tế, theo phạm vi hoạt động hệ thống để lựa chọn độ dài xung phát xạ Xung độ dài dài cho phép truyền xa, nhiên bán kính vùng mù hệ thống lớn TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES [1] N Levanon and E Mozeson, Radar signals A John Wiley & Son, Inc, 2004 [2] K G Kebkal, A I Mashoshin, and N V Morozs “Solutions for Underwater Communication and Positioning Network Development,” Gyroscopy Navig, vol 10, pp 161-179, 2019 [3] D R Wehner, High-Resolution radar, 2nd [M].Artech Houst, 1995 [4] Y Zhang, L Wang, L Qin, and C Zhong, “Wideband and wide beam piezoelectric composite spherical cap transducer for underwater acoustics,” Ferroelectrics, vol 583, no 1, pp 295-305, 2021 [5] L Zhou and Y Zhu, “Hybrid Tightly-coupled SINS/LBL for Underwater Navigation System,” IEEE Access, 2021, doi: 10.1109/ACCESS.2021.3051398 [6] N Kong, D F Shen, C Tian, and C Zhang “A New Low-Cost Acoustic Beamforming Architecture for Real-Time Marine Sensing: Evaluation and Design,” J Mar Sci Eng., vol 9, p 868, 2021, doi: 10.3390/jmse9080868 [7] M Nõmm, Sonar Signal Design and Evaluation with Emphasis on Diver Detection, Kiel, 2015 [8] L Qinghua, “An Ultra-Short Baseline Underwater Positioning System with Kalman Filtering,” Sensors vol 21, no.1, pp.143, 2021 [9] M bA Ainslie, Principles of Sonar Performance Modeling Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2010 [10] C L Clark, LabVIEW Digital Signal Processing: and Digital Communications, McGraw Hill, 2005 http://jst.tnu.edu.vn 457 Email: jst@tnu.edu.vn ... độ rộng chuỗi xung phát Độ rộng xung đầu lọc phối hợp định độ xác phép đo cự ly, phương vị độ phân giải hệ thống định vị chủ động nước Do đó, thiết kế tín hiệu băng rộng, cần tận dụng tối đa băng. .. trọng lĩnh vực định vị thủy âm quân sự, nghiên cứu lý thuyết dạng sóng nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu xây dựng để nâng cao chất lượng cho hệ thống Các nghiên cứu sonar chủ động hướng tới... dẫn đến việc tăng khả báo động nhầm mục tiêu có dấu vết nhỏ Mơ hình hệ thống nghiên cứu Nghiên cứu thực mơ hình sonar chủ động đơn giản hình [8], [9] Trong đó, sử dụng hệ thống cảm biến thu phát