Một giải pháp thiết kế, chế tạo hệ thống hỏi đáp phục vụ tìm kiếm dưới nước

Nội dung bài viết đề xuất một giải pháp thiết kế, chế tạo hệ thống hỏi - đáp phục vụ tìm kiếm dưới nước. Thông qua nghiên cứu một số hệ thống định vị thủy âm trên thế giới, bài viết phân tích đưa ra một giải pháp thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị. Hệ thống thiết bị đã được thử nghiệm và đánh giá kết quả thực tế trong môi trường biển tại vịnh Lan Hạ, huyện đảo Cát Bà.

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử MỘT GIẢI PHÁP THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG HỎI-ĐÁP PHỤC VỤ TÌM KIẾM DƯỚI NƯỚC Vũ Hải Lăng1,*, Trần Quang Giang1, Đinh Thị Thuỳ Dương2, Nguyễn Thị Thủy3 Tóm tắt: Nội dung báo đề xuất giải pháp thiết kế, chế tạo hệ thống hỏi đáp phục vụ tìm kiếm nước Thông qua nghiên cứu số hệ thống định vị thuỷ âm giới, báo phân tích đưa giải pháp thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị Hệ thống thiết bị thử nghiệm đánh giá kết thực tế môi trường biển vịnh Lan Hạ, huyện đảo Cát Bà Từ khóa: LBL; SBL, USBL; TDOA; TDE; GCC; Hydrophone; Transceiver; Transponders ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện giới có nhiều nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật định vị thuỷ âm dựa nguyên lý truyền sóng âm nước Trong lĩnh vực dân sự, hệ thống định vị kho tàng nước; đánh dấu vị trí khảo cổ, thăm dò khai thác khống sản dầu mỏ; ứng dụng việc tìm kiếm cứu hộ cứu nạn biển xác định vị trí tàu đắm, khu vực máy bay rơi Trong lĩnh vực quân sự, hệ thống định vị nước sử dụng để xác định vị trí đối tượng mục tiêu ngầm nước; quản lý theo dõi giám sát AUV, ROV, Một hệ thống ứng dụng phương pháp định vị thuỷ âm không nhắc đến hệ thống thiết bị quản lý giám sát, theo dõi dẫn đường người nhái nước nhằm hỗ trợ huấn luyện chiến đấu tìm kiếm cứu hộ cứu nạn biển cho đội đặc công Việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị tìm kiếm nước khơng giúp ta làm chủ khoa học công nghệ mà làm chủ việc sản xuất tạo dòng sản phẩm đáp ứng yêu cầu cấp thiết phục vụ cho huấn luyện chiến đấu đội đặc công công tác cứu hộ cứu nạn biển lĩnh vực an ninh, quốc phòng kinh tế xã hội Bài báo trình bày giải pháp thiết kế chế tạo hệ thống tìm kiếm mục tiêu đánh dấu thiết thị phát - đáp nước theo nguyên lý sôna chủ động MỘT SỐ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ THUỶ ÂM Thành phần hệ thống định vị thuỷ âm gồm: thu - phát "transceiver" mảng phát-đáp "transponders" (hoặc phát - đáp mảng thu - phát), khối xử lý khối hiển thị Các thu -phát phát - đáp phát thu tín hiệu sóng âm để làm sở cho việc xác định khoảng cách góc phương vị (hướng) Khoảng cách phát - đáp (hoặc thu - phát) mảng gọi đường sở "baseline" Hệ thống định vị thuỷ âm phân thành ba nhóm tuỳ theo kích thước đường sở gồm: LBL, SBL USBL Bảng Một số hệ thống định vị thủy âm theo độ dài đường sở TT Hệ thống Độ dài đường sở Phương pháp định vị LBL 50m đến 6000m SBL 10m đến 50m Đo khoảng cách góc phương vị USBL Nhỏ 10 cm Đo khoảng cách góc phương vị Đo khoảng cách 2.1 Hệ thống định vị đường sở dài LBL Hệ thống định vị đường sở dài LBL(Long BaseLine) gồm thu - phát ba phát - đáp Bộ thu - phát gắn tàu lặn tàu mục tiêu cần định vị Các phát - đáp neo đáy biển thành dạng mảng Vị trí khoảng cách 50 V H Lăng, …, N T Thủy, “Một giải pháp thiết kế, chế tạo … tìm kiếm nước.