Thiết kế máy thu tín hiệu nguồn âm dưới nước

Nội dung bài báo trình bày một giải pháp tính toán lựa chọn các tham số để thiết kế máy thu âm dải hẹp nhằm mục đích thu và phân tích các tham số đặc trưng của tín hiệu nguồn âm dưới nước. Thiết bị đã được nghiên cứu thiết kế, đo lường trong phòng thí nghiệm và chạy thử nghiệm đạt kết quả tốt trong môi trường nước ngọt.

Kỹ thuật điện tử THIẾT KẾ MÁY THU TÍN HIỆU NGUỒN ÂM DƯỚI NƯỚC Vũ Hải Lăng1*, Trần Quang Giang1, Nguyễn Thị Nga1, Đinh Thị Thùy Dương2 Tóm tắt: Nội dung báo trình bày giải pháp tính tốn lựa chọn tham số để thiết kế máy thu âm dải hẹp nhằm mục đích thu phân tích tham số đặc trưng tín hiệu nguồn âm nước Thiết bị nghiên cứu thiết kế, đo lường phòng thí nghiệm chạy thử nghiệm đạt kết tốt môi trường nước Từ khóa: Âm học, Kênh thơng tin nước, Xử lý tín hiệu ĐẶT VẤN ĐỀ Trong mơi trường nước, sóng điện từ bị suy giảm nhanh khơng thể truyền xa thông tin, định vị trinh sát nước, thiết bị hàng hải ứng dụng nước khác chủ yếu dùng phương thức thu phát sóng âm học Các tín hiệu nguồn âm nước đề cập báo tín hiệu sóng âm sinh từ nguồn tự nhiên như: sóng biển, mưa, gió, sinh vật sống nước, nguồn âm nhân tạo như: tàu bè, giàn khoan, thiết bị đo đạc, thu phát thủy âm lĩnh vực hàng hải, quốc phòng, khai thác dầu khí, đánh bắt hải sản, Kênh âm nước kênh truyền sóng phức tạp Sự phức tạp kênh thể qua đặc tính suy hao sóng âm, truyền sóng đa đường, thay đổi đặc tính mơi trường theo thời gian không đồng môi trường truyền sóng Trên sở nghiên cứu tính chất sóng âm, tính chất vật lý mơi trường truyền sóng, ảnh hưởng loại tạp âm nhiễu đến tín hiệu thu, biểu đồ phân bố tần số sóng âm nước, báo phân tích lựa chọn dải tần, lựa chọn hydrophone tính tốn tham số để thiết kế máy thu Kết đạt báo nghiên cứu thiết kế chế tạo máy thu phân tích số tham số đặc trưng nguồn âm nước làm tiền đề cho việc nghiên cứu xây dựng sở liệu đặc trưng nguồn âm nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị thu trinh sát thủy âm CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN SĨNG ÂM TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC 2.1 Suy hao hấp thụ âm Sóng âm lan truyền dựa đàn hồi thay đổi áp suất môi trường truyền sóng Các sóng tạo áp lực đợt môi trường truyền lan, tạo biến thiên mật độ vật chất theo dạng sóng Vận tốc lan truyền sóng âm phụ thuộc vào mơi trường truyền sóng như: nhiệt độ, áp suất, độ mặn, độ sâu, 172 V.H Lăng, Tr.Q Giang, N.T Nga, Đ.T.T.Dương, “Thiết kế máy thu … nước.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hệ số suy hao kênh sóng âm môi trường nước phụ thuộc vào khoảng cách thiết bị thu phát tần số làm việc theo cơng thức sau: (1) A(d,f) =dk.a(f)d đó, d khoảng cách truyền dẫn, f tần số, k hệ số tán xạ phụ thuộc vào hình dạng địa lý mơi trường truyền dẫn (có giá trị khoảng từ 1.5 đến 2) Hệ số k tương ứng với hệ số mũ suy hao môi trường truyền sóng điện từ, a(f) hệ số hấp thụ Sự phụ thuộc hệ số hấp thụ a(f) vào f thể hình Hệ số suy hao biểu