Thiết kế hệ thống anten mảng cho hệ thống sonar

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Thiết kế hệ thống anten mảng cho hệ thống Sonar NGUYỄN ĐÌNH THẢO Thao.NDCA190160@sis.hust.edu.vn Ngành: Kỹ thuật viễn thơng Giảng viên hƣớng dẫn: TS Nguyễn Thu Nga Chữ ký GVHD Viện: Điện Tử - Viễn Thông HÀ NỘI, 12/2021 LỜI CẢM ƠN Với phát triển không ngừng công nghệ, đặc biệt sống thời đại cơng nghệ 4.0, có nhiều cơng nghệ đƣợc phát triển ứng dụng Nhằm cao kiến thức nhƣ kỹ học tập nghiên cứu em định đăng ký chƣơng trình học thạc sỹ trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, ngơi trƣờng mà em gắn bó suốt năm học đại học Trong trình học tập nghiên cứu lúc học nhƣ chƣơng trình học Thạc sỹ trƣờng, em xin chân thành cảm ơn thầy phịng thí nghiệm Wicom Lab, đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô giáo TS Nguyễn Thu Nga với thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Đức tạo điều kiện thuận lợi nhất, hỗ trợ bảo tận tình hƣớng dẫn em để em hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp Cùng với em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới thầy cô, anh chị, em sinh viên Wicom Lab trình nghiên cứu giúp đỡ, hỗ trợ nhiệt tình em vấn đề khó khăn gặp phải thực Trong phạm vi thời gian có hạn, luận văn cịn nhiều điểm thiếu sót hạn chế Em mong nhận đƣợc đánh giá đóng góp từ thầy cô bảo giúp em để em hồn thiện thêm kiến thức kỹ để phát triển lĩnh vực nhƣ hồn thiện đồ án Em xin chân thành cảm ơn! Học viên Nguyễn Đình Thảo LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu tìm hiểu tơi, nội dung đề xuất luận văn kết trình học tập nghiên cứu đƣợc tiếp thu từ thầy/cơ hƣớng dẫn phịng thí nghiệm Wicom Lab thuộc viện Điện Tử Viễn Thông, trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực tham khảo có dẫn chứng cụ thể Những đánh giá, nhận xét cá nhân đƣợc đƣa từ lý thuyết mô Matlab q trình nghiên cứu khơng trùng lặp với đề tài nghiên cứu trƣớc Trên cam kết ràng buộc trách nhiệm tác giả nội dung đƣợc trình bày luận văn Học viên Nguyễn Đình Thảo TĨM TẮT LUẬN VĂN Trong tất hệ thống truyền tin không dây, anten thành phần thiếu hệ thống, có nhiệm vụ truyền thu nhận tín hiệu từ mơi trƣờng truyền dẫn để truyền tin xử lý Công nghệ anten ngày phát triển đƣợc ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực đời sống nhƣ thiết bị dân dụng dân hay thiết bị có tính đặc thù cao quân Trong lĩnh vực dân Sonar có nhiều ứng dụng nhƣ dị cá, đo độ sâu mực nƣớc, lập đồ vùng nƣớc hay vẽ hình dạng bề mặt đại dƣơng… Trong lĩnh vực quân Sonar có ứng dụng quan trọng việc qt dị tìm mục tiêu dƣới nƣớc Cơng nghệ Sonar cịn đƣợc dùng để trang bị cho tàu ngầm, hay thiết bị quét tàu ngầm đƣợc gắn dƣới thân tàu chiến Hệ thống Sonar với đặc trƣng khả xác định định vị