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ phát - đáp xác định trước Khoảng cách phát đáp (đường sở) khoảng từ 50 đến 6000m Hình Hệ thống định vị LBL tàu mặt nước 2.2 Hệ thống định vị đường sở ngắn SBL Hệ thống định vị đường sở ngắn SBL (Short BaseLine) bao gồm nhiều thu - phát gắn thân tàu, phát - đáp gắn với mục tiêu cần định vị (tàu lặn, người nhái, AUV, ), hệ thống SBL không yêu cầu thiết bị gắn neo cố định đáy Hình Hình ảnh hệ thống định vị SBL 2.3 Hệ thống định vị đường sở cực ngắn USBL Hệ thống định vị đường sở cực ngắn USBL (Ultra Short BaseLine) tên gọi khác SSBL (Super Short BaseLine) Hệ thống USBL bao gồm thu - phát (trong có khối phát có khối thu) đặt cố định tàu mặt nước (tàu nổi) Một phát - đáp gắn mục tiêu (tàu lặn, người lặn, AUV, ROV, ) Cả ba hệ thống định vị theo nguyên lý thu - phát phát tín hiệu sóng âm mơi trường, phát - đáp thu tín hiệu phát đáp tần số khác Tín hiệu mảng thu - phát thu nhận Dựa vào khoảng thời gian truyền sóng TOF (time-of-flight) vận tốc truyền âm môi trường truyền sóng nước ta tính khoảng cách, với hệ định vị khác xác vị trí phương pháp khác tam giác đạc, TDOA Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 51 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Hình Hệ thống định vị USBL XÂY DỰNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG HỎI - ĐÁP PHỤC VỤ TÌM KIẾM DƯỚI NƯỚC Trên sở nghiên cứu ba hệ thống định vị trên, thấy để phát triển hệ thống định vị tốn nhiều thời gian nghiên cứu Với hệ định vị LBL, SBL hệ thống phức tạp, đòi hỏi chi phí phát triển lớn, thích hợp với ứng dụng định vị mục tiêu ngầm hoạt động rộng Còn hệ định vị USBL có ưu điểm đường sở ngắn dễ dàng nghiên cứu, triển khai thử nghiệm Tuy nhiên, hệ định vị có nhược điểm sử dụng mảng hydrophone để xác định hướng, độ xác góc phụ thuộc lớn vào số lượng hydrophone Hình Mơ hình hệ thống thực tế phục vụ huấn luyện cho Đặc cơng Vì vậy, báo đề xuất giải pháp thiết kế hệ thống thiết bị hỏi - đáp tìm kiếm nước Giải pháp khơng phức tạp việc triển khai, phù hợp với ứng dụng tìm kiếm phạm vi hoạt động km Nguyên lý hoạt động thiết bị sau: trạm thu - phát bề mặt phát tín hiệu sóng âm mơi trường, phát - đáp nước thu tín hiệu phát đáp tần số khác, trạm thu - phát bề mặt nhận tín hiệu từ phát đáp nước sở xác định khoảng thời gian truyền sóng về, khoảng thời gian truyền sóng vận tốc truyền âm mơi trường truyền sóng nước ta tính khoảng cách trạm thu - phát bề mặt phát - đáp nước, sử dụng cặp hydrophone xác định góc hướng theo nguyên lý ước lượng thời gian trễ TDOA [3] Dựa vào góc ước lượng α [3] thu được, thực quay cặp hydrophone theo giản đồ quy ước góc hướng hình cho lần phát góc 0, với khoảng cách biết ta tìm mục tiêu cần tìm kiếm 52 V H Lăng, …, N T Thủy, “Một giải pháp thiết kế, chế tạo … tìm kiếm nước.