Nghiên cứu khảo sát thuật toán ước lượng thời gian trễ cho bài toán định hướng nguồn âm dưới nước

Bài viết trình bày kết quả khảo sát, đánh giá thuật toán tương quan chéo và thuật toán tương quan chéo tổng quát kết hợp với phép biến đổi pha, làm cơ sở cho việc lựa chọn thuật toán tối ưu cho bài toán xác định hướng đến nguồn âm đảm bảo phù hợp với điều kiện môi trường thực tế.

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG THỜI GIAN TRỄ CHO BÀI TOÁN ĐỊNH HƯỚNG NGUỒN ÂM DƯỚI NƯỚC Vũ Hải Lăng*, Trần Quang Giang, Nguyễn Thị Nga, Bạch Nhật Hồng Tóm tắt: Việc xác định hướng đến nguồn âm nước thực phương pháp ước lượng thời gian trễ tín hiệu nguồn âm truyền đến cặp hydrophone theo thuật toán khác Bài báo trình bày kết khảo sát, đánh giá thuật tốn tương quan chéo thuật toán tương quan chéo tổng quát kết hợp với phép biến đổi pha, làm sở cho việc lựa chọn thuật toán tối ưu cho toán xác định hướng đến nguồn âm đảm bảo phù hợp với điều kiện môi trường thực tế Từ khóa: TDOA; TDE; GCC; GCC-PHAT; Hydrophone ĐẶT VẤN ĐỀ Trong toán ước lượng thời gian trễ, phương pháp tương quan phương pháp ước tính trễ bản, ước tính độ lệch thời gian trễ tín hiệu thơng qua tín hiệu đỉnh hàm tự tương quan [1] Phương pháp đơn giản, dễ thực hiện, yêu cầu tín hiệu bị ảnh hưởng nhiễu [3] Bài báo trình bày nghiên cứu, đánh giá lựa chọn thuật toán tương quan chéo (Cross Cross Correlation - CC), tương quan chéo tổng quát (Generalized Cross Correlation GCC) thuật toán GCC với phép biến đổi pha (phase transformation GCC - GCCPHAT) để xác định hướng đến nguồn âm nước theo ước lượng thời gian trễ (time delay estimation-TDE) Ứng dụng cài đặt hai thuật tốn bo mạch FPGA nhóm nghiên cứu thiết kế, thử nghiệm đánh giá kết mơi trường thực tế MỘT SỐ THUẬT TỐN DÙNG CHO ƯỚC LƯỢNG THỜI GIAN TRỄ TRONG BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH HƯỚNG NGUỒN ÂM DƯỚI NƯỚC Hướng nguồn âm nước xác định phương pháp ước lượng thời gian trễ tín hiệu đến (time delay of arrival - TDOA) hai hydrophone Hình minh họa đặc tính phương pháp ước lượng TDOA, đó, d khoảng cách hai hydrophone,  độ trễ [2] Hình Ước lượng TDOA Cho nguồn tín hiệu ban đầu s(t) từ nguồn S tác động đến hydrophone n (t) nhiễu h(t) đáp ứng môi trường 88 V H Lăng, …, B N Hoàng, “Nghiên cứu khảo sát … định hướng nguồn âm nước.” Nghiên cứu khoa học công nghệ xi (t)  hi (t) * s (t)  ni (t),i  0,1 (1) Cách ước lượng thời gian trễ đơn giản chọn số lúc miền thời gian tương quan chéo đạt giá trị lớn nhất, từ xác định góc hướng mục tiêu Một phương pháp khác sử dụng miền miền tần số để tính tốn sau chuyển miền thời gian thu đầu tương quan Đầu tương quan tính cách sử dụng biến đổi Fourier ngược phổ công suất chéo Hệ số trọng số giới thiệu có xét đến thơng tin thống kê tín hiệu nguồn nhiễu, phương pháp tương quan chéo tổng quát (GCC) trình bày báo 2.1 Thuật tốn tương quan chéo (CC) Phân tích tương quan phương pháp để so sánh hai mức tín hiệu tương tự miền thời gian tín hiệu từ nguồn âm có mối tương quan định, ước lượng độ trễ nguồn âm cho hai hydrophone cách