Luận án Tiến sĩ Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ QN SỰ TRẦN CƠNG THÌN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐỊNH VỊ NGUỒN ÂM SỬ DỤNG NGUYÊN LÝ TDOA LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ QN SỰ TRẦN CƠNG THÌN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐỊNH VỊ NGUỒN ÂM SỬ DỤNG NGUYÊN LÝ TDOA Ngành : Kỹ thuật điện tử Mã số : 52 02 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Bùi Ngọc Mỹ PGS TS Nguyễn Huy Hoàng Hà Nội – 2022 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết trình bày luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng 07 năm 2022 TÁC GIẢ Trần Cơng Thìn ii LỜI CẢM ƠN Trong q trình nghiên cứu hồn thành Luận án, Nghiên cứu sinh nhận định hướng, giúp đỡ, ý kiến đóng góp quý báu lời động viên nhà khoa học, thầy giáo, đồng nghiệp gia đình Trước hết, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy PGS.TS Bùi Ngọc Mỹ, PGS.TS Nguyễn Huy Hồng tận tình hướng dẫn giúp đỡ tơi trình nghiên cứu Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn Ban Giám đốc Viện KH-CN quân sự, thủ trưởng cán bộ, nhân viên Phòng Đào tạo tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành nhiệm vụ nghiên cứu Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn thầy cô giáo, nhà khoa học Viện Khoa học Công nghệ quân sự, Viện Điện tử có góp ý quý báu cho nghiên cứu sinh trình thực Luận án Cuối xin bày tỏ lời cảm ơn tới đồng nghiệp, gia đình, bạn bè ln động viên, chia sẻ, ủng hộ giúp đỡ vượt qua khó khăn để đạt kết nghiên cứu Luận án NCS Trần Cơng Thìn iii MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH MỤC CÁC HÌNH ix MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ NGUỒN ÂM SỬ DỤNG NGUYÊN LÝ TDOA 1.1 Sự phát triển khả ứng dụng kỹ thuật định vị nguồn âm 1.1.1 Sự phát triển kỹ thuật định vị nguồn âm 1.1.2 Khả ứng dụng kỹ thuật định vị nguồn âm 1.2 Mơ hình hệ thống định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA 13 1.2.1 Phân loại kỹ thuật định vị nguồn âm 13 1.2.2 Mơ hình hệ thống định vị nguồn âm 16 1.2.3 Định vị nguồn âm dựa nguyên lý TDOA 19 1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA 20 1.3.1 Các bước thực định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA 20 1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA 22 1.4 Một số kết nghiên cứu định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA 24 1.4.1 Các nghiên cứu liên quan tới phát kiện âm 24 1.4.2 Các nghiên cứu liên quan tới ước tính khác biệt thời gian đến 25 1.4.3 Các nghiên cứu liên quan tới tính tốn vị trí nguồn âm 27 iv 1.5 Xây dựng toán nâng cao chất lượng định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA 1.5.1 29 Đặt toán nâng cao chất lượng định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA 29 1.5.2 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu giới hạn toán 29 1.5.3 Mơ hình thực nghiệm 30 1.6 Kết luận chương 33 CHƯƠNG ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP PHÁT