nhƣ truyền thông tin môi trƣờng dƣới nƣớc, anten hệ thống đóng vai trị đặc biệt quan trọng để xử lý đƣợc thơng tin thu nhận từ mơi trƣờng Ngồi việc ứng dụng cơng nghệ vào cịn giúp làm tăng khả phạm vi hoạt động nhƣ tăng độ phân giải tính xác thiết bị Luận văn đƣa lý thuyết tổng quan hệ thống Sonar, khái niệm nhƣ đào sâu chi tiết anten mảng pha kỹ thuật beamforming sử dụng cho anten mảng pha thành phần thiếu hệ thống Sonar chủ động Cùng với mơ thực q trình điều pha sử dụng thuật tốn beamforming ứng dụng thuật tốn xác định góc tới nhằm làm sở cho việc ứng dụng thuật toán phần cứng nhằm triển khai cho hệ thống Sonar thực tế Luận văn mô kỹ thuật beamforming để điều khiển búp sóng mảng anten 16 phần tử, đồng thời đề xuất sử dụng phƣơng pháp xác định góc tới thuật tốn MUSIC nhằm áp dụng thực tế ứng dụng dị tìm, triết xuất địa hình mặt đáy xác định vật thể cách xác MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN TÓM TẮT LUẬN VĂN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ PHẦN MỞ ĐẦU 12 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SONAR 15 1.1 Khái niệm Sonar 15 1.2 Lý thuyết thành phần Sonar 18 1.2.1 Âm dƣới nƣớc 18 1.2.2 Hiệu ứng Doppler 27 1.2.3 Tranducer Hydrophone 28 1.2.4 Các kiểu dạng sóng 31 1.2.5 Phƣơng trình Sonar 33 1.2.6 Cơng nghệ truyền sóng 34 1.3 Ứng dụng hệ thống Sonar 35 1.3.1 Ứng dụng dân 35 1.3.2 Ứng dụng quân 37 1.4 Kết luận 37 CHƢƠNG II: ANTEN MẢNG 38 2.1 Mảng tuyến tính 38 2.2 Mảng vòng 39 2.3 Mảng phẳng 41 2.4 Các mảng chùm tia cố định 43 2.4.1 Ma trận Butler 43 2.4.2 Ma trận Blass 45 2.5 Kết luận 45 CHƢƠNG III: KỸ THUẬT BEAMFORMING TRONG ANTEN MẢNG 46 3.1 Mơ hình mảng tổng quát 46 3.1.1 Hệ số mảng 47 3.1.2 Mơ hình mảng 47 3.2 Pha quét định thời 47 3.2.1 Quét pha 49 3.2.2 Quét thời gian 50 3.3 Kỹ thuật beamforming sử dụng phƣơng pháp tổng trễ (Delay and sum beamforming) 52 3.4 Kỹ thuật Beamforming tối ƣu 52 3.5 Các thuật tốn thích nghi 54 3.5.1 Thuật toán quân phƣơng tối thiểu 54 3.5.2 Nghịch đảo ma trận hiệp phƣơng sai lấy mẫu trực tiếp 55 3.5.3 Thuật tốn bình phƣơng tối thiểu đệ quy 55 3.6 Phƣơng pháp xác định hƣớng sóng tới 56 3.6.1 Khái niệm 56 3.6.2 Cơ sở lý thuyết 57 3.7 Kết luận 60 CHƢƠNG IV: HỆ THỐNG ANTEN MẢNG PHA ĐỀ XUẤT VÀ MÔ PHỎNG 61 4.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống 61 4.2 Mô tạo dịch pha búp sóng mảng anten 62 4.3 Mô mối quan hệ phần tử mảng ảnh hƣớng tới búp sóng…………… 65 4.4 Kết luận 71 CHƢƠNG V: KẾT LUẬN CHUNG 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 PHỤ LỤC: CHƢƠNG TRÌNH MATLAB 75 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mơ hình hệ thống SONAR chủ động [1] 17 Hình 1.2 Tốc độ âm thay đổi theo độ sâu [2] 23 Hình Sự phản xạ khúc xạ theo định luật Snell 24 Hình 1.4 Sự suy giảm âm dƣới