NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP MẠNG NƠ-RON HIỆU CHỈNH GIẢN ĐỒ HƯỚNG TRONG RA ĐA DÙNG ANTEN MẠNG

Header Page of 148 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ *********** LÊ DUY HIỆU NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP MẠNG NƠ-RON HIỆU CHỈNH GIẢN ĐỒ HƯỚNG TRONG RA ĐA DÙNG ANTEN MẠNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Ra đa - dẫn đường Mã số : 62 52 02 04 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2015 Footer Page of 148 ii Header Page of 148 Công trình hoàn thành tại: VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Đôn Nhân TS Lê Đại Phong Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án Tiến sĩ cấp Viện, 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 - Thư viện Quốc gia Việt Nam Footer Page of 148 Header Page of 148 MỞ ĐẦU * Tính cấp thiết đề tài: Anten mạng hữu dụng hệ truyền thông độ linh hoạt dễ điều khiển giản đồ hướng (GĐH) chúng Ngày anten mạng ứng dụng nhiều quân thương mại Trong số ứng dụng, anten mạng chứa lượng lớn phần tử mạng Vì có mặt lượng lớn phần tử, khả lớn xảy hỏng hóc hay suy giảm chất lượng (sau gọi phần tử lỗi) nhiều phần tử mạng Các phần tử lỗi mạng phá hủy tính đối xứng gây biến dạng GĐH đến mức không chấp nhận được, chủ yếu dạng tăng mức búp sóng phụ Việc thay phần tử lỗi anten mạng lúc thực được, ví dụ anten mạng pha vệ tinh có vấn đề đặc trưng, vệ tinh phóng bảo dưỡng anten mạng pha Nhưng trường hợp anten chủ động, phục hồi GĐH với trả giá nhỏ chất lượng mà không cần thay phần tử hỏng, cách điều khiển kích thích phần tử không bị lỗi mạng Điều giảm đáng kể giá thành thay phần tử lỗi bảo đảm GĐH hiệu chỉnh, suy thoái anten mạng chậm Như cần thiết phải đưa số kỹ thuật hiệu chỉnh để không cần thay phần tử lỗi mà tính toán lại tham số GĐH với phần tử không hỏng lại để tạo GĐH gần giống với GĐH ban đầu Khả hiệu chỉnh GĐH anten mạng có phần tử lỗi mạng nơ-ron giải pháp phù hợp Đó sở để nghiên cứu sinh thực luận án “Nghiên cứu phương pháp mạng nơ-ron hiệu chỉnh giản đồ hướng đa dùng anten mạng” Footer Page of 148 Header Page of 148 * Mục tiêu luận án: Nghiên cứu tìm phương pháp hiệu chỉnh GĐH anten mạng pha tích cực xuất lối nhiều phần tử Nghiên cứu phát triển phương pháp hiệu chỉnh nhanh GĐH cho lỗi phần tử anten mạng từ làm tăng tính anten mạng hệ thống phối hợp * Đối tượng phạm vi nghiên cứu: GĐH anten mạng: Phương pháp tính toán tham số phần tử anten mạng với công cụ mạng nơ-ron truyền thẳng có số lớp, số nơ-ron tối ưu, hàm truyền nơ-ron thuật toán luyện mạng phù hợp Khả hiệu chỉnh giới hạn hiệu chỉnh GĐH anten mạng mạng nơ-ron anten mạng xuất lỗi Các tham số kỹ thuật đặc trưng anten mạng pha tích cực có 7; 13; 16 32 phần tử Mạng nơ-ron: Tìm cấu trúc tối ưu mạng nơ-ron truyền thẳng (số lớp ẩn, số nơ-ron lớp ẩn), thuật toán lan truyền ngược (mạng nơ-ron thích nghi) theo tiêu chuẩn sai số trung bình bình phương nhỏ để hiệu chỉnh GĐH anten mạng tuyến tính chuẩn gồm hữu hạn phần tử xuất lỗi * Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp mô phỏng: Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu biểu thức toán học tính toán, tổng hợp GĐH anten mạng tuyến tính, đặc trưng làm biến dạng GĐH; Nghiên cứu cấu trúc mạng nơ-ron, số nơ-ron, số lớp mạng nơ-ron ảnh hưởng đến tốc độ luyện mạng khả hội tụ mạng; Nghiên cứu thuật toán lan truyền ngược theo tiêu chuẩn sai số trung bình bình phương nhỏ để luyện mạng đạt hội tụ hội tụ điểm mong muốn Footer Page of 148 Header Page of 148 Mô thực nghiệm: Mô luyện mạng nơ-ron với phương pháp luyện khác nhau; Mô luyện mạng với hàm