Về một phương pháp thiết kế hệ thống định vị thủy âm chủ động kiểu USBL sử dụng mảng bốn hydrophone

Nội dung bài viết đề xuất một giải pháp thiết kế hệ thống định vị thủy âm chủ động sử dụng hệ thống đường cơ sở cực ngắn (USBL) với mảng bốn hydrophone. Để đánh giá độ chính xác cho hệ thống USBL với bài toán phát hiện mục tiêu ở phạm vi xa, nhóm nghiên cứu đề xuất sử dụng thuật toán ước lượng thời gian trễ tại đỉnh tương quan cho mô hình mảng bốn phần tử.

Nghiên cứu khoa học công nghệ VỀ MỘT PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ THỦY ÂM CHỦ ĐỘNG KIỂU USBL SỬ DỤNG MẢNG BỐN HYDROPHONE Trần Quang Giang*, Vũ Hải Lăng, Nguyễn Thị Nga, Bạch Nhật Hồng Tóm tắt: Nội dung báo đề xuất giải pháp thiết kế hệ thống định vị thủy âm chủ động sử dụng hệ thống đường sở cực ngắn (USBL) với mảng bốn hydrophone Để đánh giá độ xác cho hệ thống USBL với toán phát mục tiêu phạm vi xa, nhóm nghiên cứu đề xuất sử dụng thuật toán ước lượng thời gian trễ đỉnh tương quan cho mơ hình mảng bốn phần tử Thơng qua mơ hình thống kê Monte Carlo, kết mơ thuật tốn đề xuất cho thấy, độ xác kết định vị phụ thuộc vào tỉ số tín tạp khoảng cách đường sở mảng hydrophone Từ khóa: USBL; Ước lượng thời gian trễ; SNR; Hydrophone ĐẶT VẤN ĐỀ Hệ thống định vị thủy âm sử dụng đường sở cực ngắn USBL (Ultra Short Baseline system) sử dụng rộng rãi ứng dụng âm học đại dương độ nhỏ dễ lắp đặt Tuy nhiên, Việt Nam hệ thống USBL bắt đầu nghiên cứu năm gần bước đầu đạt số kết Bài báo trình bày kết nghiên cứu hệ thống định vị thủy âm chủ động USBL sử dụng mảng hydrophone bố trí hình chữ thập có khả thực hóa thực tế Hệ thống sử dụng thuật toán ước lượng thời gian trễ phép toán tương quan cho hệ thu chủ động Kết mô cho thấy, hệ thống ước tính vị trí độ xác sở phụ thuộc tỷ số tín tạp đường sở mảng hydrophone HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ THỦY ÂM CHỦ ĐỘNG USBL SỬ DỤNG MẢNG BỐN HYDROPHONE 2.1 Tổng quan hệ thống định vị thủy âm USBL Hệ thống định vị thủy âm USBL [1] phát tiển từ năm 1970 với mục đích giảm phức tạp hệ thống định vị nguồn âm nước USBL đặc trưng mảng đầu thu cỡ nhỏ sử dụng vật mang kích thước cịn nhỏ Kích thước đầu thu hệ thường từ vài cm đến vài chục cm Ưu điểm vượt trội hệ thống USBL dễ thấy linh hoạt thuận tiện, dễ dàng cài đặt tích hợp vào hệ đặc thù Hệ thống định vị thủy âm chủ động USBL có hai thành phần chính: - Thiết bị tàu: gồm mảng hydrophone thủy âm mạch điện tử với chức phát thu xử lý tín hiệu, tính tốn kết định vị mục tiêu - Thiết bị nước: gồm hydrophone thủy âm mạch điện tử thu xử lý tín hiệu phát lại thơng tin cần thiết cho thiết bị tàu Có thể có nhiều thiết bị nước, cài đặt mục tiêu khác (hình 1) Bài báo trình bày kết nghiên cứu hệ thống định vị thủy âm chủ động USBL sử dụng mảng bốn hydrophone bố trí hình chữ thập Vì hệ thống chủ động nên thơng tin khoảng cách nhìn thẳng thơng tin độ sâu dễ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, - 2020 133 Kỹ thuật điện tử dàng nhận cách phát tín hiệu hỏi thu xử lý thông tin truyền từ thiết bị nước Bài báo dựa vào thông tin biết khoảng cách nhìn thẳng độ sâu để tính tốn vị trí mục tiêu Kết mơ cho thấy, độ xác phép đo phụ thuộc khoảng cách phần tử mảng, tỷ số tín tạp SNR Hình Mơ hình hệ thống định vị USBL 2.2 Sơ đồ cấu trúc mảng hydrophone bốn phần tử Sơ đồ cấu trúc mảng hydrophone bốn phần tử mơ tả hình Với 1, 2, 3, vị trí bốn hydrophone 2, đặt cách khoảng cách L, mục tiêu đặt S(x, y, z), bán kính vectơ đích OS, R khoảng cách tâm mục tiêu mảng, S' hình chiếu mặt phẳng ngang xoy, góc θ góc định hướng ngang, θmx, θmy góc riêng bán kính vectơ OS trục x, trục y τ12 độ trễ thời gian tín hiệu từ mục tiêu 2, τ34 độ trễ thời gian tín hiệu từ mục tiêu Hình Sơ đồ cấu trúc mảng hydrophone bốn phần tử Khi vị trí mục tiêu đáp ứng điều kiện mơ hình sóng phẳng ta có: xL  R cos  mx  c 12 R / L, yL  R cos  my  c 34 R / L (1) đó, c vận tốc âm nước Do đó, độ xác vị trí phụ thuộc vào 134 T Q Giang, …, B N Hoàng, “Về phương pháp thiết kế … mảng bốn hydrophone.