nƣớc nhƣ hàm tần số mẫu khác [6] 25 Hình 1.5 Mơ hình tƣơng đƣơng điện đầu dị [6] 29 Hình 1.6 Ảnh hƣởng đƣờng kính đầu dị tần số độ rộng chùm tia [6] 31 Hình Các dạng sóng Sonar thơng dụng [3] 32 Hình 2.1 Mảng tuyến tính K phần tử 38 Hình 2.2 Mảng vịng anten [7] 40 Hình 2.3 Mơ hình chiều mảng vịng phần tử với [7] 40 Hình 2.4 Mơ hình anten mảng phẳng [7] 41 Hình 2.5 Mơ hình 3D mảng lục giác [7] 43 Hình 2.6 Cấu trúc hình học mảng lục giác [7] 43 Hình 2.7 Ma trận Butler với số lƣợng phần tử N=4 [8] 44 Hình 2.8 Ma trận Blass [9] 45 Hình 3.1 Mảng ba chiều khơng gian có hình dạng tùy ý [10] 46 Hình 3.2 Pha pha dịch thời gian thu tuyến tính 49 Hình 3.3 Hệ số mảng tuyến tính quét pha phần tử đƣợc tính cho tần số với đƣợc thiết kế để hƣớng búp sóng tới [10] 50 Hình 3.4 Hệ số mảng tuyến tính qt thời gian phần tử đƣợc tính cho tần số với đƣợc thiết kế để hƣớng búp sóng tới [10] 51 Hình 3.5 Sơ đồ tạo búp sóng tổng trễ 52 Hình 3.6 Mảng anten thích nghi [10] 53 Hình 3.7 Sơ đồ khối thuật toán MUSIC 58 Hình 4.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống sonar chủ động 61 Hình 4.2 Khối phát tín hiệu Sonar đề xuất 62 Hình 4.3 Khối thu tín hiệu Sonar đề xuất 62 Hình 4.4 Sơ đồ dịch pha phần tử 63 Hình 4.5 Đồ thị phƣơng hƣớng xạ anten góc biểu điễn tọa độ cực 64 Hình 4.6 Đồ thị phƣơng hƣớng xạ anten góc biểu điễn tọa độ góc 64 Hình 4.7 Thuật tốn MUSIC xác định góc tới tín hiêu góc 65 Hình 4.8 Đồ thị phƣơng hƣớng xạ mảng anten với N=8, d=0.2λ, 67 Hình 4.9 Đồ thị phƣơng hƣớng xạ mảng anten với N=8, d=0.4λ, 67 Hình 4.10 Đồ thị phƣơng hƣớng xạ mảng anten với N=8, d=0.5λ, 68 Hình 4.11 Đồ thị phƣơng hƣớng xạ mảng anten với N=8, d=0.8λ, 68 Hình 4.12 Đồ thị phƣơng hƣớng xạ mảng anten với N=16, d=0.2λ, 69 Hình 4.13 Đồ thị phƣơng hƣớng xạ mảng anten với N=16, d=0.4λ, 69 Hình 4.14 Đồ thị phƣơng hƣớng xạ mảng anten với N=16, d=0.5λ, 70 Hình 4.15 Đồ thị phƣơng hƣớng xạ mảng anten với N=16, d=0.8λ, 70 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 4.1 Sự thay đổi độ rộng búp sóng thay đổi khoảng cách phần tử mảng số lƣợng phần tử 71 10 Thực mô thay đổi đồ thị phƣơng hƣớng xạ mảng anten khi: - Thay đổi khoảng cách phần tử mảng, giữ nguyên số lƣợng phần tử mảng - Thay đổi số số lƣợng phần tử mảng, giữ nguyên khoảng cách phần tử mảng Kết mô nhận xét Đồ thị phƣơng hƣớng xạ mảng anten thể độ rộng búp sóng thay đổi thành phần số lƣợng phần tử mảng khoảng cách phần tử mảng đƣợc thể nhƣ hình 4.8 tới hình 4.15 Hình 4.8 tới hình 4.11 đại diện cho số phần tử mảng khoảng cách phần tử mảng thay đổi lần lƣợt 0.2, 0.4, 0.5 0.8 lần bƣớc sóng Các kết đầu sở cho ta thấy thay đổi số lƣợng phần tử mảng ảnh hƣởng tới độ rộng búp sóng chính, số lƣợng búp sóng phụ góc mở mảng Hình 4.12 tới hình 4.15 đại diện cho số phần tử mảng 