truyền nơ-ron khác nhau; Mô đánh giá giá trị hàm sai số mạng nơ-ron sử dụng hàm truyền khác với lớp ẩn có số nơron khác nhau; Mô đánh giá khả đáp ứng giới hạn đáp ứng mạng nơ-ron tác động khả xảy lỗi nhiều phần tử * Ý nghĩa khoa học thực tiễn: Ý nghĩa khoa học: Khẳng định mạng nơ-ron nhiều công cụ để hiểu chỉnh GĐH xuất lỗi phần tử Thiết kế tạo liệu phục vụ luyện mạng nơ-ron mang tính tổng quát, kiểm chứng để đánh giá độ tin cậy xác khoa học Ý nghĩa thực tiễn: Bộ liệu GĐH chuẩn liệu GĐH xuất lỗi có ý nghĩa cao công tác dự báo hỏng hóc cho anten mạng; Hoàn thiện phương pháp luyện trực tuyến, điều đồng nghĩa với hiệu chỉnh GĐH thời gian thực * Cấu trúc luận án: Luận án bao gồm 108 trang thuyết minh; có bảng; 50 đồ thị, hình vẽ; 44 tài liệu tham khảo 20 trang phụ lục Chương 1: Tổng quan anten mạng đặc trưng giản đồ hướng anten mạng pha tích cực tuyến tính đồng Trong chương luận án trình bày: Các tham số đặc trưng không gian anten Đặc điểm hệ thống anten mạng pha mạng pha tích cực Cụ thể là: trình bày phương pháp tổng hợp GĐH; tham số đặc trưng GĐH; phương pháp hiệu chỉnh GĐH với tiêu chuẩn khác nhau; đặc trưng hỏng hóc phần tử anten mạng tuyến tính; Xác định nội dung nghiên cứu Chương 2: Xây dựng mạng nơ-ron hiệu chỉnh GĐH anten mạng pha tích cực Trong chương luận án khảo sát: Cấu trúc mạng nơ- Footer Page of 148 Header Page of 148 ron cho việc hiệu chỉnh GĐH, tập trung sâu khảo sát: Số lớp số nơ-ron mạng nơ-ron truyền thẳng; Thuật toán luyện tập mạng vấn đề thuật toán luyện mạng, trọng số ban đầu tỉ lệ luyện trình luyện mạng, mô tả phương pháp cập nhật trọng số lớp đầu vào, lớp ẩn lớp đầu mạng nơ-ron vấn đề cực tiểu hàm sai số; Phương pháp luyện mạng nơ-ron; Hàm hoạt động mạng nơ-ron Chương 3: Ứng dụng mạng nơ-ron hiệu chỉnh GĐH anten mạng pha tích cực Trong chương luận án trình bày nội dung sau: Cơ sở lý thuyết phương pháp xây dựng liệu chuẩn GĐH anten mạng tuyến tính đồng với số phần tử hữu hạn phục vụ cho trình luyện mạng Trên sở đặc trưng hỏng hóc anten mạng xây dựng liệu đầu vào với cấu trúc anten mạng biết phục vụ trình luyện mạng Căn vào kết luyện mạng với tham số xây dựng đánh giá khả hiệu chỉnh mạng nơ-ron đưa giới hạn hiệu chỉnh GĐH mạng nơron Chương TỔNG QUAN VỀ ANTEN MẠNG VÀ ĐẶC TRƯNG GĐH ANTEN MẠNG PHA TÍCH CỰC TUYẾN TÍNH ĐỒNG NHẤT 1.1 Những vấn đề chung anten mạng pha Những tham số anten mạng pha hoàn toàn không khác so với chủng loại anten khác Đó là: GĐH anten; mức cánh sóng phụ; hệ số khuếch đại; hệ số đặc trưng hướng; đặc trưng tần số v.v Tuy nhiên, có tồn phần tử tích cực nằm anten tham gia trực tiếp vào trình hình thành đặc trưng đó, nên sở, công cụ tính toán có cách tiếp cận khác Trong anten mạng pha tích cực tồn hàng trăm, chí hàng ngàn phần tử mô đun thu - phát tích cực Như việc giải toán Footer Page of 148 Header Page of 148 "nghiên cứu đảm bảo tham số đặc trưng không gian hệ thống anten mạng pha" đề cập nhiều tài liệu Nhưng ứng dụng công cụ mạng nơ-ron nội dung cần phải nghiên cứu tiếp Mục tiêu nghiên cứu luận án "Nghiên cứu phương pháp mạng nơ ron hiệu chỉnh giản đồ hướng đa dùng anten mạng" là: Bằng lý thuyết anten kỹ thuật siêu cao tần, lý thuyết điều khiển sử dụng công cụ mạng nơ-ron nhân tạo giải toán đảm bảo GĐH anten với tham số xác định trường hợp tập phần tử tích cực bị thay đổi tham số mức báo hỏng 1.2 GĐH anten mạng pha tích cực Hệ thống anten mạng thông minh xây dựng đảm bảo giải hài hòa hay nói cách khác tối ưu đặc tính: Mức búp bên thấp; Độ rộng búp hẹp; Khả mềm dẻo, linh hoạt điều khiển đặc tính điện học; Khả phát lỗi hệ thống tự động hiệu chỉnh; Tối ưu