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Theo hình 6, biết tổng thời gian từ phát tín hiệu hỏi đến nhận tín hiệu đáp, biết vận tốc truyền âm nước xác định khoảng cách từ trạm sở đến mục tiêu theo công thức sau: r v.(t  t ) (1) đó, r khoảng cách trạm sở mục tiêu; v vận tốc lan truyền âm nước; t thời gian từ phát tín hiệu hỏi đến nhận tín hiệu đáp t thời gian giữ chậm trình xử lý thiết bị đặc thù lan truyền sóng âm nước (trong trường hợp lý tưởng thời gian giữ chậm vơ bé t ≈0) Hình Mơ tả quy ước hướng Tín hiệu Hỏi Mục tiêu Trạm sở Tín hiệu Đáp r Hình Mơ hình xác định khoảng cách dựa sở tín hiệu hỏi - đáp Hướng nguồn âm nước xác định phương pháp ước lượng thời gian trễ thông tin đến (time delay of arrival - TDOA) hai hydrophone Để tính ước lượng thời gian trễ, nhóm tác giả sử dụng phương pháp tính tương quan chéo tổng qt (GCC) tính tốn miền tần số sau biến đổi ngược miền thời gian Hình Ước lượng thời gian trễ với cặp hydrophone Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 53 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Tín hiệu thu cặp hydrophone biểu diễn biểu thức (2): r1 (t)  s(t)  n1 (t), r2 (t)  s(t  D)  n2 (t), 0≤t≤T (2) đó, r1(t) r2(t) đầu hai hydrophone, s(t) tín hiệu nguồn, n1(t) n2(t) tạp âm, T biểu thị khoảng thời gian quan sát D độ trễ thời gian hai tín hiệu nhận Phương pháp GCC thể biểu thức sau:  Rr1r2 ( )   P ( f )Gr1r2 ( f ) e j 2 f  df , (3)  DP  ar g max  Rr1r2 ( )   (4) Gr1r2 ( f ) phổ chéo tín hiệu nhận Giải pháp thiết kế hệ thống phần cứng cho trạm hỏi - đáp bề mặt đề xuất hình 8, cho thiết bị phát - đáp nước hình Hình Sơ đồ khối chức trạm hỏi - đáp bề mặt Hình Sơ đồ khối chức phát - đáp nước - Miền tương tự (analog) hai thiết bị thực chức khuếch đại tạp âm (LNA), tiền khuếch đại, lọc thông dải sau khuếch đại trước vào ADC, tầng 54 V H Lăng, …, N T Thủy, “Một giải pháp thiết kế, chế tạo … tìm kiếm nước.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ có vai trò định tín hiệu vào ADC tín hiệu mong muốn khuếch đại suy giảm tạp âm - Miền số (Digital) thực thi công nghệ FPGA thực hai chức điều khiển xử lý tín hiệu số: điều khiển khối ngoại vi xử lý tín hiệu số thu phát Chức điều khiển gồm: điều khiển chuyển mạch phát, điều khiển khối ADC DAC, điều khiển giao tiếp máy tính, điều khiển khối xử lý số liệu Chức xử lý tín hiệu gồm: xử lý tín hiệu hai kênh thu trái kênh thu phải, lọc số, FFT, tính tương quan chéo tổng quát GCC, tính phổ cơng suất phát tần số, tính khoảng cách, tính tốn tham số đo, đóng gói liệu truyền máy tính, tạo tín hiệu phát Với giải pháp thiết kế công nghệ áp dụng đề xuất, hệ thống phần cứng không phức tạp Thực giải pháp FPGA cho phép thay đổi tham số hệ thống cách linh hoạt, thuận tiện việc cải tiến mở rộng thiết kế cho phù hợp