tính hàm tương quan chéo tín hiệu nhận hai hydrophone [4] Theo mơ hình tín hiệu từ nhiều hydrophone lý tưởng, xi(t), xj(t) tín hiệu thu từ hai hydrophone Hi, Hj Hàm tương quan chéo là: Rij  E[ xi (t) x j (t   )]  a j E[s(t   i ) s(t   j   )] (2) E[s(t   i )n j (t   )]  a j E[s(t   j )ni ( )]  E[n i (t)n j (t   )] Khi nguồn âm nhiễu không tương quan, E[s(t   i )n j (t   )]  a j E[s(t   j )ni ( )]  , phương trình đơn giản hóa sau: Rij  a j E[s(t   i ) s(t   j   )]  E[n i (t)n j (t   )]  a j Rss (  ( i   j ))  Rnn ( ) (3) đó, a j Rss (  ( i   j )) hàm tự tương quan nguồn âm, Rnn(  ) hàm tự tương quan nguồn tạp âm hay tiếng ồn Theo công thức (3), tỉ số tín tạp (SNR) đủ lớn, ảnh hưởng hàm tự tượng quan tạp âm đến đỉnh tương đối nhỏ,   ( i   j )  , hàm Rss (  ( i   j )) đạt tối đa Vì vậy, độ trễ  đạt từ đỉnh hàm tương quan chéo Và thuật toán ước lượng thời gian trễ cho toán xác định hướng đến nguồn âm nước sử dụng hàm tương quan chéo gọi thuật toán tương quan chéo (CC) Tuy nhiên, phương pháp tính trực tiếp nên có độ phức tạp thuật tốn lớn, thực tế khó thực thời gian quan sát tín hiệu lớn 2.2 Thuật toán tương quan chéo tổng quát (GCC) Hàm mật độ phổ công suất chéo hai tín hiệu hàm tương quan chéo phép biến đổi Fourier, thực biến đổi Fourier hàm tương quan (3) để thu phổ công suất chéo hai tín hiệu: Gxi x j ( )  a j Gss ( )  Gni n j ( ) (4) đó, Gxi x j ( ) phổ công suất Rịj, Gss ( ) phổ công suất a j Rss (  ( i   j )) , Gni n j ( ) phổ công suất Rnn(  ) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 60, - 2019 89 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Từ công thức (4), phương pháp GCC dựa mô hình khơng phản xạ Tuy nhiên, thực tế ước lượng thời gian trễ nhiệm vụ dễ dàng đối mặt với số vấn đề, chẳng hạn như, phản xạ, đa đường, nhiễu âm khoảng thời gian quan sát ngắn Hầu hết vấn đề cho kết tỷ số tín tạp (SNR) thấp Để cải thiện vấn đề báo sử dụng phương pháp GCC với hai hàm trọng số khác để ước lượng thời gian trễ tín hiệu sóng âm nước [5] Hàm tương quan chéo tổng quát - GCC là:  RGCC ( )    ij ( )Gxi x j ( ) ei (5)  đó,  ij ( ) hàm trọng số, với  ij ( ) =1 (5) trở thành hàm tương quan chéo công thức (4) tính tốn miền tần số Hàm trọng số thường sử dụng là: phép biến đổi pha (phase transformation- PHAT)  ij PHAT ( )  1/ Gxi x j ( ) Khi cho nhiễu phản xạ khác nhau, hàm trọng số khác chọn cho RGCC ( ) có giá trị đỉnh nhọn [6] Và thuật toán ước lượng thời gian trễ dựa theo hàm tương quan chéo tổng quát kết hợp với phép biến đổi pha gọi thuật toán tương quan chéo tổng quát biến đổi pha Vậy, thuật toán phù hợp để ước lượng thời gian trễ tín hiệu nguồn âm nước? KẾT QUẢ KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA CÁC THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG THỜI GIAN TRỄ 3.1 Xây dựng mơ hình thực nghiệm Để tiến hành thử nghiệm, nhóm tác giả thiết kế phát tín hiệu điều tần tuyến tính (trong dải tần từ 30kHz đến 38kHz) với độ rông xung 2.56ms, tần số lặp 1s Tín hiệu hai hydrophone lấy mẫu với tần số 200kHz lưu vào hai đệm tổ chức theo chế FIFO đảm bảo khơng liệu Hình mơ tả chi tiết góc hướng mục tiêu α hình mơ tả quy ước hướng Hình Đồ thị biểu diễn mục tiêu S thu tín hiệu từ cặp hydrophone Hi, Hj 90 V H Lăng, …, B N Hoàng, “Nghiên cứu khảo sát … định hướng nguồn âm nước.