kết cấu hình học anten 1.3 Công thức tổng hợp GĐH anten mạng tuyến tính Hình 1.1 Anten mạng tuyến tính K phần tử, xắp xếp với khoảng cách d trường hợp chuẩn góc ϑ tia sóng tới hợp với mặt phẳng Tín hiệu thu tổng hợp phần tử anten xác định theo công thức sau: = Footer Page of 148 (1.5) Header Page of 148 Thành phần tổng (1.5) gọi hệ số mạng Để tiện lợi việc luận giải búp bên, độ rộng búp GĐH, hệ số mạng thường viết theo dạng [5]: = Về mặt biên độ, ta có : | |= " sin & & (1.6) " (1.7) ' ' 1.4 Các tham số đặc trưng GĐH anten mạng pha tuyến tính 1.4.1 Tạo búp sóng Khi có tham gia thành phần bù pha phục vụ điều chỉnh góc quét, công thức (1.5) viết lại thành: ,) = - Rút gọn (1.8), ta có: ,) = , / + +0 12/ (1.8) (1.9) Trong đó: ai, φi : Các trọng số biên độ pha kích thích ban đầu phần tử; k0 : Số sóng 2π/λ0; Xi : Các vị trí phát xạ mặt ngang i x d; 1.4.2 Độ rộng búp sóng mức 1/2 công suất Độ rộng búp sóng ΘB đo radian: ' 34 = 0.884 rad cos Footer Page of 148 (1.10) Header Page of 148 Như độ rộng búp sóng điểm nửa công suất phụ thuộc vào góc quét, tần số kết cấu hình học mạng anten 1.4.3 Búp sóng bên Xuất phát từ công thức (1.7), điểm cực trị (cực đại) không xảy với búp sóng mà xảy khi: & ' sin >& với > 1, 2, 3, … (1.11) 1.4.4 Cấu trúc giới hạn trường quan sát anten mạng Cấu trúc anten mạng chủ động (tích cực): Mỗi phần tử mảng có modul phát/thu riêng (T/RM) hình 1.7 Mỗi T/RM chứa khuếch đại công suất nhỏ, khuếch đại công suất lớn nhánh phát hạn chế, khuếch đại tạp thấp (LNA), khuếch đại với hệ số khuếch đại thay đổi xoay pha Cấu trúc T/RM hình 1.8 Mạng cộng tín hiệu tuyến thu phân chia tín hiệu tuyến phát mức công suất thấp tới T/RM Các xoay pha xác định hướng GĐH Bộ LNA nằm gần anten, tổn hao hệ số tạp thấp toàn hệ [41] Hình 1.7 Cấu trúc anten Hình 1.8 Cấu trúc mô đun mạng pha tích cực phát/thu Giới hạn trường quan sát: Anten mạng thường có trường quan sát hữu hạn, giới hạn khoảng ±600 [41] 1.5 Các phương pháp tạo hiệu chỉnh GĐH anten mạng 1.5.1 Các phương pháp, tiêu chuẩn truyền thống: Phương pháp cố định trọng số; Tiêu chuẩn tỉ số tín hiệu/nhiễu gồm: Tiêu chuẩn cực đại tỉ số tín hiệu/ nhiễu, tiêu chuẩn áp dụng để tăng Footer Page of 148 Header Page 10 of 148 cường tín hiệu thu giảm thiểu tín hiệu nhiễu Thuật toán Chebyshev: Thuật toán áp dụng nhằm trì mức búp phụ GĐH mức cho phép); Phương pháp, tiêu chuẩn hội tụ nghiên cứu phương pháp như: Phương pháp MSE, Thuật toán LMS, Thuật toán RLS; Phương pháp nghịch đảo ma trận mẫu: Khi sử dụng phương pháp thiết lập GĐH có góc quét trì tham số khác 1.5.2 Mô hình bù kích thích phần tử Bù biên độ: Công thức bù tiến hành cho hai phần tử lân cận [43]: Ap-1 = Ap-1 + N.Δ.Ap; Ap+1 = Ap+1 + N.Δ.Ap Trong Δ lượng tử bù, N số lần bù cần thiết Bù pha: Tương tự bù biên độ bù pha tiến hành tương tự với phần tử lân cận, giá trị bù pha cập nhật vào thành phần pha phần tử [43] 1.5.3 Mô hình thích nghi trọng số kích thích phần tử anten Hình 1.11 Mô hình tổng hợp GĐH anten mạng Hình 1.12 Mô hình thích nghi trọng số kích thích phần tử anten mạng 1.6 Các đặc trưng hỏng hóc phần tử anten mạng tuyến tính Hỏng hóc dẫn đến thay đổi tỉ lệ mức búp sóng bên cực đại so với búp sóng chính; Hỏng hóc dẫn đến độ rộng mức 1/2 công suất búp sóng thay đổi 1.7 Xây dựng tham số GĐH anten mạng số đài đa Trên sở khảo sát đài đa : RĐ1, đa RĐ2, đa RĐ4, đa nghiên cứu thiết kế chế tạo nước RĐ3 xây dựng tham số chuẩn GĐH anten mạng đài đa bảng 1.1 Footer Page 10 of 148 11 Header Page 13 of 148 hình 1.12 cấu trúc lại: Hình 2.2: Tích hợp anten mạng ANN thực theo I,Q 2.3.1 Mạng nơ-ron truyền thẳng