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ độ xác đo độ trễ thời gian τ, khoảng cách nhìn thẳng R, R đo phép đo xác độ trễ thời gian điểm quan trọng để cải thiện độ xác tốn định vị 2.3 Thuật toán nội suy ƣớc lƣợng thời gian trễ đỉnh tƣơng quan Bài toán nội suy ước lượng thời gian trễ sử dụng thuật toán phát đỉnh tương quan [2] dùng phổ biến trường hợp Việc sử dụng lọc phối hợp để thu tín hiệu cơng suất đầu cực đại cho tỉ số tín tạp (SNR) nhiễu trắng hệ thống định vị USBL Đầu lọc phối hợp thực chất tương quan chéo miền thời gian [3], hình Tín hiệu đầu vào Bộ Lọc Phối hợp Đầu Phát đỉnh Tín hiệu Mẫu Hình Bộ tương quan chéo miền thời gian Tín hiệu đầu vào tương quan tín hiệu thu (có nhiễu), đầu cịn lại tín hiệu mẫu truyền Tại khoảng thời gian lấy mẫu, tín hiệu tham chiếu lấy tương quan với tín hiệu đầu vào Ví dụ, ta quan sát đầu lọc phối hợp cách phát tín hiệu điều tần tuyến tính (LMF) kênh truyền lý tưởng Nếu thời gian trễ tín hiệu thu t0, tín hiệu đầu vào Si(t) tín hiệu tham chiếu Sr(t) sau: si (t )  A sin( w(t  t0 )   (t  t0 ) ), t0  t  T  t0 ; sr (t )  A sin( wt   t ), t  0; (2) đó, β=B/T tỷ số điều tần FM, B băng thơng, T độ rộng xung tín hiệu Đầu tương quan là: Rout (t )  A2T / [ (t  t0 )]sin[ (t  t0 )(1  t  t0 ) / T ] (3) Khi t = t0, đầu tương quan đạt cực đại Nếu phát đỉnh đầu tương quan ta ước lượng t0 Vì khoảng thời gian lấy mẫu, đầu tương quan mẫu riêng biệt chuỗi tương quan đó, đầu cực đại khơng đồng nghĩa với vị trí xác tương ứng đỉnh tương quan, dẫn đến sai số giá trị thời gian trễ Độ xác thời gian trễ phụ thuộc vào tần số lấy mẫu khoảng cách L cặp hydrophone Do đó, để có độ xác theo tốn cụ thể ta phải khảo sát L tần số lấy mẫu từ xác định thiết kế phù hợp cho hệ thống MƠ PHỎNG, TÍNH TỐN VÀ THẢO LUẬN 3.1 Thuật tốn mơ hệ thống định vị thủy âm USBL sử dụng mảng bốn hydrophone Q trình mơ (hình 4) bao gồm bốn bước: - Bước khởi tạo tín hiệu từ bốn đường tương ứng với cấu trúc mảng bốn phần tử; Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, - 2020 135 Kỹ thuật điện tử - Bước thứ hai đo thời gian trễ, bao gồm hai lọc phối hợp; - Bước thứ ba đỉnh tương quan tương ứng đầu lọc - Bước thứ tư tính tốn chênh lệch thời gian trễ τ12, τ34, sau đó, sử dụng phương trình (3) để tính kết vị trí cuối Hình Thuật tốn mơ hệ thống định vị thủy âm USBL sử dụng mảng bốn hydrophone 3.2 Phƣơng pháp tính tốn, mơ thảo luận Lựa chọn tín hiệu điều tần tuyến tính có tần số 28-36 kHz làm tín hiệu mục tiêu, băng thơng B = kHz, tần số lấy mẫu fs = 200 kHz, độ rộng xung T = ms, nhiễu nhiễu trắng Gauss Khoảng cách nghiêng mục tiêu cho trước S R = 566 m, tọa độ S’ (400,400) Hệ thống sử dụng khoảng cách phần tử mảng L = 25 cm, tốc độ âm nước c = 1500 m/s 3.2.1 So sánh lỗi vị trí với tín hiệu thu có SNR khác Sau thực thống kê độc lập 500 lần thuật toán Monte Carlo với tỉ số tín tạp SNR 10 dB 16 dB, ta có điểm vị trí mục tiêu theo chiều ngang mặt phẳng mơi trường nước hình hình Trong đó, x y tọa độ vị trí nằm ngang với khoảng cách L = 25 cm, σ Lx' độ lệch bình phương trung bình tính sau:  Lx '  136 N  (x  x ) i 1 i /N (4) T Q Giang, …, B N Hoàng, “Về phương pháp thiết kế … mảng bốn hydrophone.