diễn dạng dB viết sau: (2) 10logA(d,f)=k.10logd+d.10loga(f) Thành phần thứ thành phần tán xạ phụ thuộc vào địa hình lan truyền sóng nước, thành phần thứ hai thể yếu tố hấp thụ sóng âm SNR f Hình Sự phụ thuộc hệ số hấp thụ vào tần số Hình Sự phụ thuộc SNR vào tần số khoảng cách 2.2 Tạp âm nhiễu Tạp âm tạo từ nhiều nguồn tự nhiên nhân tạo Các nguồn âm kết hợp với tạo nên dải tần liên tục tạp âm Tạp âm tạo từ ba thành phần chính: tạp âm dải rộng liên tục đặc trưng mức phổ độ rộng 1Hz; tạp âm đơn sắc có dải hẹp mô tả biên độ tần số; tạp âm xung có băng thơng rộng, thời gian tồn ngắn, thường đặc trưng biên độ đỉnh chu kỳ lặp lại Tạp âm bao trùm dải tần số từ 1Hz đến 100kHz Theo [6], vùng nước sâu, tạp âm có thành phần phổ mơ tả hình Trong khu vực I II âm tạo từ nguồn nhiễu loạn áp lực thủy tĩnh (ví dụ thủy triều) Trong khu vực III âm thay đổi hơn, thường hoạt động tàu thủy vùng xa truyền Khu vực IV chủ yếu tạp âm bề mặt biển có nguồn gốc xuất gần điểm đo Khu vực V bị chi phối tạp âm nhiệt Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 173 Kỹ thuật điện tử Hình Biểu diễn thành phần phổ tạp âm vùng nước sâu (Urick - 1983) [6] Mức tạp âm Wenz tổng hợp biểu diễn biểu đồ phổ Knudsen hình [6] Phổ tạp âm bình thường nằm hai đường màu đen dày tạo thành từ nhiều nguồn khác Ở tần số thấp, thành phần tạp âm chủ yếu hoạt động tàu thủy, tần số cao hơn, tạp âm gây sóng vỗ mưa bề mặt Hình Biểu diễn phổ tạp âm (Wenz - 1962) [6] Theo [6], vùng nước nông vùng biển khu vực Đông Nam Á, mức phổ tạp âm mơ tả hình Tác động vùng nước nông lọc thông cao hạn chế truyền âm học với độ dài bước sóng dài so với độ sâu cột nước Tại tần số cao (>10kHz) gia tăng mạnh hấp thụ, cản trở truyền âm khoảng cách lớn tạp âm bị chi phối nhiều tạp âm chỗ Trong dải tần số khoảng 10kHz đến 50kHz hấp thụ 1dB/km hấp thụ tăng lên đến 30dB/km tần số 80kHz đến 100kHz Từ khoảng tần số 100kHz chủ yếu tạp âm nhiệt 174 V.H Lăng, Tr.Q Giang, N.T Nga, Đ.T.T.Dương, “Thiết kế máy thu … nước.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Trên hình cho thấy mức độ tạp âm phụ thuộc vào cấp độ gió (từ cấp đến cấp 8) vùng đặt thiết bị thu XÂY DỰNG MƠ HÌNH MÁY THU ÂM DƯỚI NƯỚC 3.1 Xây dựng mơ hình Hydrophone Cáp bọc kim Nguồn cấp LNA Máy tính Lọc KĐ Giao tiếp RJ45 ADC Bộ xử lý FPGA Hình Sơ đồ khối máy thu âm nước Máy thu xây dựng ba thành phần chính: (1) Hydrophone; (2) Các xử lý tín hiệu tương tự (khuếch đại tạp thấp, lọc, ADC); (3) Các xử lý tín hiệu số (ghi lưu, xử lý liệu hiển thị kết quả) Nguyên lý hoạt động máy thu: Sóng âm lan truyền môi trường nước đến tác động vào đầu thu hydrophone Hydrophone có chức chuyển đổi dao động nén giãn áp suất nước thành tín hiệu điện Tín hiệu điện từ đầu hydrophone đưa qua khối khuếch đại tạp âm thấp LNA đưa đến lọc Khối khuếch đại tạp âm thấp LNA có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu đầu hydrophone đủ lớn để đưa vào tầng lọc tầng khuếch đại sau Khi có nhiều tầng khuếch đại nối tiếp mức tạp âm khuếch