nhiều lớp Lớp thấp MFNN lớp đầu vào phần tử xử lý nhận tất trọng số nơ-ron đầu vào, cung cấp kết đầu chúng để xử lý phần tử lớp ẩn 2.3.2 Các điều kiện tối ưu MFNN Vấn đề tối ưu hóa tham số cho công việc cụ thể mong muốn mô tả sau tiêu chuẩn cực tiểu hàm sai số [27]: Hình 2.1.Mô hình tích hợp anten mạng mạng nơ-ron nhân tạo E D D K F GH I J (2.3) 2.3.3 Mạng nơ-ron truyền thẳng lớp Mạng truyền thẳng lớp phi tuyến giúp cho mạng nơ-ron thực thao tác hiệu chỉnh giới hạn thời gian cho phép 2.3.4 Thuật toán luyện tập lan truyền ngược BP tạo thành ánh xạ phi tuyến từ tập hợp kích thích đầu vào cho tập hợp kết đầu cách sử dụng tính truyền ngược điều lấy từ mô hình đầu Hình 2.4 Thuật toán lan N chỉnh trọng số wM nơ-ron(i,j) Footer Page 13 of 148 Header Page 14 of 148 12 vào 2.4 Xử lý trọng số trình luyện tập mạng lớp Các nội dung mục này: Công thức cập nhật trọng số; Cập nhật trọng số; Cập nhật trọng số cho lớp đầu vào; Cập nhật trọng số cho lớp đầu ra; Cập nhật trọng số cho lớp ẩn Trong phương pháp cập nhật, bước cập nhận mô tả lưu đồ thuật toán 2.5 Số lớp ẩn nơ-ron Khả cấu trúc MFNN để thực ánh xạ phi tuyến, khả đảm bảo cấu trúc mạng nơ-ron đầy đủ số lượng lớp nơ-ron ẩn nơ-ron ẩn [27] Từ tính toán, luôn đòi hỏi số lớp ẩn nhỏ, số đầu vào số nơ-ron ẩn nhỏ Như vậy, cấu trúc tối ưu định nghĩa mạng có số lớp ẩn, đầu vào nơ-ron ẩn nhất, có khả thực yêu cầu xác định trước 2.6 Ước lượng số nơ-ron lớp ẩn Số nơ-ron lớp ẩn tối ưu với ứng dụng việc cần tìm để ổn định khả làm việc độ xác mạng nơ-ron Trong công trình [8] công bố cho thấy số nơ-ron lớp ẩn từ 16 đến 55 2.7 Cực tiểu cục Một kỹ thuật luyện lý tưởng cho trọng số MFNN nên tìm tập tối ưu trọng số tương ứng với điểm nhỏ hàm sai số toàn không gian trọng số Trong thực tế, hàm sai số chứa nhiều cực tiểu toàn không gian trọng số, với trọng số hoán vị khác cho MFNN có thuộc tính đầu tương tự 2.8 Phương pháp luyện mạng nơ-ron Dựa sở thực chung phương pháp luyện mạng nơ-ron, thuật toán thực hội tụ nhanh nhằm áp dụng mạng nơ-ron vào thực tế phát triển theo hai hướng, thuật toán Gradient chuyển vị (Conjugate Gradient) thuật toán Quasi- Footer Page 14 of 148 Header Page 15 of 148 13 Newton Trong cấu trúc, tham số mạng nơ-ron, tham số đầu vào đầu trình luyện đưa kết tổng hợp bảng 2.3 2.9 Khảo sát hàm hoạt động mạng nơ-ron Qua trình khảo sát với cấu trúc tham số mạng nơron, kết mô hai loại hàm phù hợp dạng sigmoid hàm hoạt động tansig hàm hoạt động logsig, thấy với số lần lặp mức lỗi hàm logsig thường thấp hàm tansig, nhiên Gradient hàm logsig giảm hàm tansig gấp 10 lần Điều cho thấy khả giới hạn sửa lỗi hàm logsig với mức nhiễu lớn hạn chế Với độ giảm dốc Gradient nhanh sau lượng nhỏ lần lặp giữ liệu gây ổn định trình luyện Như với ứng dụng thực hàm hoạt động tansig ổn định phù hợp 2.10 Kết luận chương Trong chương nghiên cứu cấu trúc mạng nơ-ron đưa kết mạng nơ-ron: - Cấu trúc mạng: Mạng nơ-ron lan truyền thẳng lớp (lớp đầu vào, lớp ẩn lớp ra); - Số nơ-ron tối thiểu lớp ẩn thường nhỏ số đầu 1, theo kết tính toán mô trình nghiên cứu, mục 2.10 Kết luận sở luyện mạng với số phần tử anten mạng hữu hạn chương 3; - Đưa phương pháp luyện mạng: trước tiên luyện mạng theo phương pháp nhằm đảm bảo hiệu chỉnh theo hướng giảm sai số có giám sát Sau áp dụng thuật toán thực hội tụ nhanh trình luyện, thuật toán Gradient chuyển vị (Conjugate Gradient) thuật toán Quasi-Newton đến kết luận: Phương pháp QuasiNewton có số lần lặp so với phương pháp chuyển vị ; Thời gian Footer Page 15 of 148 14 Header Page 16 of 148 luyện phương pháp không cách xa, phương pháp thuật toán Quasi-Newton