HIỆN SỰ KIỆN ÂM THANH VÀ NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ƯỚC LƯỢNG KHÁC BIỆT THỜI GIAN ĐẾN 2.1 Đề xuất giải pháp phát kiện âm 35 35 2.1.1 Một số giải pháp phát kiện âm 35 2.1.2 Mô đánh giá khả phát kiện âm 40 2.1.3 Đề xuất giải pháp tiền xử lý tín hiệu kết hợp lọc tương quan 2.2 46 Đề xuất giải pháp nâng cao độ xác ước tính khác biệt thời gian đến 58 2.2.1 Ước tính khác biệt thời gian đến sử dụng phương pháp tương quan chéo tổng quát 2.2.2 58 Đề xuất giải pháp nâng cao chất lượng ước tính khác biệt thời gian đến sử dụng trọng số thích nghi 63 2.2.3 Mô đánh giá giải pháp nâng cao chất lượng ước tính khác biệt thời gian đến 68 2.3 Kết luận chương 73 CHƯƠNG XÂY DỰNG GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ NGUỒN ÂM VỚI VẬN TỐC ÂM THANH LÀ BIẾN SỐ 3.1 75 Các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc lan truyền âm khơng khí 75 v 3.2 Đề xuất phương pháp giải toán định vị nguồn âm với vận tốc âm biến số 78 3.2.1 Phương pháp chia nhỏ không gian định vị để giải toán định vị nguồn âm 78 3.2.2 Mô đánh giá ảnh hưởng vận tốc âm tới sai số định vị nguồn âm 81 3.2.3 Phương pháp định vị nguồn âm coi vận tốc âm biến số 84 3.2.4 Kết mô giải pháp 88 3.3 Định vị nguồn âm sử dụng nhiều cụm cảm biến 89 3.4 Tổng hợp mơ hình hệ thống định vị nguồn âm 92 3.4.1 Mơ hình giải pháp tổng thể hệ thống định vị nguồn âm 92 3.4.2 Một số nhận xét khuyến nghị 95 3.5 Kết luận chương 97 KẾT LUẬN 99 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO 102 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT αi Hệ số suy giảm công suất β Hệ số loại bỏ thành phần biên độ γ Hằng số đặc trưng môi trường truyền âm Φ(f ) Hàm trọng số miền tần số cov(X, Y ) Hiệp phương sai hai biến X&Y τij (m) Trễ thời gian tới hai cảm biến i&j τi Thời gian âm truyền từ nguồn tới cảm biến thứ i h đáp ứng xung kênh truyền δX Độ lệch chuẩn hai biến X ετ Sai số trễ thời gian tới xs Vị trí nguồn âm khơng gian qm Vị trí cụm cảm biến mi Vị trí cảm biến (m) ri Khoảng cách từ vị trí cảm biến tới nguồn âm st Tín hiệu phát từ nguồn âm xi (t) Tín hiệu thu cảm biến thứ i τij Trễ thời gian tới hai cảm biến i&j v Vận tốc âm L(z) Tỉ lệ khả xảy kiện âm Hp0 Giả thuyết khơng có kiện âm Hp1 Giả thuyết có kiện âm cov(X, Y ) Hiệp phương sai hai biến X&Y rM AX Hệ số tương quan cực trị rng Ngưỡng phát kiện âm A Ma trận chứa hệ số trộn vii y Vector tín hiệu sau quy tâm z Vector tín hiệu sau trắng hóa J(z) Khoảng cách thơng tín tới tín hiệu có phâ bố chuẩn Gi Hàm đối tượng Negentropy Sxi xj (f ) Hàm Cross Spectrum γ Hằng số đặc trưng môi trường truyền âm R Hằng số khí phổ T Nhiệt độ khơng khí M Khối lượng phân tử trung bình ASLS Hệ thống định vị tiếng nổ súng (Acoustic Shooter Locating System) BP F Lọc dải thông (Band Pass Filter) CCC Tương quan chéo kinh điển (Classical Cross Correlation) CN N Mạng Neural tích chập (Convolutional Neural Networks) DOA Góc đến (Direction of Arrival) GN SS Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu (Global Navigation Satellite System) GCC Tương quan chéo tổng quát (Generalized Cross Correlation) GCF Trường phối hợp toàn cục (Global Coherence Field) EBL Định vị dựa đặc trưng lượng (Energy Based Localization) ER Tỉ lệ lượng (Energy Ratio) FFT Biến đổi Fourier nhanh (Fast Fourier Transform) F IR Đáp ứng xung hữu hạn (Finite Impulse Response) ICA Phân tích thành phần độc lập (Independent Component Analysis) IF F T Biến đổi Fourier ngược nhanh (Inverse Fast Fourier Transform) M EM S Cảm biến vi (Micro Electro Mechanical Systems) ML Học máy (Machine Learning) M U SIC Phân lớp nhiều tín hiệu (MUltiple SIgnal Classification) P HAT Biến đổi pha (Phase Transform) RN N Mạng Neural hồi tiếp (Recurrent Neural Networks) viii SCOT Làm trơn tín hiệu (Smoothed Coherence Transform) SSL Định vị nguồn âm (Sound Source Localization) SN R Tỉ số tín tạp (Signal to Noise Ratio) SRP Định hướng phản hồi lượng (Steered Response Power) SKAT Sự kiện âm T BL Định vị theo đặc trưng thời gian (Time Based Locaclization) T DOA Khác biệt thời gian đến (Time Difference of Arrival) T DE Ước tính thời gian trễ (Time Delay Estimation) T OA Thời gian đến (Time of Arrival) WF Lọc băng (Wavelet Filter) 87 BẮT ĐẦU Nhập liệu đầu vào m=1 n=1 Thiết lập không gian định vị OXYZ p=1 Thiết lập vị trí cảm biến mi khơng gian v=1 Chia nhỏ không gian định vị MSE < MSEmin S Đ Thiết lập vị trí nguồn âm giả định tương ứng với vận tốc âm MSEmin=MSE Xác định khoảng cách từ nguồn âm tới cảm biến v=v+1; v>V S Đ Xác định khác biệt thời gian đến p=p+1; p>P S Đ Ước tính khác biệt thời gian đến dùng thuật toán GCC-PHAT-β n=n+1; n>N S Đ Xác định vị trí nguồn âm, vận tốc âm Đ m=m+1; m>M S KẾT THÚC Hình 3.8 Lưu đồ thuật tốn giải pháp giải pháp định vị nguồn âm 88 3.2.4 Kết mô giải pháp SAI SO VAN TOC AM THANH d=100m d=200m d=300m d=400m d=500m Sai so van toc am (m/s) 3.5 2.5 1.5 0.5 -20 -15 -10 -5 10 15 20 Sai so van toc am (m/s) Hình 3.9 Sai số vận tốc âm Giải pháp đề xuất tiến hành mô Monte-Carlo Matlab theo sơ đồ mơ hình 3.5 tham số giới hạn thực giống mô trước, với vận tốc âm đưa vào tính tốn nằm khoảng 331 ÷ 371m/s Kết mô sai số vận tốc âm vˆ xác định vận tốc âm thực tế v giả định thể hình 3.9, sai số trung bình nằm khoảng ÷ 2, 5m/s SAI SO DINH VI NGUON AM THEO VAN TOC AM THANH 30 d=100m d=200m d=300m d=400m d=500m Sai so dinh vi (m) 25 20 15 10 -20 -15 -10 -5 10 15 Sai so van toc am (m/s) Hình 3.10 Sai số định vị nguồn âm vận tốc âm biến số 20 89 Hình 3.9 kết mơ sai số định vị nguồn âm vận tốc âm coi biến số, sai số nằm khoảng 11 ÷ 15m Như vậy, độ xác định vị cải thiện so với trường hợp coi vận tốc âm số hình 3.10 Tuy nhiên với cách giải toán định vị phương pháp chia nhỏ khơng gian định vị có số nhược điểm như: cần biết trước giới hạn không gian mà nguồn âm xuất hiện, số lượng phép tính lớn (nếu chọn độ chia δd nhỏ) đòi hỏi lực tính tốn hệ thống tăng lên 3.3 Định vị nguồn âm sử dụng nhiều cụm cảm biến Phương pháp