đại định chủ yếu tầng khuếch đại đầu Bởi tầng phối hợp trở kháng khuếch đại tạp âm thấp LNA phải làm giảm tạp âm từ tầng đầu đồng thời yêu cầu độ méo phi tuyến phải nhỏ Mạch lọc thiết kế để loại bỏ tạp âm tần số thấp tạp âm cường độ thấp Tín hiệu đầu lọc tầng khuếch đại đưa đến đầu vào khối xử lý ADC Khối xử lý trung tâm có nhiệm vụ xử lý sơ liệu sau ADC điều khiền truyền liệu máy tính qua giao tiếp RJ45 Tại máy tính số liệu tiếp tục xử lý phân tích FFT hiển thị tham số đặc trưng tín hiệu theo miền thời gian miền tần số 3.2 Tính tốn lựa chọn tham số máy thu 3.2.1 Khối xử lý tín hiệu tương tự Hydrophone Hydrophone dùng máy thu đầu thu kiểu áp điện, với số tham số kỹ thuật sau: - Độ nhạy điện áp: -204dB re V/µPa; - Dải tần làm việc: 0,1Hz đến 100kHz; - Điện dung: 3,7nF; - Định hướng mặt phẳng ngang: vơ hướng; Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 175 Kỹ thuật điện tử - Định hướng mặt phẳng đứng: 2200 ± 3dB 50kHz; - Độ sâu làm việc: > 300 mét; - Nhiệt độ làm việc: -100 ÷ +600 Hình Sơ đồ mạch tương đương hydrophone, cáp tín hiệu khuếch đại Giá trị độ nhạy hydrophone theo nhà sản xuất -204dB re V/µPa Tuy nhiên thực tế cần phải tính thêm độ suy hao điện dung cáp nối hydrophone Hình sơ đồ mạch tương đương hydrophone, cáp tín hiệu tầng đầu vào khuếch đại [7] Tín hiệu hydrophone bị suy hao phân áp tụ Cc cáp tín hiệu tụ Ch hydrophone Vì để giảm độ suy hao tín hiệu nên chọn cáp tín hiệu ngắn Hệ số suy hao tính theo công thức (3): ea Ch  (3) ein Ch  CC Điện dung cáp khoảng 100pF/1m ta chọn cáp dài 20m có điện dung Cc tương ứng khoảng 2nF Điện dung hydrophone theo nhà thiết kế 3,7nF theo công thức (3) suy hao tín hiệu cáp 3,8dB Như nối cáp dài 20m suy hao tín hiệu cáp kéo dài dẫn đến tín hiệu thu bị suy hao xuống -207,8dB re V/µPa Bộ khuếch đại thu Trở kháng đầu vào khuếch đại ảnh hưởng tới mức tín hiệu đầu vào hệ thống Như mạch tương đương hình 6, khuếch đại có điện dung đầu vào Ca trở kháng đầu vào Ra theo cơng thức (3) tín hiệu giảm tăng Ca điện dung khuếch đại song song với điện dung cáp tín hiệu Phần tử điện trở Ra với tụ điện Ca, Ch Cc tạo thành mạch lọc thông cao với tần số cắt fc fc =1/2πRa(Ca+Ch+Cc) (4) Theo công thức (4), Ra cần phải chọn đủ lớn để đạt tần số cắt nhỏ cho lọc thông cao Tuy nhiên mong muốn tạo điện trở lớn để tăng độ nhạy phải trả giá mức nhiễu đầu vào lớn điện trở tăng Vì Ra không nên chọn giá 176 V.H Lăng, Tr.Q Giang, N.T Nga, Đ.T.T.Dương, “Thiết kế máy thu … nước.” Nghiên cứu khoa học công nghệ trị lớn Điện trở đầu vào theo tính tốn nên chọn 100k giá trị tần số cắt nhỏ 650Hz Tạp âm máy thu Có ba thành phần gây tạp âm khuếch đại máy thu Hai thành phần tạp âm dòng điện điện áp liên quan đến đến mạch bên khuếch đại Opamp Để giảm tạp âm dòng áp, thiết kế máy thu chọn khuếch đại thuật toán tạp âm thấp OPA211 hãng TI để thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp Bộ khuếch đại OPA211có đầu vào JFET theo nhà sản xuất tạp âm dòng đầu vào in cỡ 1,8pA/ Hz tạp âm điện