thời gian trình giải toán tối ưu ma trận; Giá trị Gradient điểm hội tụ phương pháp thuật toán Quasi-Newton lớn nhiều so với phương pháp thuật toán chuyển vị Gradent tục mở rộng mạng nơ-ron độ giảm mức lỗi tối thiểu phương pháp thuật toán Quasi-Newton Đối với quy trình luyện mạng lập luận đưa lưu đồ thuật toán để tính toán trọng số ban đầu, tỉ lệ luyện số gia thay đổi độ dốc để tránh hội tụ điểm cực tiểu cục (không phải điểm có sai số phản hồi nhỏ nhất) trình luyện mạng - Xác định xác loại hàm hoạt động nơ-ron mạng, trình nghiên cứu tính toán mô đến kết luận: Có hai loại hàm phù hợp dạng sigmoid hàm hoạt động tansig hàm hoạt động logsig Mô với số lần lặp mức lỗi hàm logsig thấp hàm tansig, nhiên Gradient hàm logsig giảm hàm tansig gấp 10 lần Chương ỨNG DỤNG MẠNG NƠ-RON HIỆU CHỈNH GIẢN ĐỒ HƯỚNG ANTEN MẠNG PHA TÍCH CỰC 3.1 Những nội dung toán ứng dụng mạng nơ-ron hiệu chỉnh giản đồ hướng anten mạng pha tích cực Chương cần thực nội dung: Thiết kế liệu chuẩn phục vụ luyện mạng nơ-ron; Thiết kế liệu đầu vào tất trường hợp lỗi xảy (các trường hợp lỗi xảy nghiên cứu mục 1.6) phục vụ luyện mạng nơ-ron Xác định giới hạn hiệu chỉnh mạng mức độ hỏng hóc Footer Page 16 of 148 15 Header Page 17 of 148 3.2 Mô tả chung mô hình thiết kế liệu Thiết kế liệu đảm bảo tiêu chí cần thiết thực hệ thống với tham số cụ thể đưa mục 1.7 Mục 3.2 liệt kê lại đối tượng thực mà giải pháp kỹ thuật cụ thể áp dụng 3.2.1 Mô hình tổng hợp GĐH GĐH anten mạng tuyến tính tổng hợp sử dụng công thức (1.9) Tuy nhiên thành phần phát xạ vô hướng phần tử cố định độc lập với tham số khác, trình chuẩn hóa thành phần tự triệt tiêu (1.9) viết lại sau: OP - , / + +0 12/ (3.1) Trong đó: ai, φi - Các trọng số biên độ pha kích thích ban đầu phần tử; k0 - Số sóng 2π/λ0; Xi - Các vị trí phát xạ mặt ngang Xi =i x d; N- Số phần tử anten; d- Khoảng cách phần tử liền kề; θ- Góc chiếu mặt phẳng chuẩn ( G ≤ ) ≤ + ); Q θn- Góc quét búp sóng Q (G T ≤ ) ≤ + T ) Q Q 3.2.2 Tham số anten mạng xây dựng luận án Đó tham số hệ thống anten nghiên cứu thiết kế chế tạo nước tính toán mục 1.7 3.2.3 Cấu trúc mạng nơ-ron Hình 3.1 Cấu trúc mạng nơ-ron anten mạng thích nghi Footer Page 17 of 148 16 Header Page 18 of 148 3.3 Thiết kế liệu chuẩn Tại góc quét liệu cung cấp cho khối tổng hợp GĐH mảng hai chiều [16,180/độ phân giải] Dữ liệu chuẩn tách thành hai thành phần trực giao I, Q để phù hợp với hệ thống diễn giải - hình 2.2 theo công thức (3.2) X OPY > V W VOP\ > = U - cos sin Z Z )I − )I − ) ) +[ +[ (3.2) m = 1, 2, ,181 ; θm = m.π/180 GĐH sau khôi phục từ liệu chuẩn có độ rộng búp sóng mức 3dB góc chiếu 250 80 chênh lệch mức búp với mức búp phụ lớn 13,3dB Các Hình 3.3 GĐH khôi phục với tham số phù hợp với tính liệu chuẩn toán lý thuyết Giản đồ hướng(dB) Trong : Góc chiếu 3.4 Tạo liệu vào phục vụ trình luyện mạng nơ-ron 3.4.1 Các dạng liệu lỗi ảnh hưởng Như nghiên cứu mục 1.5 GĐH anten mạng pha tích cực chịu tác động không mong muốn từ trường hợp sau: - Trường hợp 1: Giá trị tham số kỹ thuật phần tử tích cực sau chế tạo sai lệch so với giá trị chúng tính toán thiết kế (bao gồm pha biên độ); - Trường hợp 2: Hỏng hóc phần tử anten (phần tử hỏng không tham gia vào trình tổng hợp GĐH), trường hợp Footer Page 18 of 148 Header Page 19 of 148 17 coi phần tử hỏng có kích thích pha biên độ Trường hợp xảy theo hai hướng: Các phần tử hỏng ngẫu nhiên không ảnh hưởng đến kích thước anten mạng (không thay đổi độ rộng búp sóng chính, thay đổi mức búp phụ); Các phần tử hỏng làm thay đổi kích thước anten mạng (thay đổi độ rộng búp sóng chính); - Trường hợp 3: Tác động mức công suất tín