định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA mặt nguyên tắc xây dựng sở khác biệt đặc tính pha tín hiệu âm nhận cảm biến khác Sự khác biệt tín hiệu thu cảm biến có nguồn gốc sai khác vị trí cảm biến so với nguồn âm, cảm biến đặt vị trí sai khác khơng cịn Sự sai khác vị trí cảm biến có mối quan hệ với giá trị khác biệt thời gian đến τij theo công thức (1.7) Trong hệ thống số, giá trị τij đo lường số nguyên lần thời gian lấy mẫu tín hiệu, τij nhỏ, sai số lượng tử hóa chiếm tỉ lệ lớn, điều gây sai số trình định vị nguồn âm Trong trường hợp lý tưởng, cảm biến âm nằm đỉnh vùng không gian chứa nguồn âm cần định vị, khác biệt vị trí cảm biến so với nguồn âm lớn Tuy nhiên với hệ thống định vị nguồn âm trời, cự ly định vị xa, việc triển khai cảm biến vị trí khó khăn yêu cầu đồng thời gian cảm biến Để khắc phục điều đó, hệ thống bao gồm cụm cảm biến độc lập đề xuất Trong cụm cảm biến định vị nguồn âm cách độc lập, thông tin vị trí nguồn âm cụm cảm biến đồng bộ, tính tốn tìm vị trí nguồn âm cần định vị hệ thống Thiết lập m cụm cảm biến qm = [qx,m , qy,m , qz,m ]T vị trí 90 Hình 3.11 Định vị nguồn âm sử dụng 04 cụm cảm biến cụm cảm biến không gian Giả thiết xảy kiện âm thanh, cụm cảm biến định vị vị trí nguồn âm độc lập tương ứng với bm = (xm , ym , zm )T cụm có dạng x Vị trí nguồn âm khơng gian cần tìm giao điểm của đường thẳng nối vị trí cụm cảm biến qm vị trí nguồn âm mà bm Do sai số trình ước tính vị trí cụm cảm biến định vị x nguồn âm cụm cảm biến, việc đường thẳng cắt không gian khó xảy ra, phần lớn trường hợp đường thẳng chéo Khi tốn tìm giao điểm đường thẳng chuyển thành tốn tìm điểm khơng gian mà tổng bình phương khoảng cách từ điểm tới đường thẳng nhỏ Trong đó: bs = arg x bs x M X d2m m=1 d khoảng cách từ từ nguồn âm tới đường thẳng; (3.14) 91 M số cụm cảm biến không gian Mỗi đường thẳng nối cụm cảm biến qm vị trí nguồn âm định vị cụm cảm biến cịn xác định thơng qua điểm gốc qm vector phương ni (3.15) ni = [xm − qx,m , ym − qy,m , zm − qz,m ]T Khi đó, bình phương khoảng cách từ nguồn âm cần xác định tới đường thẳng thứ m xác định thơng qua định lý Pythagoras: h i2 (3.16) d2m = [∥ˆ xs − qm ∥]2 − (ˆ x s − qm ) T n i h i T Trong (ˆ xs − qm ) ni hình chiếu ∥ˆ xs − qm ∥ lên đường thẳng thứ m Vậy tổng khoảng cách bình phương tới tất đường thẳng có dạng sau: M X d2m = m=1 M X h T [∥ˆ xs − qm ∥] − (ˆ x s − qm ) n i m=1 i2 (3.17) Để tìm cực tiểu biểu thức (3.17) tiến hành đạo hàm biểu thức bm xác định điểm cực tiểu đạo hàm không: theo biến x h i i M h P T (ˆ xs − qm ) − (ˆ x s − qm ) n i n i = m=1 M P (ˆ x s − qm ) = m=1 M P ni nTi (ˆ xs m=1 Kết thu (3.19) xˆs = M P m=1 M P I ma trận đơn vị − qm )
ni nTi − I qm m=1 (3.18) ni nTi − I