áp đầu vào en 1.1nV/ Hz Hình Đặc tính tạp âm dòng áp OPA211 [7] Tạp âm nguồn dòng định tổ hợp song song trở kháng nguồn Zs trở kháng đầu vào khuếch đại Ra Tạp âm nguồn dòng điện tính theo cơng thức (5): (5) ei = in (Zs||Ra) (V/ Hz ) Nguồn tạp âm thứ ba tạp âm nhiệt Johnson gây điện trở mạch Nguồn tạp âm nhiệt lớn điện trở đầu vào Ra tính theo công thức (6): e j  4kTRa (V/ Hz ) -23 (6) (J/K); T nhiệt độ K; Ra điện đó, k số Boltzman, k = 1,38.10 trở đầu vào khuếch đại Ba nguồn tạp âm khơng tương quan với nhau, mức cơng suất tạp âm tính tổng trực tiếp Mức tạp âm tổng RMS theo băng thông B: eT  B( en2  ei2  e 2j )  20000[(1.1  10 9 )  ( 4.7  10 15 )  (  10 8 ) ] (7)  5.6V 3.2.2 Khối xử lý tín hiệu số Xử lý số FPGA Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 177 Kỹ thuật điện tử Bộ chuyển đổi ADC lựa chọn thiết kế máy thu AD7357 tốc độ cao AD7357 chuyển đổi kênh 14 bit, tạp âm thấp, công suất thấp, dùng nguồn chiều 2.5V đặc biệt tốc độ chuyển đổi lên đến 4,2Msps Chương trình xử lý số FPGA cài đặt họ Spartan-6 XC6SLX9TQG144B tốc độ cao với 9152 logic Cells Dữ liệu sau số hóa xử lý FPGA đóng gói truyền máy tính qua giao thức Ethernet có tốc độ truyền lên tới 100Mbps Xử lý số máy tính Chương trình xử lý số liệu máy tính viết phần mềm LabVIEW Dữ liệu sau truyền máy tính xử lý lọc thơng dải, FFT, lưu trữ, phân tích hiển thị dạng tín hiệu theo miền tần số miền thời gian Hình Chương trình LabVIEW xử lý máy tính KẾT QUẢ ĐO ĐẠC VÀ THỬ NGHIỆM 4.1 Mơ hình đo lường phòng thí nghiệm thực địa Máy phát âm tần KĐCS âm tần Phối hợp trở kháng Cáp ADC FPGA Máy thu trinh sát Kênh Kênh Máy sóng LNA Mơi trường nước Máy tính Máy sóng Hydrophone Hình Mơ hình đo lường thử nghiệm 4.2 Kết đo lường phòng thí nghiệm 178 V.H Lăng, Tr.Q Giang, N.T Nga, Đ.T.T.Dương, “Thiết kế máy thu … nước.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình 10 Phổ tín hiệu thu sau LNA máy phân tích phổ thời gian thực R&S FSVR7 fo=30kHz Dùng máy phát tín hiệu R&S SMA100A (sau hydrophone) phát tín hiệu hình sin với mức cơng suất -30dBm thay đổi tần số phát Dùng máy phân tích phổ thời gian thực R&S FSVR7 tiến hành đo điểm đo (sau LNA) Kết đo lường thể hình 10 4.3 Kết thử nghiệm thực địa Hình 11 Hình ảnh kết phân tích phổ tín hiệu máy tính Mơ hình thu thử nghiệm hình 11 với cự li máy phát máy thu 100m môi trường nước Hồ Tây Máy phát âm tần thay đổi dải từ 100Hz đến 1050kHz Kết thu phân tích tín hiệu thu tần số 29kHz thể hình 11 Bằng tính tốn lý thuyết theo công thức 7, kiểm chứng đo lường thực nghiệm qua nhiều phép đo dải thu khác nhau, kết cho thấy ảnh hưởng tạp âm nội máy thu nhỏ, máy thu đảm bảo độ ổn định tin cậy cao Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 179 Kỹ thuật điện tử KẾT LUẬN Qua nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mơ tiến hành tính tốn thiết kế, nhóm tác giả chế tạo thử nghiệm thành công 01 mẫu máy thu Trên sở kết đạt với trình độ cơng nghệ nước hồn tồn thiết kế chế tạo máy thu thủy âm cho mục đích