16 khoảng cách phần tử mảng thay đổi lần lƣợt 0.2, 0.4, 0.5 0.8 lần bƣớc sóng Các kết đầu sở cho ta thấy thay đổi mảng anten tham số nhƣ độ rộng búp sóng chính, số lƣợng búp sóng phụ, … mảng có thay đổi khoảng cách phần tử mảng 66 Hình 4.8 Đồ thị phương hướng xạ mảng anten với N=8, d=0.2λ, Hình 4.9 Đồ thị phương hướng xạ mảng anten với N=8, d=0.4λ, 67 Hình 4.10 Đồ thị phương hướng xạ mảng anten với N=8, d=0.5λ, Hình 4.11 Đồ thị phương hướng xạ mảng anten với N=8, d=0.8λ, 68 Hình 4.12 Đồ thị phương hướng xạ mảng anten với N=16, d=0.2λ, Hình 4.13 Đồ thị phương hướng xạ mảng anten với N=16, d=0.4λ, 69 Hình 4.14 Đồ thị phương hướng xạ mảng anten với N=16, d=0.5λ, Hình 4.15 Đồ thị phương hướng xạ mảng anten với N=16, d=0.8λ, 70 Nhận xét  Từ kết mô phỏng, ta thấy với số lƣợng phần tử mảng, khoảng cách phần tử mảng tăng so với số lần bƣớc sóng búp sóng tạo mảng hẹp số lƣợng búp sóng phụ tạo nhiều  Cùng khoảng cách phần tử mảng, số lƣợng phần tử mảng tăng búp sóng hẹp số lƣợng búp sóng phụ tạo nhiều  Bảng 4.1 thể giá trị độ rộng búp sóng trƣờng hợp mơ phỏng, từ kết cho thấy với giá trị số phần tử mảng 16 khoảng cách phần tử mảng 0.8 lần bƣớc sóng cho giá trị góc mở búp sóng đạt giá trị bé (độ định hƣớng cao nhất) Khoảng cách Số lƣợng phần tử Độ rộng búp sóng (degree) 0.2λ 32,31 16 16 16 16 8 12,77 16 6,31 7,78 16 3,92 0.4 λ 0.5 λ 0.8 λ Bảng 4.1 Sự thay đổi độ rộng búp sóng thay đổi khoảng cách phần tử mảng số lượng phần tử 4.4 Kết luận Trong chƣơng luận văn mô tả tổng quan hệ thống đề xuất, thực mô kỹ thuật beamforming sử dụng phƣơng pháp delay and sum, thực thay đổi tham số số lƣợng phần tử khoảng cách phần tử để quan sát thay 71 đổi pha mảng thực mô thuật tốn MUSIC với kịch có nhiễu nhằm xác định khả áp dụng thuật toán 72 CHƢƠNG V: KẾT LUẬN CHUNG Trong lĩnh vực dị tìm định vị, Sonar công nghệ thiếu đƣợc sử dụng đặc biệt môi trƣớc Sonar đƣợc áp dụng nhiều ứng dụng ngày lĩnh vực quân dân Là thành phần quan trọng tất cơng nghệ truyền thơng khơng dây, anten đóng vai trị khơng thể thiếu Với tiến công nghệ đặc biệt lĩnh vực anten mang lại nhiều công nghệ tạo loại anten thơng minh có khả thích ứng thay đổi theo yêu cầu ứng dụng Đặc biệt lĩnh vực dị tìm định vị, cơng nghệ giúp tăng khả khoảng cách, khả dị tìm xác định cách xác vật thể Luận văn nghiên cứu mô kỹ thuật beamforming, kỹ thuật điều khiển pha sử dụng phƣơng pháp kỹ thuật beamforming, đồng thời nghiên cứu phƣơng pháp xác định góc tới nhằm áp dụng thực tế ứng dụng dị tìm xác định vật thể xác Tuy luận văn cịn chƣa đạt đƣợc nhiều kết bật, đặc biệt chƣa thể chứng minh đƣợc thực nghiệm nhiều yếu tố ảnh hƣởng nhƣng em mong nhận đƣợc đóng góp thầy để giúp em hồn thiện luận văn Hƣớng phát triển Triển khai thuật toán điều khiển pha, beamforming thiết bị