với ứng dụng khác Trên sở sơ đồ khối chức thiết kế, lưu đồ thuật tốn thể hình 10 hình 11 Hình 10 Sơ đồ thuật tốn khối điều khiển xử lý tín hiệu trạm hỏi - đáp bề mặt Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 55 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Hình 11 Sơ đồ thuật tốn khối điều khiển xử lý tín hiệu FPGA phát - đáp nước THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Mục tiến hành thử nghiệm đánh giá kết tìm kiếm hệ thống Thiết bị thử nghiệm Vịnh Lan Hạ, Huyện đảo Cát Bà, Hải Phòng Hình 12 minh họa thiết bị tìm kiếm nhóm nghiên cứu thiết kế Hình 12 Sơ đồ hệ thống thiết bị hỏi - đáp 56 V H Lăng, …, N T Thủy, “Một giải pháp thiết kế, chế tạo … tìm kiếm nước.” Nghiên cứu khoa học công nghệ a Trạm hỏi - đáp bề mặt b Bộ phát đáp nước Hình 13 Phổ tần số phát Hình 14 Phổ tần số thu trạm hỏi - đáp bề mặt môi trường thực tế Kết đo xa nước tính từ tàu tìm kiếm (tàu đặt trạm hỏi - đáp bề mặt) đến 01 thiết bị phát - đáp thả nước so sánh với kết đo thực tế khơng khí tàu tìm kiếm thuyền mục tiêu thiết bị định vị GPS theo bảng sau: Bảng So sánh kết thực tế lý thuyết thiết bị Trạm hỏi - đáp bề mặt (m) 410 554 614 634 675 787 842 925 935 Thiết bị GPS (m) Sai lệch phép đo 420.36 565.32 626.85 646.57 685.42 799.08 855.04 937.55 948.74 10.36 11.32 12.85 12.57 10.42 12.08 13.04 12.55 13.74 Một số kết ước lượng góc theo tỷ số tín tạp (SNR) hydrophone so sánh với góc thực tế theo bảng sau: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 57 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Bảng So sánh góc hướng thực tế mục tiêu α=250 với góc đo trạm hỏi-đáp bề mặt SNR1(dB) SNR2(dB) Góc α(o) 6.6 7.3 32.9 5.7 5.5 20.9 5.1 7.96 32.95 5.6 5.8 26.23 7.4 5.8 20.9 6.6 6.2 20.9 7.4 8.3 32.9 6.5 6.4 32.9 Bảng So sánh góc hướng thực tế mục tiêu α=-250 với góc đo trạm hỏi-đáp bề mặt SNR1(dB) SNR2(dB) Góc α(o) 4.7 5.6 -28.4 6.3 6.22 -21.9 5.4 7.0 -21.9 6.3 7.9 -28.4 7.5 7.5 -21.9 6.3 6.0 -16.7 6.4 7.1 -35.3 5.5 5.2 -21.9 Đánh giá kết quả: Giải pháp nhóm nghiên cứu đề xuất cho thấy kết đo khoảng cách so với khoảng cách thực tế đo GPS có sai số tương đối ổn định Giá trị góc ước lượng có độ xác phụ thuộc vào tỷ số tín tạp thời điểm thu KẾT LUẬN Kết thực nghiệm cho thấy, giải pháp thiết kế hệ thống thiết bị hỏi - đáp nhóm nghiên cứu đề xuất hồn tồn ứng dụng thực tế Hệ thống đơn giản, dễ triển khai Tuy nhiên, độ xác góc khoảng cách cần phải cải thiện qua nhiều đợt đo đạc thử nghiệm, mơi trường nước biển phức tạp với ảnh hưởng phản xạ, đa đường, nhiễu môi trường gây Kết tiền đề cho nhóm tiếp tục nghiên cứu mở rộng thiết kế hệ thống định vị nguồn âm tương lai TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Knapp C H, G C Carter “The generalized correlation method for estimation of time delay”, IEEE Trans Aco-ust, Speech, Signal Processing, 1976, 24(8): 320-327 [2] G C Carter, “Coherence and time delay estimation: an applied tutorial for research, development, test, and evaluation