khảo sát, đo lường tiến tới làm chủ việc thiết kế chế tạo thiết bị trinh sát thủy âm Máy thu triển khai thử nghiệm đánh giá thực tế môi trường nước Để áp dụng kết nghiên cứu vào thực tiễn, thời gian tới nhóm nghiên cứu tiến hành đưa thiết bị khảo sát đánh giá thực tế môi trường biển Với kết ban đầu đạt nhóm nghiên cứu hy vọng tiếp tục cải thiện nâng cao phẩm chất máy thu, giảm ảnh hưởng loại nhiễu, tạp âm; nâng cao độ xác độ tin cậy độ ổn định máy thu nhằm mục đích ứng dụng đo đạc phân tích phát nguồn âm ứng dụng trinh sát ngầm nước TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ian Roman Radziejewski (1990), “An investigation of the underwater acoustic communications channel”, Simon Fraser University [2] Michael A Ainslie (2010), Principles of Sonar Performance Modeling”, Springer-Verlag Berlin Heidelberg [3] Richard P Hodges (2010), “Underwater acoustic”, John Wiley and Sons, Ltd, Publication [4] HAZELWOOD, R.A and CONNELLY, J., “Estimation of Underwater Noise - A Simplified Method”, Int J Soc Underwater Tech., Vol 26, No.3, 2005, pp 51-57 [5] ISO/IEC Guide 98-3:2008, Uncertainty of Measurement - Part 3: Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement [6] URICK, R., “Principles of Underwater Sound for Engineers”, New York: McGrawHill, 1967 [7] Datasheet (2009) Operational Amplifier OPA211, Texas Instruments Incorporated [8] Burdic, W.S., “Underwater Acoustic System Analysis”, p.77, New Jersey: Prentice Hall, 1984 180 V.H Lăng, Tr.Q Giang, N.T Nga, Đ.T.T.Dương, “Thiết kế máy thu … nước.” Nghiên cứu khoa học công nghệ ABSTRACT DESIGNING A RECEIVER FOR UNDERWATER ACOUSTIC SOURCES The article content introduces the calculation and selection of parameters in order to design a narrowband acoustic receiver for analyze the characteristic parameters of underwater acoustics signal The prototype has been designed and produced, measured in the laboratory and tested with a good result in fresh water environment Keywords: Acoustic, Underwater acoustic communication channels, Signal processing Nhận ngày 08 tháng 05 năm 2015 Hoàn thiện ngày 10 tháng 08 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 07 tháng 09 năm 2015 Địa chỉ: Viện Điện tử, Viện KH-CN quân sự; Phòng Tham mưu - Kế hoạch, Viện KH-CN quân * Email: langvh@vietkey.vn Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 181 ... thiết bị thu XÂY DỰNG MƠ HÌNH MÁY THU ÂM DƯỚI NƯỚC 3.1 Xây dựng mơ hình Hydrophone Cáp bọc kim Nguồn cấp LNA Máy tính Lọc KĐ Giao tiếp RJ45 ADC Bộ xử lý FPGA Hình Sơ đồ khối máy thu âm nước Máy. .. kết phân tích phổ tín hiệu máy tính Mơ hình thu thử nghiệm hình 11 với cự li máy phát máy thu 100m môi trường nước Hồ Tây Máy phát âm tần thay đổi dải từ 100Hz đến 1050kHz Kết thu phân tích tín. .. Nga, Đ.T.T.Dương, Thiết kế máy thu … nước. ” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình 10 Phổ tín hiệu thu sau LNA máy phân tích phổ thời gian thực R&S FSVR7 fo=30kHz Dùng máy phát tín hiệu R&S SMA100A