Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường biển đến cự ly hoạt động của các thiết bị thủy âm

Việc nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường truyền sóng âm cho phép xác định cự ly hoạt động của các thiết bị thông tin thủy âm với độ chính xác cao và xử lý dữ liệu với tốc độ nhanh, đáp ứng kịp thời yêu cầu tác chiến trên biển... Mời các bạn cùng tham khảo để nắm bắt nội dung chi tiết.

CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2012 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước - Lý thuyết điều khiển mờ - Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 1999 [2] Nguyễn Phùng Quang - Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động - Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2005 Người phản biện: TS Trần Sinh Biên NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ MÔI TRƯỜNG BIỂN ĐẾN CỰ LY HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC THIẾT BỊ THỦY ÂM THE STUDY OF THE SEA'S ENVIRONMENTAL EFFECT TO OPERATION RANGE OF UNDERWATER ACOUSTIC EQUIPMENTS KS BÙI VĂN GIAO Lớp Cao học Kỹ thuật Điện tử 2010-2012 Tóm tắt Hiện công nghệ thông tin vô tuyến nước sử dụng sóng thủy âm phát triển mạnh mẽ đặc biệt lĩnh vực thu thập liệu hải dương học, khảo cổ, tìm kiếm cứu nạn cứu hộ an ninh quốc phòng Việc nghiên cứu ảnh hưởng mơi trường truyền sóng âm cho phép xác định cự ly hoạt động thiết bị thông tin thủy âm với độ xác cao xử lý liệu với tốc độ nhanh, đáp ứng kịp thời yêu cầu tác chiến biển Abstract Nowadays, underwater wireless communication technologies using underwater acoustic are growing strongly, especially in the areas of the data oceanography collection, archeology, the search and rescue mission and Defense security forces The study of the environmental effects on the underwater acoustic propagation allows to calculate the range of underwater acoustic equipment with high precision and to process the data with high speed, to meet the requirements of the warfare at sea Đặt vấn đề Ảnh hưởng môi trường đến lan truyền sóng âm làm thay đổi cự ly hoạt động độ xác thực tế thiết bị thủy âm (TBTA) so với giá trị tính tốn theo lý thuyết Sóng thuỷ âm lan truyền nước phát lần đầu chiến thứ II Từ đến vấn đề ln trọng nghiên cứu có nhiều cơng trình đánh giá, khảo sát lan truyền sóng âm mơi trường nước biển, tác động sóng âm bề mặt, tính chất đáy biển thông số môi trường nhiệt độ, độ mặn, áp suất … Trên phương diện lý thuyết, số công trình lớn nghiên cứu yếu tố mơi trường khơng đồng nhất-phân lớp gây ảnh hưởng tới tầm hoạt động TBTA nhà bác học (Liên xô cũ) L.M Brekhvski, V.N Chiulin, A.S Stascevitr thực Trên phương diện thực tế, việc tính tốn ảnh hưởng đặc tính mơi trường biển, xác định giá trị chúng công nghệ thông tin để xây dựng tranh truyền sóng, dự báo cự ly hoạt động TBTA nghiên cứu, triển khai nhiều nước giới.Trong giai đoạn đầu chuyên gia thuỷ âm chủ yếu trọng đến điều kiện cự ly hoạt động thực tế TBTA nhỏ nhiều so với cự ly lượng gradient tốc độ có giá trị âm (khúc xạ âm), có mặt lớp nhảy tốc độ âm… Sau này, người ta phát tượng lan truyền tín hiệu thuỷ âm xa nhiều so với cự ly lượng Sự xuất kênh âm ngầm, kênh tiếp giáp bề mặt, vùng phát xa tính tốn nghiên cứu… Những cơng trình nghiên cứu lâu dài lĩnh vực lý thuyết lan