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Giả sử khoảng cách L từ mục tiêu đến hydrophone lớn , góc hướng mục tiêu α là: k c*   arcsin  arcsin (6) d d đó, fs tần số lấy mẫu, d khoảng cách hai hydrophone,  độ trễ Khi tín số hóa  có mối quan hệ với số nguyên N số mẫu giữ chậm hai tín hiệu   N , c=1500m/s vận tốc âm truyền nước, biểu thức (6) trở thành: fs c*N   arcsin (7) d * fs Hình Mơ tả quy ước hướng Với quy ước hướng hình 3, góc lệch α có giá trị khoảng từ [-900;+900] tương ứng với giá trị mẫu N từ [-Nmax;+Nmax] Tín hiệu thu cho qua hai thuật tốn GCC GCC-PHAT tính góc hướng mục tiêu Từ so sánh với giá trị thực tế, tìm thuật tốn tối ưu Chương trình cài đặt bo mạch FPGA 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 Hiển thị kết máy tính qua phần mềm thiết kế Labview 3.2 Kết thử nghiệm đánh giá Bảng So sánh góc hướng thực tế mục tiêu với hai thuật toán GCC GCC-PHAT với α=330 TT SNRA(dB) SNRB(dB) Góc αGCC(o) 13.9 14.3 31.8 13.3 14.7 31.8 13.1 15.5 31.8 12.7 11.9 31.8 13.6 14.3 38.9 12.5 16.2 31.8 13.1 14.6 38.9 13.6 14.2 38.9 Góc αGCC-PHAT (o) 31.8 31.8 31.8 31.8 30.6 31.8 31.8 31.8 Nhóm tác giả tiến hành đo đạc biển Vịnh Lan Hạ, huyện đảo Cát Bà, Hải Phòng Với d=10cm, thiết bị đo giá trị góc hướng α khác tương ứng với tỷ số Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 60, - 2019 91 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử tín tạp kênh A B, ký hiệu SNRA SNRB Các kết đo đạc thử nghiệm thực với hai thuật toán tổng hợp bảng 1, 2, Hình đến hình minh họa kết thực phần mềm Labview Hình Kết hiển thị phần mềm so sánh GCC GCC-PHAT với α=330 Bảng So sánh góc hướng thực tế mục tiêu với hai thuật toán GCC GCC-PHAT với α=-330 TT SNRA(dB) SNRB(dB) Góc αGCC(o) 12.1 14.2 -38.9 12.6 13.7 -31.8 13.3 17.3 -31.8 11.8 11.7 -31.8 14.8 15.1 -30.6 13.6 16.2 -31.8 13.1 14.6 -31.8 11.9 11.5 -31.8 Góc αGCC-PHAT (o) -32.9 -31.8 -31.8 -31.8 -30.6 -31.8 -31.8 -31.8 Hình Kết hiển thị phần mềm so sánh GCC GCC-PHAT với α=-330 92 V H Lăng, …, B N Hoàng, “Nghiên cứu khảo sát … định hướng nguồn âm nước.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Bảng So sánh góc hướng thực tế mục tiêu với hai thuật toán GCC GCC-PHAT với α=250 TT SNRA(dB) SNRB(dB) Góc αGCC(o) Góc αGCC-PHAT (o) 6.6 7.3 32.9 26.3 5.7 5.5 20.9 26.23 5.1 7.96 32.95 26.23 5.6 5.8 26.23 26.23 7.4 5.8 20.9 26.23 6.6 6.2 20.9 20.9 7.4 8.3 32.9 19.8 6.5 6.4 32.9 26.23 Hình Kết hiển thị phần mềm so sánh GCC GCC-PHAT với α=250 Bảng So sánh góc hướng thực tế mục tiêu với hai thuật toán GCC GCC-PHAT với α=-250 TT SNRA 4.7 6.3 5.4 6.3 7.5 6.3 6.4 5.5 SNRB 5.6 6.22 7.0 7.9 7.5 6.0 7.1 5.2 Góc αGCC(o) -28.4 -21.9 -21.9 -28.4 -21.9 -16.7 -35.3 -21.9 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 60, - 2019 Góc αGCC-PHAT (o) -28.4 -21.9 -28.4 -28.4 -28.4 -23 -28.4 -28.4 93 