hiệu đầu vào phần tử tích cực vượt dải động chúng (đối với tín hiệu thu) Các ảnh hưởng xem xét cách độc lập nhằm xác định biến dạng đặc trưng tương ứng GĐH 3.4.2 Phương pháp tạo liệu đầu vào mạng nơ-ron đánh giá 3.4.2.1 Phương pháp tạo liệu sai lệch so với tham số chuẩn Giả sử anten mạng đồng tham số kích thích biên độ pha là: AE = [1 1 1 1 1 1 1 1 1]; PE = [0 0 0 0 0 0 0 0 0] Khi chịu tác động sai số ngẫu nhiên đại lượng cộng trừ lượng ngẫu nhiên AE(i) = AE(i) ± random(ka) i = 1,…,16 (3.3) PE(i) = PE(i) ± random(ki) i = 1, ,16 (3.4) Trong ka, ki vùng giá trị ngẫu nhiên cần xác định phù hợp với đáp ứng T/RM Các hệ số ngẫu nhiên giới hạn cho phép độ phân giải tương tự liệu chuẩn tách thành hai thành phần trực giao với công thức tương tự (3.2) Footer Page 19 of 148 18 Header Page 20 of 148 X OP Y > V W VOP \ > U - - OE ′ OE ′ ]^ Z Z )I G )I G ) ) + _E′ + _E′ (3.5) 3.4.2.2 Phương pháp tạo liệu hỏng hóc phần tử Dữ liệu lỗi sai lệch (AFHI, AFHQ) so với tham số chuẩn cho mạng nơ-ron hiệu chỉnh lấy lấy từ 16 đường tín hiệu biên độ-pha 16 phần tử anten mạng khác số ngẫu nhiên phần tử vị trí ngẫu nhiên có kích thích biên độ pha qui Công thức tạo liệu tương tự (3.5) sau: AE’ = [0 1 1 0 1 1 1 1]; PE’ = [0 0 0 0 0 0 0 0 0] Bộ liệu phần tử vị trí 1, 6, 7, 14 không tham gia vào trình tổng hợp GĐH 3.4.2.3 Phương pháp tạo liệu bão hòa máy thu Với diễn giải nêu việc tạo liệu nhiễu tác động thực theo qui trình sau: Bước 1: Tạo liệu chuẩn lí tưởng (mục 3.3) Bước 2: Tạo thành phần ngẫu nhiên theo mức biên độ thay đổi vào hai thành phần I Q liệu có từ bước Công thức tạo liệu bước tiến hành theo công thức (3.2) Các thành phần công suất nhiễu thêm vào theo công thức sau: OPaY > = OPY > ± aP ` OPa\ > = OP\ > ± aP Footer Page 20 of 148 (3.6) Header Page 21 of 148 19 Trong đó: m độ phân giải (m = 1, 2, …, 181); NF giá trị nhiễu theo hàm phân bố nhiễu; k1, k2 hệ số điều chỉnh công suất nhiễu Hình 3.8 Vùng hiệu chỉnh GĐH khi bão hòa máy thu 3.4.2.4 Phương pháp tạo liệu lỗi kết hợp Sự kết hợp sai lệch hỏng hóc tác động lên GĐH vô đa dạng, để tạo liệu cho trường hợp thứ phải xuất phát từ liệu lỗi riêng biệt sau kết hợp lại với theo qui ước thống Qui ước phải đảm bảo thể toàn tác động lỗi riêng biệt ERDI(m) = F(AFSI(m),AFNI(m),AFHI(m)) ERDQ(m) = F(AFSQ(m),AFNQ(m),AFHQ(m)) Hình 3.9 Qui trình tạo liệu lỗi kết hợp Footer Page 21 of 148 (3.7) (3.8) Header Page 22 of 148 20 3.4.3 Kiểm tra liệu đầu vào mạng nơ-ron Phương pháp kiểm tra khôi phục GĐH từ liệu tạo đánh giá tham số sai lệch dựa đánh giá ảnh hưởng mục 3.4.1 3.4.3.1 Các tiêu chuẩn GĐH anten Các tham số tuân theo lý giải mục 1.2 thể giản đồ hình 3.10 3.11, bao gồm : Tỉ lệ lượng búp sóng lượng mức búp bên cực đại : -13,3dB; Độ rộng búp sóng 7,20 đến 14,40 tương ứng với dải góc quét búp sóng -600 đến +600 (Độ rộng tính mức nửa công suất) Như phù hợp với tham số bảng 1.1 Hình 3.10 GĐH góc quét 00 Hình 3.11 GĐH góc quét 600 3.4.3.2 Thực mạng nơ-ron liệu vào Đầu tiên kiểm tra mạng nơ-ron thực hiệu chỉnh GĐH phần tử sai lệch so với chuẩn Các thực minh họa góc quét búp sóng -250 Hình 3.12 GĐH chuẩn (a) GĐH bị biến dạng (b) Hình 3.13 GĐH chuẩn (a) GĐH khôi phục (b) Hình 3.14 GĐH chuẩn (a) GĐH bị biến dạng (b) Hình 3.15 GĐH chuẩn (a) GĐH khôi phục(b) Footer Page 22 of 148 Header Page 23 of 148 21 Hình 3.17 GĐH chuẩn (a) Hình 3.16 GĐH chuẩn (a) GĐH khôi phục (b) GĐH bị biến dạng (b) 3.5 Phương pháp đánh giá hiệu quả, giới hạn mạng nơ-ron Khả đáp ứng mạng nơ-ron theo phạm vi điều chỉnh trọng số, phần đưa tiêu đánh giá khả đáp ứng thực tế mạng nơ-ron số lượng phần tử lỗi, vị trí