engineers”, Piscataway, NJ: IEEE Press, 1993 [3] Vũ Hải Lăng, “Nghiên cứu thiết kế, chế thử thiết bị hỏi - đáp phục vụ tìm kiếm nước huấn luyện chiến đấu đội Đặc công”, báo cáo tổng hợp kết nghiên cứu đề tài, 2018 [4] MAO Huida, ZHANG Linghua, “Research on generalized cross correlation algorithm for time delay estimation in sound source localization”, Computer Engineering and Applications, 2015.7, tr 16-19 58 V H Lăng, …, N T Thủy, “Một giải pháp thiết kế, chế tạo … tìm kiếm nước.” Nghiên cứu khoa học công nghệ [5] LIANG Yu MA Liang NA Xia, “Research of Time Delay Estimation Based on GCC Algorithm”, Computer Science, 2011, 38(10):453-456 [6] JIN Zhongwei,JIANG Mingshun,SUI Qingmei, “Acoustic Emission Localization Technique Based on GeneralizedCross-Correlation Time Difference Estimation Algorithm”, Chinese journal of sensors and actuators, 2013, 26(11):1513-1518 [7] Y Bar shalom, F Palmieri, “Analysis of wide-band crosscorrelation for time-delay estimation”, IEEE Transactionon Signal Processing, 1993, 41(1): 385-398 ABSTRACT A SOLUTION DESIGN MANUFACTURE TRANSPONDER-INTERRROGATOR SYSTEM FOR UNDERWATER RESEARCHING Content of the article introduces a solution to design manufacture underwater search device by researching some of the location systems in the world Analyze the equipment to design hardware and software solutions This device has been tested in the actual enviroment achieved some results Keywords: LBL; SBL; USBL; TDOA; TDE; GCC; Hydrophone; Transceiver; Transponders Nhận ngày 01 tháng 10 năm 2018 Hoàn thiện ngày 16 tháng 10 năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 11 tháng 12 năm 2018 Địa chỉ: Viện Điện tử, Viện KH-CN quân sự; Phòng TM-KH, Viện KH-CN quân sự; Khoa ĐT-VT, Trường Đại học Điện lực * Email: langvh@vietkey.vn ĐÍNH CHÍNH SỐ 57 Nhóm tác giả xin bổ sung lời cảm ơn cho báo “Nghiên cứu ảnh hưởng tham cấu trúc tới cộng hưởng điện-từ vật liệu THz metamaterial không phân cực” (trang 163-170): Lời cảm ơn: Nghiên cứu thực tài trợ Quỹ Phát triển Khoa học Công nghệ quốc gia NAFOSTED theo đề tài mã số FWO.103.2017.01 Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam theo đề tài mã số KHCBVL.01/18-19 Trong phần Mục lục - trang 1, tác giả báo số 12 là: Lê Văn Tuấn, Lều Đức Tân Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 59 ... nghiên cứu thiết kế Hình 12 Sơ đồ hệ thống thiết bị hỏi - đáp 56 V H Lăng, …, N T Thủy, Một giải pháp thiết kế, chế tạo … tìm kiếm nước. ” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ a Trạm hỏi - đáp bề mặt... đề xuất giải pháp thiết kế hệ thống thiết bị hỏi - đáp tìm kiếm nước Giải pháp không phức tạp việc triển khai, phù hợp với ứng dụng tìm kiếm phạm vi hoạt động km Nguyên lý hoạt động thiết bị... USBL XÂY DỰNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG HỎI - ĐÁP PHỤC VỤ TÌM KIẾM DƯỚI NƯỚC Trên sở nghiên cứu ba hệ thống định vị trên, thấy để phát triển hệ thống định vị tốn nhiều thời gian nghiên cứu Với hệ định vị