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Hình Kết hiển thị phần mềm so sánh GCC GCC-PHAT với α=-250 Từ kết hiển thị phần mềm cho thấy đỉnh tương quan chéo hai tín hiệu GCC-PHAT bật sắc nét so với GCC điều có GCC-PHAT mang thông tin pha Từ bảng kết nhận thấy tỷ số tín tạp lớn GCC GCC-PHAT có kết gần Tuy nhiên, tỷ số tín tạp thấp GCCPHAT cho kết tốt hơn, độ ổn định lớn KẾT LUẬN Trong báo nhóm tác giả tiến hành nghiên cứu thực cài đặt hai thuật toán ước lượng thời gian trễ GCC GCC PHAT FPGA Spartan-6 XC6SLX9TQG144B Từ kết thực nghiệm cho thấy phương pháp phụ thuộc vào thông số quan trọng tỷ số tín tạp Trong mơi trường thực tế SNR không cố định thay đổi theo không gian thời gian, ảnh hưởng loại nhiễu tạp môi trường truyền nước như: nhiễu vang biển, phản xạ, đa đường, Trong điều kiện qua mô thực nghiệm cho thấy GCC_PHAT cho kết tốt Kết nghiên cứu tiền đề cho ứng dụng nghiên cứu nhóm tác giả 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] Y Bar shalom, F Palmieri, “Analysis of wide-band cross correlation for timedelay estimation”, IEEE Transactionon Signal Processing, 1993, 41(1): 385-398 [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 [5] LIANG Yu MA Liang NA Xia, “Research of Time Delay Estimation Based on GCC Algorithm”, Computer Science, 2011, 38(10):453-456 94 V H Lăng, …, B N Hoàng, “Nghiên cứu khảo sát … định hướng nguồn âm nước.” Nghiên cứu khoa học công nghệ [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 ABSTRACT RESEARCH INVESTIGATION TIME DELAY ESTIMATE ALGORITHM FOR DIRECTION ACOUSTIC UNDERWATER PROBLEM Direction acoustic underwater determination implements by time delay estimation method of acoustic transmitted the pair of hydrophones by different algorithms The article introduces the results of investigation, evaluation the crosscorrelation algorithm and the phase transform generalized cross-correlation algorithm, based on selecting the optimal algorithm for direction acoustic underwater problem ensuring that it is suitable with the actual environmental conditions Keywords: TDOA; TDE; GCC; GCC-PHAT; Hydrophone Nhận ngày 01 tháng 10 năm 2018 Hoàn thiện ngày 16 tháng 10 năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 16 tháng năm 2019 Địa chỉ: Viện Điện tử, Viện KH-CN quân * Email: langvh@vietkey.vn Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 60, - 2019 95 ... gọi thuật toán tương quan chéo tổng quát biến đổi pha Vậy, thuật toán phù hợp để ước lượng thời gian trễ tín hiệu nguồn âm nước? KẾT QUẢ KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA CÁC THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG... tối đa Vì vậy, độ trễ  đạt từ đỉnh hàm tương quan chéo Và thuật toán ước lượng thời gian trễ cho toán xác định hướng đến nguồn âm nước sử dụng hàm tương quan chéo gọi thuật toán tương quan chéo... α=-330 92 V H Lăng, …, B N Hoàng, Nghiên cứu khảo sát … định hướng nguồn âm nước. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ Bảng So sánh góc hướng thực tế mục tiêu với hai thuật toán GCC GCC-PHAT với α=250 TT