(Luận án) Nghiên cứu giải pháp đảm bảo khả năng làm việc ổn định của kênh liên lạc thủy âm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ÐÀO TẠO BỘ QUOC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỤ LÊ MINH NGOC NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO KHẢ NĂNG LÀM VIỆC ỔN ĐỊNH CỦA KÊNH LIÊN LẠC THỦY ÂM Chuyên ngành : Vật lý vô t ến và Điện tử Mã số : 62 44 01 05 TÓM TAT LU N ÁN TIEN SĨ V T LÝ Hà Nội 2015 Công trình được hoàn thành tại: Viện Khoa học và Công nghệ quân sựBộ Quoc phòng Người hướng dẫn khoa học: 1. TS Chu Xuân Quang 2. TS Nguyen Duy Luyến Phản biện 1: GS.TSKH Nguyen Ái Việt Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Phản biện 2: PGS.TS Vũ Anh Phi Ðại học Quốc gia Hà Nội Phản biện 3: PGS.TS Nguyen Huy Hoàng Học viện Kỹ thuật quân sự Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện KHCN quân sự họp tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự Vào hồi ........ giờ .......... ngày ........... tháng 7 năm 2015 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự; Thư viện Quoc gia Việt Nam. MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của việc nghiên cứu đề tài luận án. Trong những năm gần đây, nền khoa học và công nghệ thế giới đã có nhiều bước phát triển vượt bậc. Trên mặt đất và trên không, hạ tầng thông tin liên lạc đã có những bước phát triển. Tuy nhiên dưới nước, vấn đề thông tin liên lạc vẫn còn khá mới mẻ và là thế mạnh của một số ít quốc gia phát triển. Trong lĩnh vực dân sự, do không cần tính chất bí mật, bất ngờ nên có thể lựa chọn kênh liên lạc, thời điểm và điều kiện truyền sóng tối ưu. Tuy nhiên trong điều kiện tác chiến quân sự, không phải lúc nào kênh liên lạc cũng đặt trong điều kiện truyền sóng thuận lợi nên độ bất định tiên nghiệm tín hiệu rất lớn và do đó việc sử dụng máy liên lạc thủy âm thông thường (hệ đơn anten) là khó khả thi. Vấn đề đặt ra đối với các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực thuphát truyền tin cần phải có những nghiên cứu để ứng dụng mạng anten thủy âm cho các trang bị quân sự để có thể hoạt động được trong những điều kiện phức tạp mà vẫn đảm được hoàn thành nhiệm vụ Theo lý thuyết thủy âm, phân bố vùng sángtối âm trong trường thủy âm phụ thuộc vào mặt cắt không gian bao quanh máy thu 41. Tồn tại nhiều vùng trong không gian là vùng sáng âm đối với mặt cắt này nhưng lại là vùng tối âm đối với mặt cắt khác, gọi là những vùng mờ 78. Việc tăng cường khả năng làm việc của máy liên lạc ở vùng này hiện ít được quan tâm nghiên cứu cả trong và ngoài nước. Vì vậy việc nghiên cứu giải pháp tăng cường khả năng thu nhận tín hiệu máy liên lạc thủy âm tại các vùng tối âm và vùng mờ âm có giá trị khoa học cao và ứng dụng to lớn cho các máy liên lạc thủy âm quân sự, góp phần tăng cường khả năng ổn định kênh liên lạc thủy âm trong các điều kiện môi trường phức tạp khác nhau, đảm bảo cho thông tin dưới nước được thông suốt. 2. Mục tiêu của luận án. Nghiên cứu, xây dựng và giải quyết bài toán đảm bảo khả năng làm việc ổn định của kênh liên lạc thủy âm trên cơ sở lý thuyết tia và các kỹ thuật về anten mạng pha. 3. Nội dung nghiên cứu của luận án. Luận án gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về lý thuyết thủy âm biển và bài toán mất ổn định của kênh liên lạc thủy âm.