truyền sóng âm mơi trường nước biển cộng với thực nghiệm đa dạng, phong phú nghiên cứu đặc tính hải dương học cho đời nhiều cơng thức, chương trình tính tốn ảnh hưởng mơi trường đến lan truyền sóng âm nước đến phương tiện thuỷ âm [1] có độ xác cao ứng dụng thực tế lớn Đặc biệt giúp tạo thiết bị dùng để dự báo tầm hoạt động TBTA điều kiện thực tế Trên sở liệu thu từ trạm khí tượng thủy văn biển, từ chương trình khảo sát, đo đạc biển xây dựng atlát phân bố đứng tốc độ sóng âm khắp đại dương Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 32 – 11/2012 63 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2012 Chương trình nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố mơi trường đến TBTA Đối với nước phát triển lĩnh vực khoa học biển, hải dương học, kỹ thuật Hải quân Mỹ, Nga, Nhật, nước Tây âu… việc nghiên cứu đo đạc cách hệ thống để xây dựng sở liệu môi trường biển hoạt động thường xuyên đầu tư tương xứng cấp độ quốc gia Để đảm bảo cho hoạt động trang thiết bị thủy âm biển, xây dựng nhiều chương trình máy tính, thiết bị mơ phỏng, hiển thị tranh truyền sóng âm mơi trường biển có tính đến yếu tố mơi trường tính tốn ảnh hưởng của yếu tố tới hoạt động trang thiết bị chương trình WADER 32 dùng cho Hải quân số nước, tính ưu việt chương trình WADER 32 tính quốc tế hóa liệu biển tích hợp nhiều chủng loại thiết bị sôna, thủy âm điểm hạn chế là: Độ xác vùng biển cục đặc biệt khu vực ven biển Việt Nam, Trung quốc chưa kiểm nghiệm, kết dự báo tầm hoạt động có độ xác khơng cao lấy tồn giá trị đồ hướng sơ na theo góc mở mà khơng theo giá trị giản đồ hướng sôna theo góc mở mà khơng theo giá trị giản đồ hướng theo toạ độ Hải quân Ấn độ sử dụng chương trình Bathymetry dự báo tầm hoạt động thiết bị thủy âm trang bị tàu ngầm lớp KILO tàu mặt nước có hệ thống sơna săn ngầm [2] Tương tự chương trình WADER 32, Hải qn Mỹ có chương trình TEST II Chương trình dùng riêng cho hệ thống sơ na thủy âm Mỹ Ngoài ra, thư viện chương trình dùng để tính trường âm đại dương POSS (Panen on Sonar System) Hải quân mỹ có 20 chương trình chủ yếu Thời gian tính tham số trường âm theo chương trình dao động từ 2,5s tới 702s Thời gian tính lớn sử dụng chương trình, dựa phương pháp sóng chuẩn, chương trình tính lập riêng tương ứng với mơ hình mơi trường định đảm bảo giải phạm định toán đặt việc xác định cự ly phát mục tiêu Độ xác tính tham số trường âm (tính dB) theo chương trình Hải quân Mỹ đưa Bảng 2.1 Bảng 2.1 Tham số trường âm (dB) Trong vùng chiếu sáng âm xa Tên chương trình Chương trình tính trường âm chế độ chủ động sona cự ly lớn (LORA) Chương trình tính tham số xung cho cự ly trung bình Chương trình tính quỹ đạo tia sóng cho lát cắt vận tốc âm trơn (RTRACE) Chương trình tính đầu sóng theo quỹ đạo tia sóng cho gradient tốc độ âm liên tục (CONGRATS-V) Chương trình tính tổn hao đường truyền phương pháp tia sóng (PLRAY) Chương trình tính sóng chuẩn (NMP) Chương trình tính sóng chuẩn vùng tối (AP-2) Khoảng cách tới điểm thu (km) 100 200 0,1; 0,8; 0,9; 1,7; 2,0; 2,0 -1,6; 0; 0,1 4,3; 1,0; 1,2 4,0; -1,8; 1,8 4,4; 1,9; 2,0; 0,9; 1,9; 2,2 1,4; 1,6; 2,2; -0,1 2,3 -0,3; -9,8; -2,2; 1,2; 1,6; 2,0; -0,1 2,5 -0,4; 0,9; 1,0; 1,4; 1,4; 1,5 -0,7 2,4 -2,1; -0,6 2,7; 2,0; -2,2; 1,1 3,9; 1,4 -3,3; -4,6 3,0; 2,0 2,2; 1,2; 2,0; 2,3 1,6; 