(3.19) Tiến hành mô đánh giá sai số định vị hệ thống định vị nguồn âm sử dụng mô hình 3.5, vị trí nguồn âm tính tốn dựa thông tin đến từ cụm cảm biến đặt cách khoảng cách 50m Kết sai số định vị hệ thống thể hình 3.12 92 SAI SO DINH VI NGUON AM THEO CU LY 20 cum cam bien cum cam bien cum cam bien 18 16 Sai so dinh vi (m) 14 12 10 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Cu ly dinh vi (m) Hình 3.12 Sai số định vị theo cự ly với 1, cụm cảm biến Có thể nhận thấy sai số định vị tính tốn vị trí nguồn âm giải pháp sử dụng cụm cảm biến có độ xác cao so với việc sử dụng thông tin cụm cảm biến độc lập Tuy nhiên việc tăng số lượng cụm cảm biến khiến hệ thống định vị nguồn âm trở nên phức tạp, khối lượng tính tốn tăng lên Bên cạnh đó, số lượng cụm cảm biến âm đưa vào tính toán lớn hiệu cải thiện giải pháp khơng thể rõ ràng Do cần trì số lượng cụm cảm biến âm số lượng phù hợp 3.4 Tổng hợp mơ hình hệ thống định vị nguồn âm 3.4.1 Mơ hình giải pháp tổng thể hệ thống định vị nguồn âm Trên sở phương pháp, thuật toán thực chương chương luận án, mơ hình tổng hợp hệ thống định vị nguồn âm xây dựng nhằm nâng cao chất lượng định vị Trong mơ hình này, hệ thống định vị nguồn âm bao gồm nhiều cụm cảm biến thiết bị xử lý kèm có nhiệm vụ xác định kiện âm thanh, định vị nguồn âm gửi thông tin định vị nguồn âm trung tâm 93 Hình 3.13 Mơ hình hệ thống định vị nguồn âm đề xuất Ngoài cụm cảm biến tích hợp hệ thống định vị vệ tinh GNSS nhằm xác định xác vị trí đặt cụm cảm biến, kết hợp với la bàn số xác định hướng xoay cụm cảm biến Những thông tin tổng hợp lại có khả chuyển đổi thơng tin định vị tương đối cụm cảm biến nguồn âm thành thông tin định vị tuyệt đối kinh độ, vĩ độ mục tiêu qua cho phép hiển thị vị trí mục tiêu đồ số Thông tin từ trạm định vị gửi tổng hợp trung tâm xử lý Trung tâm có nhiệm vụ đồng mục tiêu, đồng thời tính tốn xác vị trí mục tiêu sau q trình tổng hợp Vị trí mục tiêu sau tổng hợp có khả hiển thị đồ số liệu đầu vào điều khiển camera quan sát Trên hình 3.14 thể sơ đồ khối chức cụm cảm biến, sơ đồ này, bước phát kiện âm sử dụng phân tích âm thành 94 phần độc lập kết hợp với lọc tương quan, ước tính thời gian đến sử dụng thuật tốn GCC-PHAT-β thích nghi sử dụng nhằm nâng cao chất lượng định vị nguồn âm SENSOR SENSOR ADC ADC ICA ICA Lọc tương quan Lọc tương quan ……… SENSOR N ADC ICA Tính tốn trễ thời gian đến Thiết lập cửa sổ tín hiệu Tính tốn hệ số Beta Hợp lý hóa liệu Lọc tương quan Tính tốn vị trí nguồn âm LA BÀN SỐ MÁY THU GNSS XÁC ĐỊNH TỌA ĐỘ, TRẠNG THÁI CỤM SENSOR THU ÂM Xác định vị trí nguồn âm tuyệt đối Máy thơng tin Hình 3.14 Cấu trúc cụm cảm biến Tại cụm cảm biến tín hiệu cảm biến số hóa rồi, cửa sổ tín hiệu thiết lập, q trình phân tích âm thành phần độc lập tiến hành, sau tín hiệu đưa qua lọc tương quan nhằm xác định xác kiện âm Nếu tồn kiện âm thanh, sổ tín hiệu chứa kiện âm được thiết lập, đồng thời hệ số β tương ứng cặp cảm biến tính tốn Với hệ số β kể q trình tính tốn khác biệt thời gian đến theo thuật tốn GCC-PHAT-β thích nghi tiến hành, qua tìm số τij Bộ số τij sau hợp lý hóa thơng qua cơng thức (2.27) 95 Bước q trình tính tốn vị trí nguồn âm phương pháp chia nhỏ khơng gian định vị, vận tốc âm coi biến số Sau trình định vị nguồn âm, kết hợp với thơng tin vị trí