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ÐÀO TẠO BỘ QUOC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỤ LÊ MINH NGOC NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO KHẢ NĂNG LÀM VIỆC ỔN ĐỊNH CỦA KÊNH LIÊN LẠC THỦY ÂM Chuyên ngành : Vật lý vô t ến Điện tử Mã số : 62 44 01 05 TÓM TAT LU N ÁN TIEN SĨ V T LÝ Hà Nội - 2015 Cơng trình hồn thành tại: Viện Khoa học Công nghệ quân sự/Bộ Quoc phòng Người hướng dẫn khoa học: TS Chu Xuân Quang TS Nguyen Duy Luyến Phản biện 1: GS.TSKH Nguyen Ái Việt Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Phản biện 2: PGS.TS Vũ Anh Phi Ðại học Quốc gia Hà Nội Phản biện 3: PGS.TS Nguyen Huy Hoàng Học viện Kỹ thuật quân Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện KH-CN quân họp Viện Khoa học Công nghệ quân Vào hồi ngày tháng năm 2015 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học Công nghệ quân sự; - Thư viện Quoc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết việc nghiên cứu đề tài luận án Trong năm gần đây, khoa học công nghệ giới có nhiều bước phát triển vượt bậc Trên mặt đất không, hạ tầng thông tin liên lạc có bước phát triển Tuy nhiên nước, vấn đề thơng tin liên lạc cịn mẻ mạnh số quốc gia phát triển Trong lĩnh vực dân sự, khơng cần tính chất bí mật, bất ngờ nên lựa chọn kênh liên lạc, thời điểm điều kiện truyền sóng tối ưu Tuy nhiên điều kiện tác chiến quân sự, lúc kênh liên lạc đặt điều kiện truyền sóng thuận lợi nên độ bất định tiên nghiệm tín hiệu lớn việc sử dụng máy liên lạc thủy âm thơng thường (hệ đơn anten) khó khả thi Vấn đề đặt nhà nghiên cứu lĩnh vực thu-phát truyền tin cần phải có nghiên cứu để ứng dụng mạng anten thủy âm cho trang bị quân để hoạt động điều kiện phức tạp mà đảm hoàn thành nhiệm vụ Theo lý thuyết thủy âm, phân bố vùng sáng-tối âm trường thủy âm phụ thuộc vào mặt cắt không gian bao quanh máy thu [41] Tồn nhiều vùng không gian vùng sáng âm mặt cắt lại vùng tối âm mặt cắt khác, gọi vùng mờ [78] Việc tăng cường khả làm việc máy liên lạc vùng quan tâm nghiên cứu nước Vì việc nghiên cứu giải pháp tăng cường khả thu nhận tín hiệu máy liên lạc thủy âm vùng tối âm vùng mờ âm có giá trị khoa học cao ứng dụng to lớn cho máy liên lạc thủy âm quân sự, góp phần tăng cường khả ổn định kênh liên lạc thủy âm điều kiện môi trường phức tạp khác nhau, đảm bảo cho thông tin nước thông suốt Mục tiêu luận án Nghiên cứu, xây dựng giải toán đảm bảo khả làm việc ổn định kênh liên lạc thủy âm sở lý thuyết tia kỹ thuật anten mạng pha Nội dung nghiên cứu luận án Luận án gồm chương: - Chương 1: Tổng quan lý thuyết thủy âm biển toán ổn định kênh liên lạc thủy âm Trình bày vấn đề tổng quan thủy âm biển, thành tựu lĩnh vực thông tin thủy âm vấn đề ổn định kênh liên lạc thủy âm điều kiện truyền sóng thay đổi - Chương 2: Giải pháp tăng cường cự ly kênh liên lạc thủy âm sử dụng anten mạng pha Chương đưa tính tốn lý thuyết dạng trường âm thường gặp nhận định tham số góc thốt, góc tới tia âm yếu tố ảnh hưởng đến cự ly liên lạc Từ đề xuất giải