0,5; 1,2; 1,0; 0,3; -0,9 1,5; 1,5 0,9 1,6 -0,5 1,9 -0,2 1,9 -1,8 2,7 -0,4 2,3 -1,9 2,6 Tuy nhiên, hầu hết chương trình tính tầm hoạt động phát triển cho mục đích quân có tính bảo mật cao khơng phổ biến Trên giới, việc tính tốn trường âm thực theo hai mơ hình Mơ hình sóng chuẩn Mơ hình tia sóng Các ưu, nhược Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 32 – 11/2012 64 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2012 điểm mơ hình liệt kê bảng 2.2 Việc sử dụng mơ hình tia sóng mơi trường truyền sóng biểu diễn dạng lớp phẳng, song song với giá trị không đổi gradient tốc độ âm lớp giúp thực tính tốn với độ xác mong muốn, có tính đến đặc tính mở rộng đầu sóng theo cự ly, suy giảm khơng gian, nhiễu tán xạ, phản xạ tán xạ tín hiệu thuỷ âm bề mặt đáy vài yếu tố khác Các vấn đề liên quan đến môi trường truyền sóng, yếu tố thủy văn-thủy âm, trường âm biển quan tâm nghiên cứu đo đạc từ năm 1960 kỷ trước tàu nghiên cứu biển chủ yếu nước thực (Nga, Mỹ) Trong năm gần có số đề tài nghiên cứu trường âm biển Việt Nam tổ chức nghiên cứu khoa học, viện nghiên cứu trường đại học tiến hành, điển đề tài cấp nhà nước giai đoạn 19952000 “Nghiên cứu trường sóng âm vùng biển Việt Nam” (Phân viện Hải dương học Hà Nội chủ trì, Phạm Văn Thục – Chủ nhiệm) Đây coi đề tài nghiên cứu trường sóng âm Việt Nam, thống kê số liệu đo đạc, khảo sát trước kiểm chứng thực địa số liệu thu thập để xây dựng sở liệu phân bố theo không gian, thời gian vận tốc trường âm đặc điểm trường nhiễu âm học vùng biển thuộc Việt Nam Mơ hình Sóng chuẩn Tia sóng Ưu điểm Bảng 2.2 So sánh mơ hình tính tốn trường âm Nhược điểm - Có khả biểu diễn đầy đủ trường - Đúng cho tần số - Khơng cần khơi phục xác định tồn đường lan truyền sóng từ nguồn - Khơng có kết xác cho phụ thuộc tuỳ tiện tốc độ âm vào độ sâu điều kiện biên thực tế; - Số lượng phép tính tốn lớn; - Không phụ thuộc vào loại nguồn âm - Đơn giản việc tính trường âm - Đúng cho điều kiện định; - Có sai số điểm hội tụ bao hình khúc xạ; - Cần phải tính tồn quỹ đạo truyền sóng; - Trực quan thể tranh truyền sóng vùng phát mục tiêu - Khó biểu diễn hiển thị kết tính - Xuất vùng bao hình khúc xạ giả thực việc phân đoạn thẳng đoạn lát cắt tốc độ âm Việc triển khai đề tài thứ hai “Nghiên cứu trường thủy âm trường sóng nội Vùng biển Việt Nam” (Mã số KC-09-18; Thuộc chương trình trọng điểm cấp nhà nước năm 2001-2005) cụ thể hóa số vấn đề sau: - Đưa sở lý thuyết phương pháp luận nghiên cứu âm học trường sóng nội môi trường biển; Các phần mềm phương pháp tính tốn, xử lý yếu tố đặc trưng trường thủy âm trường sóng nội vùng biển Việt Nam; - Ngân hàng liệu yếu tố hải dương trường thủy âm trường sóng nội vùng biển Việt Nam; Bản đồ yếu tố đặc trưng của trường thủy âm trường sóng nội vùng biển Việt Nam Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố môi trường biển đến tầm hoạt động thiết bị thủy âm” đặt móng sở cho việc khai thác, làm chủ công nghệ tiên tiến TBTA đưa vào trang bị nhằm phục vụ cho hoạt động biển, đặc biệt lĩnh vực quốc phòng – an ninh nhằm đảm bảo khả sẵn sàng chiến đấu có nội dung: - Nghiên cứu, khảo sát, đánh giá hệ thống sơna có trang bị Hải quân, đặc biệt sở nguyên lý hoạt động chúng thành phần hệ thống, bao gồm hệ thống sôna chủ động, bị động, thông tin liên lạc ngầm, sôna chặn bắt tín hiệu, đầu tự dẫn ngư lơi loại - Nghiên cứu trường âm thứ cấp sơ cấp mục tiêu biển nhằm làm rõ ảnh hưởng chúng tới tầm hoạt động hệ thống thủy âm khác nhau; Khảo sát, thu thập, đánh giá, lựa chọn xây dựng Bộ sở liệu hải dương học mẫu; Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 32 – 11/2012 65 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2012 - Xây dựng giải thuật tính tầm hoạt động hệ thống thuỷ âm khác nhau, xây dựng chương trình tính; Xây dựng giải pháp công nghệ, thiết kế chế tạo hệ thống dự báo tầm hoạt động, bao gồm phần cứng hệ thống với chương trình tính đa có [3] - Thiết kế, lắp đặt hệ thống cho tàu quan huy điều động tàu Dự kiến hệ thống (có sensơ đo) đặt tàu Vũng Tàu/Đà nẵng, hệ thống tính tốn đặt quan huy bờ - Thử nghiệm hoạt động thực tế hệ thống lắp đặt để chứng minh tính khoa học giải pháp công nghệ lựa chọn Tổ chức khảo sát đo đạc xây dựng sở liệu mẫu thuỷ âm khu vực biển Đà Nẵng Phương pháp tiến hành kết đạt Để dự báo tầm hoạt động hệ thống thuỷ âm cần xác định tham số ảnh hưởng tới tầm hoạt động hệ thống thủy âm từ xây dựng thuật tốn chương trình tính Có thể mơ hình lược giản kênh thủy âm hình 3.1 Mơ hình khái quát mối liên quan hoạt động hệ thống thuỷ âm, lắp phương tiện mang (tàu ngầm, tàu nổi, thiết bị ngầm ), hoạt động điều kiện đối tượng(mục tiêu) phương tiện mang trang bị thuỷ âm chuyển động mơi trường nước, có ảnh hưởng lớp nước hai biên (đáy bề mặt) Những yếu tố gây ảnh hưởng khác tới tầm hoạt động trang bị thuỷ âm Đặc tính thành phần mơ hình: - Mơi trường nước không đồng ảnh hưởng tới lan truyền sóng âm gây nên tượng khúc xạ, suy giảm, nhiễu tạo vang khối nước, nhiễu môi trường…; Các lớp bề mặt đáy biển với đặc trưng (độ nơng, sâu, chiết suất ) gây ảnh hưởng khác tới lan truyền sóng âm, gây tượng phản xạ, khúc xạ, nhiễu tạo vang mặt đáy [4] - Hệ thống thuỷ âm lắp đặt phương tiện mang hệ thống sô na chủ động, thụ động thông tin – liên lạc thuỷ âm, sô na chặn bắt tín hiệu thuỷ âm… Hình 3.1 Mơ hình giản lược kênh thủy âm Hình 3.2 Sơ đồ bước thử nghiệm - Sự chuyển động đối tượng quan sát (mục tiêu) với mức độ phản xạ (hoặc độ ồn) tác động tới sóng phản xạ, gây tượng hiệu ứng Doppler, thay đổi tín hiệu phản xạ từ mục tiêu góc mạn thay đổi; Chuyển động phương tiện mang trang thiết bị thuỷ âm, phương tiện (tàu nổi, tàu ngầm) chuyển động chúng gây loại nhiễu khác cho trang thiết bị thuỷ âm gây hiệu ứng Doppler; Mỗi thành phần tham gia kênh thuỷ âm có tác động tương hỗ lẫn định đến tầm hoạt động thiết bị thuỷ âm Để tính tác động yếu tố tới tầm hoạt động hệ thống sôna, trước hết cần xây dựng lựa chọn mơ hình vật lý hoạt động hệ thống thuỷ âm, mơ hình lan truyền sóng âm ảnh hưởng yếu tố tới tầm hoạt động hệ thống thuỷ âm, sở mơ hình vật lý, xây dựng mơ hình tốn học hoạt động hệ thống với ảnh hưởng tất yếu tố xây sở mơ hình xây dựng mơ hình số máy tính thử nghiệm hoạt động mơ hình số với điều kiện thực tế nhằm đánh giá tính đắn mơ hình chọn, thấy bước tiếp cận theo sơ đồ 3.2 Kết luận Trên sở nghiên cứu ảnh hưởng mơi trường truyền sóng âm đến phương tiện thuỷ âm, thấy môi trường truyền thơng tin nước sử dụng sóng thuỷ âm (Acoustic Wave) phức tạp, hiệu tác động đến phương tiện thuỷ âm cần phải Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 32 – 