cụm cảm biến thu từ thu định vị vệ tinh GNSS hướng cụm cảm biến thơng qua module la bàn số, vị trí tuyệt đối của nguồn âm tính tốn, thơng tin truyền trung tâm điều khiển thông qua máy phát vô tuyến Máy thông tin Đồng kiện âm Tính tốn vị trí tổng hợp Bản đồ số Hình 3.15 Cấu trúc cụm trung tâm So với cụm cảm biến, cấu trúc cụm trung tâm đơn giản hơn, máy thu vơ tuyến có nhiệm vụ thu thông tin từ cụm cảm biến định vị, dựa thông tin trung tâm tiến hành đồng kiện thông tin, đảm bảo thông tin định gửi kiện âm Sau q trình tính tốn định vị xác nguồn âm từ thơng tin từ cụm cảm biến tiến hành Thông tin định vị sau hiển thị đồ số sử dụng phục vụ mục đích khác tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể 3.4.2 Một số nhận xét khuyến nghị Đối với mô hình tổng hợp hệ thống định vị nguồn âm nêu trên, trình xây dựng hệ thống cụ thể cần ý số nhận xét khuyến nghị cụ thể sau Đối với q trình số hóa tín hiệu, tần số lấy mẫu fs yếu tố ảnh hưởng tới độ xác định vị Giá trị khác biệt thời gian tới ước tính số nguyên lần khoảng thời gian lấy mẫu T = 1/fs , sai số cự ly (trong trường hợp thuật tốn ước tính vị trí nguồn âm lý tưởng) tính số nguyên lần giá trị v/fs , với v vận tốc âm Khi fs 96 lớn sai số gây tính tốn khác biệt thời gian đến nhỏ hơn, nhiên khiến cho khối lượng liệu đưa tính tốn tăng độ phức tạp tính tốn tăng lên Do tùy vào u cầu hệ thống cần định vị mà lựa chọn tần số lấy mẫu phù hợp Tín hiệu sau số hóa chia thành cửa sổ tín hiệu để đưa vào tính tốn, độ rộng cửa sổ tín hiệu cần thiết phải lựa chọn cách phù hợp Độ rộng phụ thuộc vào độ dài âm cần định vị, lực tính tốn yêu cầu tính thời gian thực hệ thống, khả định vị kiện âm liên tiếp hệ thống Giải pháp phát kiện âm cần lựa chọn cách phù hợp Giải pháp đề xuất luận án có khả phát kiện âm cách xác, nhiên có độ phức tạp cao, điều u cầu hệ thống xử lý tín hiệu phải có lực xử lý mạnh Do hệ thống định vị nguồn âm có cường độ âm lớn so với nhiễu, sử dụng giải pháp phát kiện âm theo biên độ cách tiếp cận hiệu Đối với trình phát kiện âm sử dụng phân tích thành phần độc lập kết hợp với lọc tương quan, việc chọn giá trị ngưỡng tương quan rng đóng vai trị quan trọng Khi giá trị rng lớn gây tượng bỏ sót kiện âm thanh, mặt khác giá trị rng nhỏ khiến hệ thống định vị nguồn âm khơng cần thiết Ngồi giá trị rng cịn phụ thuộc vào tính đặc trưng âm cần định vị, hệ thống định cần phân tích thử nghiệm trực tiếp nhằm tìm hệ số rng tối ưu, hệ thống định vị tiếng nổ đầu nòng súng AK47, giá trị rng = 0.5 cho thấy tính hiệu việc phát khơng bỏ sót kiện âm Trong q trình ước tính thời gian trễ, thơng qua tương quan tín hiệu thu tín hiệu mẫu, hệ số β thuật tốn GCC-PHAT-β thích nghi tính tốn cho cặp cảm biến Điều hiệu với mơ hình hệ thống định vị nguồn âm đề xuất luận án, q trình tính tốn hệ số tương 97 quan xác định trình phát kiện âm thanh, mặt khác tín hiệu âm mẫu cần định vị xác định trước Điều dẫn đến việc muốn mở rộng hệ thống định vị nhiều loại nguồn âm khác làm hệ thống