pháp thay đổi góc thốt, góc tới tia âm cách sử dụng anten thủy âm mạng pha; đồng thời trình bày thực nghiệm xây dựng mơ hình mạng anten thủy âm gốm áp điện phần tử điều chỉnh - Chương 3: Hiệu tăng cường tỷ số tín hiệu/tạp âm kênh liên lạc thủy âm sử dụng anten mạng pha Chương đề xuất mơ hình kênh liên lạc thủy âm cố định từ điểm đến điểm hai thiết bị liên lạc thủy âm dựa theo tính toán lý thuyết Các điều kiện truyền âm giới hạn biên tính tốn sở liệu trường âm khu vực biển Quy Nhơn năm 2002 trạm thủy hải văn thành phố Quy Nhơn, từ tham chiếu thành mơ hình tương đương mơi trường MATLAB để tính tốn tỷ số S/N đầu máy thu hai trường hợp dùng anten vô hướng dùng anten mạng pha phần tử Phương pháp: - Phân tích lý thuyết: từ lý thuyết thuỷ âm xây dựng sở khoa học cho giải pháp đảm bảo khả làm việc ổn định thông qua tăng cường tham số cự ly tỷ số S/N kênh liên lạc thủy âm - Mô khảo sát: đánh giá tác động tham số ảnh hưởng tới khả làm việc ổn định kênh liên lạc thủy âm - Tính tốn mô để đánh giá hiệu giải pháp tuyến kênh liên lạc thủy âm Kết cấu luận án: Luận án trình bày 135 trang khổ A4 bao gồm mở đầu, chương, kết luận, danh mục báo công bố tài liệu tham khảo CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT THỦY ÂM BIỂN VÀ BÀI TOÁN MẤT ỔN ĐỊNH CỦA KÊNH LIÊN LẠC THỦY ÂM 1.1 Lý thuyết thủy âm biển 1.1.1 Các đặc trưng dẫn âm môi trường biển Truyền âm môi trường đồng khơng có hấp thụ mơ tả phương trình truyền âm [41]: 2 p  p t2 c22 (1.1) Trong đó: p - áp suất âm(Pa); c - vận tốc âm (m/s) Khi nghiên cứu mối quan hệ vận tốc âm số tham số nước biển, người ta thường sử dụng công thức thực nghiệm đơn giản [78]: c  1492,9  3(T 10)  103 (T 10)2  102 (T 18)2  1, 2(S  35) 102 (T 18)(S  35)  z / 61, (1.2) Trong đó: T - Nhiệt độ nước biển (0C); S - Độ mặn nước biển (‰); z - độ sâu khảo sát (m) 1.1.2 Đặc tính suy giảm âm biển Hệ số suy giảm tính cơng thức Marsh M Schulkin [29]: Trong đó: 2  2, 03102 SfT f 2,9310 f  146,54 P  , (1.3)   10 f 2 f2 f  T T   - hệ số suy giảm (dB/km); S - độ mặn nước biển (‰); f - tần số tín hiệu thủy âm (kHz); P - áp suất tĩnh nước biển (atm); 61520/(T 273) độ fT  21,910 fT - hàm nhiệt ; T - nhiệt độ nước biển ( C) 1.1.3 Các phương pháp đánh giá mơ hình truyền âm biển - Phương pháp âm học sóng: Cơ sở phương pháp giải phương trình sóng (1.1) với điều kiện ban đầu điều kiện biên cho trước [41], [42] - Phương pháp sử dụng lý thuyết tia: Lý thuyết tia giải pháp tiệm cận lý thuyết sóng có kết xác f  (   0), nghĩa tần số cao cho kết xác [78] 1.2 Các yếu tố tác động đến kênh liên lạc thủy âm 1.2.1 Các yếu tố tác động đến kênh liên lạc thủy âm - Không gian truyền: Khi truyền âm vùng biển sâu tồn vùng sáng âm vùng tối âm Khi vận tốc âm thay đổi vị trí vùng tối âm vùng sáng âm thay đổi, gây tượng ổn định truyền âm biển đến chưa có giải pháp khắc phục tượng - Các yếu tố khác nhiễu nội thiết bị thu tín hiệu thuỷ âm, tạp âm biển, nhiễu vang, tượng xâm thực bọt khí, hiệu ứng Doppler 1.2.2 Phân chia dải tần-khoảng cách liên lạc thủy âm Bảng 1.1 Băng tần tín hiệu liên lạc thủy âm phân chia theo khoảng cách Khoảng cách liên lạc Cự ly (Km) Dải tần (kHz) Rất xa 1000