11/2012 66 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2012 tính tốn cách kỹ lưỡng Trong khn khổ báo nghiên cứu phần ảnh hưởng môi trường thuỷ âm phương tiện thuỷ âm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dr.Nguyễn Trà Lam, Thủy âm học ứng dụng, Tạp chí Hải quân, 2008 [2] Dr.Nguyễn Trà Lam, Tương quan nhiễu chân vịt đầu an ten thiết bị ngầm, Tuyển tập Hội nghị quốc tế thủy âm 6/2002 LB Nga (ISSN 1608-8182) [3] Dương Minh Hải, Công nghệ đo đạc biển từ máy bay, Hội thảo Công nghệ Thủy âm 2011 Hà nội [4] R.F.W Coates, M Zheng and L Wang, “BASS 300 PARACOM": A model Underwater Parameteric Communication System, IEEE, J Oceanic Người phản biện: TS Lê Quốc Vượng NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO MƠ HÌNH TÀU HUẤN LUYỆN ĐIỀU KHIỂN TỪ XA STUDY ON MANUFACTURING REMOTE CONTROL TRAINING SHIP MODEL TS VŨ ĐỨC LẬP Trường Cao đẳng nghề Bách nghệ Hải Phòng Tóm tắt Bài báo giới thiệu cơng tác nghiên cứu chế tạo tàu mơ hình điều khiển tàu từ xa thông qua hệ thống vô tuyến điện Với việc sử dụng mơ hình này, việc huấn luyện kỹ nghề cho sinh viên ngành Hàng hải hiệu Abstract The paper introduces the study on manufacturing a remote control training ship model by radio system By using this training method, the training of skills for navigation students will be more effectively Đặt vấn đề Nhằm nâng cao chất lượng huấn luyện kỹ nghề cho học viên sỹ quan ngành điều khiển tàu biển, đồng thời để giảm chi phí đào tạo cho phù hợp với điều kiện thực tiễn nhà trường Nhóm tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu, chế tạo mơ hình tàu huấn luyện điều khiển từ xa” Với mơ hình huấn luyện kỹ nghề: - Kỹ nhận dạng phao tiêu, đèn báo hiệu luồng - Kỹ lái tàu (Theo lệnh, theo la bàn, theo chập tiêu) - Kỹ điều động tàu - Kỹ cập rời cầu Sơ đồ tổng quan hệ thống Để sinh viên có điều kiện thực hành tập điều động tàu, tác giả đề xuất sơ đồ tổng quan hệ thống điều khiển tàu huấn luyện từ xa sau: Cabin điều khiển lắp đặt bờ, có nhiệm vụ điều khiển quan sát chuyển động mơ hình tàu huấn luyện Nó lắp đặt trang thiết bị : máy lái thủy lực, la bàn điện, đồng hồ báo góc lái, đồng hồ báo tốc độ tàu, báo tốc độ hướng gió, hệ thống hình quan sát chuyển động tàu, hệ thống tạo âm thực tàu Cabin bố trí hồn tồn giống tàu để tạo cảm giác thật cho người học Trung tâm xử lý truyền số liệu lắp đặt cabin điều khiển, có nhiệm vụ nhận tín hiệu điều khiển từ hệ thống lái, tín hiệu tốc độ, tín hiệu hình ảnh thực địa tàu chạy Sau xử lý đưa đến máy phát vô tuyến điện phát vào không gian truyền đến máy thu đặt mơ hình tàu huấn luyện Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 32 – 11/2012 67 ... dương trường thủy âm trường sóng nội vùng biển Việt Nam; Bản đồ yếu tố đặc trưng của trường thủy âm trường sóng nội vùng biển Việt Nam Đề tài Nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố môi trường biển đến tầm hoạt. .. thuỷ âm bề mặt đáy vài yếu tố khác Các vấn đề liên quan đến môi trường truyền sóng, yếu tố thủy văn -thủy âm, trường âm biển quan tâm nghiên cứu đo đạc từ năm 1960 kỷ trước tàu nghiên cứu biển. .. thiết bị mơ phỏng, hiển thị tranh truyền sóng âm mơi trường biển có tính đến yếu tố mơi trường tính tốn ảnh hưởng của yếu tố tới hoạt động trang thiết bị chương trình WADER 32 dùng cho Hải quân