phần cứng DSP mạch logic khả trình Triển khai thuật tốn xác định hƣớng góc đến để xác định thay đổi pha áp dụng thuật toán beamforming Xây dựng hệ thống thu phát, dị tìm hồn thiện sử dụng beamforming cho hệ thống SONAR chủ động 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://en.wikipedia.org/wiki/Sonar - Truy cập lần cuối 3/9/2021 [2] Richard P Hodges , “Underwater Acoustics Analysis, Design and Performance of Sonar” [3] Douglas A Abraham, “Underwater Acoustic Signal Processing Modeling, Detection, and Estimation” [4] David M Howard, Jamie Angus , “Acoustics and Psychoacoustics” [5] Finn B Jensen, William A Kuperman, Michael B Porter, Henrik Schmidt , “Computational Ocean Acoustics” [6] X Lurton, “An introduction to underwater acoustics: principles and applications” Springer Science & Business Media, 2002 [7] John Litva , “Digital Beamforming in Wireless Communications”, 1996 [8] Frank Gross, “Smart Antennas with MATLAB” [9] Mai Văn Luận, K, “Kỹ thuật tạo dạng búp sóng thích nghi (Adaptive Beamforming) Anten mảng phacho hệ thống vệ tinh tầm thấp”, 2009 [10] https://vtechworks.lib.vt.edu/bitstream/handle/10919/27291/ch3.pdf 74 PHỤ LỤC: CHƢƠNG TRÌNH MATLAB Chƣơng trình mơ tạo dịch pha búp sóng mảng anten clc clear all close all format long % inital steer angle in degrees, measured from the array axis % doa=[20 60]/180*pi; doa = 45/180*pi; % Number of sample N=200; % Frequency % w=[pi/4 pi/3]'; w = pi/2; % Number of array element M = 16; % Number of transmit signal P = length(w); % Velocity signal c = 1500; % Transmit Frequency f = 173e3; % wavelength lambda=c/f; % element spacing d=lambda/2; % SNA snr = 20; % Propagation constant for signal at original frequency 75 kc = 2*pi/lambda; % Matrix P column, M row D=zeros(P,M); % Angle scan theta = -pi/2:0.01:pi/2; sum1=0; for n=0:M-1 value = exp(1i*(n*kc*d*(sin(theta)-sin(doa)))); sum1 = sum1 + value; end % Normalised AF AF1=sum1/max(sum1); figure(1) plot((theta*180/pi),20*log10(AF1),'b');grid on; axis([-90 90 -80 1]) ylabel('Beam-pattern (dB)') xlabel('\theta (degrees)') % Polar plot sita = 0:0.001:2*pi; R = abs(sin(M*pi*d.*sin(sita-doa)./lambda)./M./sin(pi*d.*sin(sita-doa)./lambda)); figure(2); polar(sita, R); for k=1:P % Assign weight matrix D(k,:)=exp(-j*kc*d*sin(doa(k))*[0:M-1]); end D=D'; % Multiple with carry wave xx=2*exp(j*(w*[1:N])); 76 % xx = exp(j*(w*[1:N])); x=D*xx; % Insert Gaussian white noise x=x+awgn(x,snr); % Data covarivance matrix R=x*x'; % Find the eigenvalues and eigenvectors of R [N,V]=eig(R); % Estimate noise subspace NN=N(:,1:M-P); % Peak search theta=-90:0.5:90; for ii=1:length(theta) SS=zeros(1,length(M)); for jj=0:M-1 SS(1+jj)=exp(-j*2*jj*pi*d*sin(theta(ii)/180*pi)/lambda); end PP=SS*NN*NN'*SS'; Pmusic(ii)=abs(1/ PP); end % Spatial spectrum function Pmusic=10*log10(Pmusic/max(Pmusic)); figure(3) plot(theta,Pmusic,'-b') xlabel('angle \theta/degree') ylabel('spectrum function P(\theta) /dB') title('DOA estimation based on MUSIC algorithm ') grid on Chƣơng trình mơ mối quan hệ thành phần mảng 77 clear all close all j=sqrt(-1); % speed of wave v= 1500; % carrier frequency fc= 173e3; % wavelength lambda= v/fc; d1 = [0.2 0.4 0.5 0.8]; % element spacing d= d1*lambda; % Propagation constant for signal at original frequency k1=2*pi/lambda; % Number of elements N=16; % Inital steer angle in degrees, measured from the array axis theta0 = 0; % Scan from to pi theta=-pi/2:0.01:pi/2; % Convert from degrees to radians theta0= theta0*pi/180; sum1=0; sum2=0; sum3=0; sum4=0; for n=0:N-1 value = exp(j*(n*k1*d(1)*(sin(theta)-sin(theta0)))); sum1 = sum1 + value; 78 end for n=0:N-1 value = exp(j*(n*k1*d(2)*(sin(theta)-sin(theta0)))); sum2 = sum2 + value; end for n=0:N-1 value = exp(j*(n*k1*d(3)*(sin(theta)-sin(theta0)))); sum3 = sum3 + value; end for n=0:N-1 value = exp(j*(n*k1*d(4)*(sin(theta)-sin(theta0)))); sum4 = sum4 + value; end AF1=sum1/max(sum1); % Normalised AF AF2=sum2/max(sum2); % Normalised AF AF3=sum3/max(sum3); % Normalised AF AF4=sum4/max(sum4); % Normalised AF figure(1) plot((theta*180/pi),20*log10(AF1),'b'); grid on; axis([-90 90 -80 1]) title({['N = ', num2str(N), ', d = ', num2str(d1(1)) , 'λ']}, 'FontSize', 13); ylabel('Beam-pattern (dB)') xlabel('\theta (degrees)') figure(2) plot((theta*180/pi),20*log10(AF2),'b'); grid on; axis([-90 90 -80 1]) title({['N = ', num2str(N), ', d = ', num2str(d1(2)) , ' λ ']}, 'FontSize', 13); 79 ylabel('Beam-pattern (dB)') xlabel('\theta (degrees)') figure(3) plot((theta*180/pi),20*log10(AF3),'b'); grid on; axis([-90 90 -80 1]) title({['N = ', num2str(N), ', d = ', num2str(d1(3)) , ' λ ']}, 'FontSize', 13); ylabel('Beam-pattern (dB)') xlabel('\theta (degrees)') figure(4) plot((theta*180/pi),20*log10(AF4),'b'); grid on; title({['N = ', num2str(N), ', d = ', num2str(d1(4)) , ' λ ']}, 'FontSize', 13); axis([-90 90 -80 1]) ylabel('Beam-pattern (dB)') xlabel('\theta (degrees)') 80 ... xuất phƣơng pháp thiết kế hệ thống anten mảng pha phƣơng pháp xác định hƣớng sóng đến hệ thống Sonar chủ động - Mô phỏng, tối ƣu tham số thiết kế để đạt đƣợc thông số tối ƣu cho hệ thống Cụ thể:... nghiên cứu mảng anten đƣợc thiết kế dùng cho hệ thống Sonar chủ động Các kết mô hƣớng đề xuất sử dụng thuật tốn MUSIC kết hợp điều khiển búp sóng mảng anten đƣợc đề xuất Những nghiên cứu kết luận... 2.5 Kết luận Trong chƣơng luận văn nêu đƣợc lý thuyết anten mảng, phân bố hình học khơng gian loại anten mảng nhƣ anten mảng tuyến tính, mảng vịng mảng phẳng, đƣa tảng để tính hệ số anten cho anten