phần tử lỗi, công suất nhiễu ngẫu nhiên nhằm: Khẳng định khả ứng dụng phạm vi cho phép; Đưa giới hạn cứng ứng dụng; Cảnh báo giới hạn Khả mạng nơ-ron khôi phục GĐH xuất phần tử hỏng: phần thống kê khả khôi phục GĐH anten xuất hỏng hóc phần tử, hỏng hóc qui định hỏng hoàn toàn Việc thống kê dựa trình luyện với tất trường hợp hỏng hóc khác Quá trình luyện thực công cụ Matlab, kết mối lần luyện lưu giữ đưa tham khảo khả thực thích nghi mạng nơ-ron Bảng 3.8 Khảo sát khả khôi phục GĐH anten Số phần tử Số trường Số trường hợp Số trường STT hỏng hợp hỏng có hiệu chỉnh hợp không anten mạng thể xảy GĐH sửa 1 16 1.936 2 120 14.520 3 560 67.760 4 1820 220.220 5 4368 528.528 238 6 8008 968.968 1.893 7 11440 138.4240 8.004 8 12870 1.557.270 11.099 9 11440 1.384.240 11.440 10 ≥10 Không thực thống kê Footer Page 23 of 148 Header Page 24 of 148 22 Phương pháp thực tiến hành theo phương pháp xác xuất trung bình Từ bảng 3.8 nhận thấy khả áp dụng mạng nơ-ron có độ tin cậy cần thiết với số phần tử hỏng không vượt phần tử 3.6 Hiệu chỉnh GĐH anten mạng đa RĐ1; đa RĐ2; đa RĐ4 3.7 Kết luận chương Chương hoàn thành nội dung khoa học: Hoàn thành thiết kế liệu chuẩn phục vụ luyện mạng: chuẩn thiết kế đảm bảo tính xác, khoa học, tuân thủ chặt chẽ nguyên tắc toán học Bộ liệu kiểm chứng cách trực quan nhờ công cụ mô Matlab để chứng minh tính đắn tin cậy Hoàn thành thiết kế liệu đầu vào: Bộ liệu đầu vào thiết kế với trường hợp, trường hợp coi liệu nhỏ đầu vào Đã xác định khả hiệu chỉnh giới hạn hiệu chỉnh GĐH mạng mức độ hỏng hóc khác (Bảng 3.8) Kết đưa bảng từ 3.1 đến 3.7 cho biết số gia trọng số số phần tử hỏng tăng từ đến phần tử, kết có ý nghĩa kỹ thiết kế anten mạng việc lựa chọn linh kiện điện tử để chế tạo Kết hiệu chỉnh GĐH anten mạng đa RĐ1; đa RĐ2; đa RĐ4 trình bày phụ lục luận án KẾT LUẬN A Những kết luận án Từ kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm luận án rút kết luận sau: Các kết liên quan tới anten mạng pha tích cực: “Mô hình thích nghi trọng số kích thích phần tử anten mạng” thực thời gian thực cho phép thay đổi thông minh tham số anten mạng nhằm có tham số GĐH theo yêu cầu Mô Footer Page 24 of 148 Header Page 25 of 148 23 hình thích nghi phù hợp với hiệu chỉnh GĐH anten mạng pha tích cực đồng chúng xuất lỗi phần tử dẫn tới thay đổi: Mức búp sóng bên cực đại so với búp sóng chính; Độ rộng mức 1/2 công suất búp sóng chính; Phân bố lượng GĐH Các kết liên quan tới mạng nơ-ron: Mạng nơ-ron lan truyền thẳng lớp (lớp đầu vào, lớp ẩn lớp ra); Số nơ-ron lớp ẩn từ 15 đến 55; Luyện mạng theo thuật toán Gradient chuyển vị (Conjugate Gradient) thuật toán Quasi-Newton phù hợp thời gian luyện nên sử dụng thuật toán Quasi-Newton Hàm truyền nơ-ron dạng sigmoid loại tansig phù hợp với cấu trúc mạng nơ-ron ba lớp Các kết liên quan đến liệu phục vụ luyện mạng nơ-ron: Xây dựng liệu chuẩn anten mạng có số phần tử khác (7; 13; 16 32); Xây dựng liệu đầu vào (bộ liệu anten mạng xuất phần tử bị lỗi) tương ứng với anten mạng có số phần tử khác trường hợp: - Bộ liệu ứng với giá trị tham số kỹ thuật phần tử tích cực sau chế tạo sai lệch so với giá trị chúng tính toán thiết kế (bao gồm pha biên độ); - Bộ liệu ứng với phần tử anten hỏng ngẫu nhiên (phần tử hỏng không tham gia vào trình tổng hợp GĐH) - Bộ liệu tương ứng với tác động mức công suất tín hiệu đưa đến đầu vào phần tử tích cực để đầu chúng bão hòa - Đã xây dựng mô hình thiết kế liệu đầu vào trường hợp hỏng hóc xảy đồng thời gọi liệu hỗn hợp Với cấu trúc mạng nơ-ron, thời gian luyện mạng 1s sai số GĐH sau hiệu chỉnh so với GĐH chuẩn 10-3, số phần tử hỏng