trở nên phức tạp nhiều Việc tính tốn vị trí nguồn âm theo phương pháp chia nhỏ không gian định vị bên cạnh ưu điểm coi vận tốc âm biến số nhiên kéo theo nhược điểm định Trước hết, việc chia nhỏ không gian định vị khiến thuật toán định vị xác định mục tiêu không gian định vị định Khi nguồn âm nằm bên ngồi vùng khơng gian xác định trước sai số định vị lớn Bên cạnh lực tính tốn hệ thống phải mạnh để xác định vị trí nguồn âm thời gian ngắn nhằm đảm bảo thời gian thực hệ thống Số lượng cụm cảm biến hệ thống định vị nguồn âm phải xác định cách phù hợp, số lượng lớn thuật tốn định vị xác, nhiên việc tăng số lượng cụm cảm biến làm tính phức tạp hệ thống tăng lên, mặt khác khiến trình đồng liệu vị trí cụm cảm biến với trở nên phức tạp Do cần trì số lượng cụm cảm biến mức vừa đủ tùy theo địa hình khu vực cần định vị 3.5 Kết luận chương Trong hệ thống định vị nguồn âm theo nguyên lý TDOA, vận tốc âm tham số quan trọng, ảnh hưởng đáng kể đến độ xác định vị, cần xem xét, đánh giá tùy theo môi trường thực tế Giải pháp định vị nguồn âm xem vận tốc âm biến số cho phép cải thiện đáng kể độ xác định vị Tuy nhiên, việc giải hệ phương trình phi tuyến ẩn số cơng việc khó khăn Giải pháp chia nhỏ khơng gian định vị để tìm vị trí nguồn âm mà luận án sử dụng có tính phức tạp cao, địi hỏi số lượng phép tính lớn Vì việc xây dựng thuật toán cải thiện tốc độ tính tốn định vị hướng nghiên cứu cần thực 98 Trong chương 3, luận án đề xuất mơ hình hệ thống định vị nguồn âm có khả áp dụng điều kiện thực tế, dựa nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng định vị nguồn âm trình bày luận án Đồng thời đưa đề xuất khuyến nghị, điểm cần ý xây dựng hệ thống định vị nguồn âm thực tế theo mơ hình đề xuất Những nội dung nghiên cứu chương 3, cơng bố cơng trình [CT1], [CT2] phần cơng trình [CT3] 99 KẾT LUẬN Các kết nghiên cứu luận án Với mục tiêu, đối tượng, phạm vi nội dung nghiên cứu đặt giải luận án, rút số nhận xét sau: • Kỹ thuật định vị nguồn âm có khả ứng dụng cho nhiều mục đích đa dạng, kỹ thuật sử dụng nguyên lý TDOA sử dụng rộng rãi cho ứng dụng phục vụ mục đích quân Đặc biệt với mục đích định vị tiếng nổ, hỏa lực với mơi trường định vị ngồi trời, cự ly định vị xa, địi hỏi phải có nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng định vị • Trên sở xây dựng mơ hình hệ thống định vị nguồn âm với âm cần định vị biết trước, việc phát kiện âm yêu cầu tất yếu, đóng vai trị quan trọng tới việc giảm sai số định vị Thuật toán sử dụng tương quan cực trị kết hợp tiền xử lý phân tích tín hiệu thành phần độc lập cho phép nâng cao chất lượng phát kiện âm điều kiện SNR thấp • Thuật tốn GCC-PHAT-β -TN với hệ số β thích nghi theo hệ số tương quan tín hiệu thu tín hiệu mẫu cho phép nâng cao độ xác ước tính trễ thời gian tới, qua nâng cao chất lượng định vị nguồn âm theo nguyên lý TDOA • Vận tốc âm yếu tố định ảnh hưởng tới độ xác định vị nguồn âm Việc tính tốn vị trí nguồn âm coi vận tốc âm biến số sử dụng thuật tốn chia nhỏ khơng gian định vị giúp nâng cao độ xác định vị nguồn âm • Bằng mơ thống kê máy tính thử nghiệm liệu thu môi trường thực tế, luận án đánh giá tính hiệu kết 100 nghiên cứu, từ đề xuất mơ hình hệ thống định vị nguồn âm với âm cần định vị biết Các kết nghiên cứu luận án có tính mới, tính khoa học, đóng góp thêm sở cho việc tính tốn, thiết kế hệ thống định vị nguồn âm Những đóng góp luận án Đề xuất giải pháp kết hợp kỹ thuật phân tích thành phần độc lập lọc tương quan để nâng cao xác suất phát kiện âm thanh, áp dụng thuật toán biến đổi pha tương quan chéo tổng quát với hệ số loại bỏ thành phần biên độ thích nghi (GCC-PHAT-β ) nhằm nâng cao độ xác ước lượng giá trị khác biệt thời gian đến tín hiệu Đề xuất giải pháp chia nhỏ không gian định vị để nâng cao độ xác định vị nguồn âm có vận tốc biến đổi mơi trường truyền Hướng nghiên cứu • Hồn thiện giải pháp thuật toán mà luận án xây dựng, thử nghiệm với điều kiện thực tế Từ đó, xây dựng giải pháp định vị cụ thể có tính thống khả ứng dụng cao • Nghiên cứu nâng cao tốc độ xử lý giải pháp chia nhỏ khơng gian định vị, hồn thiện khả áp dụng thực tế giải pháp 101 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ [CT1] Thin Cong Tran, My Ngoc Bui, Hoang Huy Nguyen , ”A Modified Localization Technique for Pinpointing a Gunshot Event Using Acoustic Signals”, Hội thảo Industrial Networks and Intelligent Systems 6th EAI International Conference, INISCOM 20200 [CT2] Trần Cơng Thìn, Bùi Ngọc Mỹ, Nguyễn Huy Hồng, Phạm Văn Hịa, ”Xây dựng giải pháp định vị nguồn âm theo nguyên lý TDOA điều kiện vận tốc âm biến đổi”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số Đặc san hội thảo Quốc gia FEE, 10-2020 [CT3] Trần Cơng Thìn, Nguyễn Huy Hoàng, Bùi Ngọc Mỹ, ”Giải pháp đo lường âm để xác định tọa độ FlyCam phương pháp sử dụng hai hệ đo”, Hội thảo Hội nghị Khoa học kỹ thuật Đo lường toàn quốc lần thứ 7, 2020 [CT4] Trần Cơng Thìn, Bùi Ngọc Mỹ, Nguyễn Huy Hồng, Phạm Văn Hịa ”Nâng cao chất lượng ước lượng trễ thời gian tới toán định vị nguồn âm theo nguyên lý TDOA”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số Đặc san HNKH dành cho NCS CBNC trẻ, 11-2021 [CT5] Trần Cơng Thìn, Nguyễn Trung Kiên, Bùi Ngọc Mỹ, Nguyễn Huy Hoàng ”Nâng cao chất lượng phát kiện âm toán định vị nguồn âm theo nguyên lý TDOA”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 80, 06-2022 ... dụng nguyên lý TDOA 1.5.1 Đặt toán nâng cao chất lượng định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA Có thể nhận thấy nghiên cứu định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA chủ yếu tập trung giải vấn đề... thống định vị nguồn âm ngồi trời, cự ly định vị xa, theo nguyên lý TDOA Đối tượng, phạm vi nghiên cứu luận án Đối tượng nghiên cứu luận án tập trung vào giải pháp định vị nguồn âm dựa nguyên lý TDOA. .. thực định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA 20 1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA 22 1.4 Một số kết nghiên cứu định vị nguồn