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ đó, xi giá trị đo được, x0 giá trị trung bình mục tiêu đối chiếu tới trục x mặt phẳng ngang, N số lần thống kê Hình hình cho thấy độ lệch vị trí mục tiêu lớn điểm vị trí phân tán SNR 10dB, độ lệch vị trí mục tiêu nhỏ điểm mục tiêu hội tụ tập trung SNR 16dB Thống kê kết đo được, ta tính bình phương độ lệch trung bình vị trí Lx' 6,38 m 2,74 m SNR 10 dB 16 dB Hình Thống kê thuật tốn Monte Carlo với SNR=10dB Hình Thống kê thuật tốn Monte Carlo với SNR=16 dB 3.2.2 So sánh lỗi vị trí với khoảng cách phần tử mảng khác Sau thực thống kê độc lập 500 lần thuật tốn Monte Carlo với tỉ số tín tạp SNR 10dB, thay đổi khoảng cách L phần tử mảng ta nhận lỗi vị trí bảng Bảng Lỗi vị trí khoảng cách L phần tử mảng L (mm) 16 32 48 64 σLx '(m) 20,9 9,7 5,22 3,31 2,39 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, - 2020 137 Kỹ thuật điện tử Bảng cho thấy rằng, lỗi vị trí giảm với khoảng cách phần tử mảng tăng lên Khi tăng khoảng cách phần tử mảng gặp khó khăn xây dựng hệ thống tăng cao chi phí với hệ thống chủ động bốn phần tử, địi hỏi cần phải tính tốn theo trường hợp cụ thể để chọn giá trị tối ưu khoảng cách L KẾT LUẬN Bài báo sử dụng thuật toán ước lượng thời gian trễ phát đỉnh tương quan để xác định vị trí nguồn âm hệ thống USBL chủ động Hệ thống sử dụng cấu trúc mảng bốn hydrophone thủy âm Độ xác vị trí tỷ lệ nghịch với giá trị SNR tỷ lệ thuận với khoảng cách phần tử mảng Kết mơ mà nhóm tác giả thu làm sở thiết kế hệ thống định vị thủy âm USBL chủ động thực tế TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] 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 [2] Huang Jianren, “An algorithm of interpolating time-delay estimation in correlation peak”, Acoustic Journal, 2005 [3] Tian Tan, “Technique of underwater positioning and navigation”, National Defense Industry Press, 2007.9 [4] Tian Tan, Liu Guozhi, Sun Dajun, “Technique of sonar”, Harbin:Harbin Engineering University Press, 2006 [5] Liu Li, “Research on technique of underwater acoustic communication”, Harbin: HEU Press, 2006 ABSTRACT IMPROVING LOCATION PRECISION FOR USBL SYSTEM WITH FOUR HYDROPHONES ARRAY In this article, a solution to design active hydrodynamic positioning system using the ultra-short baseline system (USBL) with four hydrophones array was analyzed In order to increase the accuracy of system with a long distance, the research team proposed to use the correlation peak time delay estimation algorithm Using Monte Carlo statistical model, the result shows that the accuracy of the positioning results depends on the signal to noise ratio and the baseline distance of the hydrophone array Keywords: USBL; Time-delay estimation; SNR; Hydrophone Nhận ngày 19 tháng 02 năm 2020 Hoàn thiện ngày 20 tháng năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 28 tháng năm 2020 Địa chỉ: Viện Điện tử, Viện KH-CN quân *Email: giangtq@vietkey.vn 138 T Q Giang, …, B N Hoàng, “Về phương pháp thiết kế … mảng bốn hydrophone.” ... cách L KẾT LUẬN Bài báo sử dụng thuật toán ước lượng thời gian trễ phát đỉnh tương quan để xác định vị trí nguồn âm hệ thống USBL chủ động Hệ thống sử dụng cấu trúc mảng bốn hydrophone thủy âm Độ... gian trễ τ12, τ34, sau đó, sử dụng phương trình (3) để tính kết vị trí cuối Hình Thuật tốn mơ hệ thống định vị thủy âm USBL sử dụng mảng bốn hydrophone 3.2 Phƣơng pháp tính tốn, mơ thảo luận... mẫu từ xác định thiết kế phù hợp cho hệ thống MÔ PHỎNG, TÍNH TỐN VÀ THẢO LUẬN 3.1 Thuật tốn mơ hệ thống định vị thủy âm USBL sử dụng mảng bốn hydrophone Q trình mơ (hình 4) bao gồm bốn bước: -