anten mạng nhỏ 5, mạng nơ-ron có khả hiệu chỉnh thành công với lần luyện Khi số phần tử hỏng tăng lên từ phần tử, với thời gian sai số giữ nguyên số lần luyện mạng không thành công tăng từ 238 lên, số lần luyện không thành công tăng đột Footer Page 25 of 148 Header Page 26 of 148 24 biến tương ứng với tăng phần tử hỏng Số gia trọng số số phần tử hỏng tăng từ đến phần tử có ý nghĩa kỹ sư thiết kế anten mạng việc lựa chọn linh kiện điện tử để chế tạo Hiệu chỉnh GĐH anten mạng trường hợp lỗi nêu anten mạng có số phần tử khác (7; 13; 16 32) B Những đóng góp luận án - Đưa “Mô hình thích nghi trọng số kích thích phần tử anten mạng” cho phép thay đổi mềm dẻo tham số anten mạng nhằm có tham số GĐH theo yêu cầu thời gian thực - Đưa cấu trúc mạng nơ-ron phục vụ trình hiệu chỉnh GĐH anten mạng pha tích cực đồng nhất, là: Mạng lan truyền thẳng lớp; Xác định số nơ-ron lớp ẩn tối ưu; Xác định hàm hoạt động mạng nơ-ron; Đưa phương pháp luyện nâng cao nhằm giảm nhanh thời gian hội tụ mạng - Xây dựng phương pháp tạo liệu, tạo liệu kiểm chứng liệu chuẩn phục vụ luyện mạng nơ-ron: chuẩn thiết kế tạo đảm bảo tính xác, khoa học, tuân thủ chặt chẽ nguyên tắc toán học Cùng với thiết kế phương pháp tạo liệu đầu vào phục vụ luyện mạng nơ-ron với đặc trưng khác làm biến dạng GĐH anten mạng - Thiết kế phương pháp tạo liệu chuẩn liệu đầu vào mang tính tổng quát có ý nghĩa việc tạo liệu chuẩn anten mạng pha tích cực có số phần tử khác C Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu: Vấn đề thứ ứng dụng mạng nơ-ron cho xử lý tín hiệu đa sử dụng anten mạng phẳng để tạo hiệu chỉnh GĐH có dạng đặc biệt mục đích khác Vấn đề thứ hai ứng dụng mạng nơ-ron tổng hợp búp sóng số giải toán đo xác tọa độ mục tiêu đa điều khiển hỏa lực Footer Page 26 of 148 Header Page 27 of 148 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ Trịnh Xuân Sinh, Lê Duy Hiệu (2009), “Khảo sát số hàm kích hoạt trình nhận dạng mục tiêu đa sử dụng công nghệ mạng Neural”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Công nghệ quân sự, số 3, tr 34-40 Lê Duy Hiệu, Nguyễn Mạnh Thắng (2014), “Thiết kế đo tọa độ dùng kỹ thuật búp sóng số đa sử dụng an ten mạng”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Công nghệ quân sự, Số 30, tr.16-21 Lê Duy Hiệu, Nguyễn Đôn Nhân, Lê Đại Phong, Hà Huy Dũng (2014), “Mạng nơ-ron dựa mô hình lưu trữ trạng thái trực giao tĩnh sử dụng tự động hiệu chỉnh giản đồ phát xạ anten mạng pha”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Công nghệ quân sự, Số 31, tr 37-43 Lê Duy Hiệu, Nguyễn Đôn Nhân, Lê Đại Phong, Hà Huy Dũng, Cao Việt Linh (2014), “Hiệu chỉnh mạng anten với hệ thống nơ-ron trực tuyến”, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật, số 163, tr 36-44 Lê Duy Hiệu, Hà Huy Dũng, Bùi Công Phước, Cao Việt Linh (2014), “Số lượng nơ-ron lớp ẩn ứng dụng mạng nơron hiệu chỉnh giản đồ hướng anten mạng”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Công nghệ quân sự, Số 32, tr 29-35 Footer Page 27 of 148 ... Khả hiệu chỉnh GĐH anten mạng có phần tử lỗi mạng nơ-ron giải pháp phù hợp Đó sở để nghiên cứu sinh thực luận án Nghiên cứu phương pháp mạng nơ-ron hiệu chỉnh giản đồ hướng đa dùng anten mạng ... 32 trang bị Chương XÂY DỰNG MẠNG NƠ-RON HIỆU CHỈNH GIẢN ĐỒ HƯỚNG ANTEN MẠNG PHA TÍCH CỰC 2.1 Đặt vấn đề Hiệu chỉnh GĐH anten mạng pha vấn đề khó xử lý tín hiệu Xây dựng mạng nơ-ron để hiệu chỉnh. .. cứu luận án "Nghiên cứu phương pháp mạng nơ ron hiệu chỉnh giản đồ hướng đa dùng anten mạng" là: Bằng lý thuyết anten kỹ thuật siêu cao tần, lý thuyết điều khiển sử dụng công cụ mạng nơ-ron nhân