Nghiên cứu nâng cao độ chính xác định vị của thiết bị sonar thụ động trên tàu tt

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ TRẦN CÔNG TRÁNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỊNH VỊ CỦA THIẾT BỊ SONAR THỤ ĐỘNG TRÊN TÀU Chuyên ngành: Kỹ thuật Rađa – dẫn đƣờng Mã số: 52 02 04 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 2019 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Đại tá, TS Trần Văn Hùng Đại tá, TS Nguyễn Thanh Hùng Phản biện 1: PGS.TS Vũ Văn Yêm Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Phản biện 2: PGS.TS Lê Vĩnh Hà Viện Khoa học Công nghệ quân Phản biện 3: TS Nguyễn Văn Số Lữ đoàn 189, Quân chủng Hải quân Luận án bảo vệ Hội đồng đánh giá luận án cấp Viện, họp viện Khoa học Công nghệ quân vào hồi 08 00, ngày tháng năm 2019 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học Công nghệ quân - Thư viện Quốc gia Việt Nam DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ [1] Lương Văn Trình, Trần Văn Hùng, Trần Cơng Tráng, 2016, Thuật tốn định vị HYBRID TDOA-AOA mơ hình hệ thống đa thụ động với trạm thu động, Tạp chí Nghiên cứu KH&CNQS, Đặc san Rađa, 8/2016, tr.137-142 [2] Trần Công Tráng, Nguyễn Thanh Hùng, Trần Văn Hùng, 2016, Nghiên cứu ứng dụng phương pháp so sánh hệ số tương phản sonar mạng kéo thụ động phát mục tiêu gây ồn thấp, Hội thảo Thông tin Định vị biển (ComNavi 2016), Đại học Bách khoa Hà Nội, 10/2016, tr 64-68 [3] Đoàn Văn Sáng, Trần Quý Dân, Trần Công Tráng, Trần Văn Hùng, Nguyễn Thanh Hùng, 2017, Khảo sát sai số định vị mục tiêu sonar thụ động sử dụng phương pháp tam giác, Tạp chí Nghiên cứu KH&CNQS số 51, (10/2017), ISSN-1859-1043, tr 58-65 [4] Tran Cong Trang, Doan Van Sang, Nguyen Van Linh, Nguyen Hoai Nhan, Nguyen Thanh Hung, 2017, An Experimental Measurement of Simple Chip AD8302 Implemented in SONAR Interferometer, Integrated Circuits, Design, and Verification (ICDV), 7th International Conference, IEEE Published, ISBN: 978-1-5386-3377-9, 5-6 Oct 2017, Hanoi, Vietnam [5] Sang Van Doan, Jiri Vesely, Trang Cong Tran, Thanh Chi Vu, Hung Thanh Nguyen, 2017, The Measurement of Long Baseline Interferometer, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật, , Số đặc biệt hệ thống giám sát đa, HVKTQS số 189 tháng 4-2018, ISSN- 1859 - 0209, tr 167-176 [6] Trần Công Tráng, Đoàn Văn Sáng, Nguyễn Thanh Hùng, Trần Văn Hùng, 2018, Ứng dụng thuật tốn MUSIC nâng cao độ xác đo góc sonar thụ động, Tạp chí Nghiên cứu KH&CNQS số 56, tháng 8/2018, trang 105 - 114 [7.]Sang Van Doan, Trang Cong Tran, Van Duc Nguyen, DOA Estimation of Underwater Acoustic Signals By Using Non-uniform Linear Arrays, 4th EAI International Conference: INISCOM 2018, Da Nang Viet Nam 27 August 2018, ID 339568416, links: https://doi.org/10.1007/978-3-030-05873-9_9 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài luận án: Sonar thụ động giữ vai trò quan trọng tàu chiến đấu Hải quân, đặc biệt tàu ngầm có tính ưu việt tính bí mật hoạt động Hiện nay, tiến kỹ thuật cơng nghệ điện tử, máy tính, xử lý tín hiệu cho phép thiết kế hệ thống sonar thụ động đại, với tính vượt trội Trên giới nghiên cứu công nghệ sonar có phát triển, tiến nhanh kể từ đầu kỷ 21 [67] Các quốc gia tiên phong lĩnh vực sonar quân dân Mỹ, Anh, Pháp, Đức, Nga [80] Nhật Bản, Hàn Quốc đạt nhiều thành công kỹ thuật sonar dân sự, gần Trung Quốc đầu tư mạnh đạt nhiều thành tích nghiên cứu, phát triển sonar quân [23], [78] Nghiên cứu sonar thụ động hướng ưu tiên Trên giới Việt Nam, kết nghiên cứu ứng dụng sonar thụ động quân đựơc bảo mật chặt chẽ, khó đánh giá tồn diện, xác tình hình xu hướng phát triển kỹ thuật sonar thụ động Mục đích nghiên cứu: - Nghiên cứu phương pháp định vị mục tiêu, sở tốn học phương pháp đo góc tới DOA, từ đánh giá khả ứng dụng thực tế phương pháp, thuật toán định vị đo góc tới DOA nguồn phát sóng âm thiết bị sonar thụ động tàu; đề xuất số giải pháp khả thi nâng cao độ xác ước lượng góc tới DOA làm sở nâng cao độ xác định vị mục tiêu sonar thụ động tàu - Đo thực nghiệm kiểm chứng, đánh giá sai số định vị đo góc tới DOA bể thí nghiệm thủy âm (tại Học viện Hải quân Viện Kỹ thuật Hải quân), môi trường biển nông (tại Vịnh Nha Trang) làm sở thực tế đánh giá hiệu khả ứng dụng phương pháp, thuật toán giải pháp nghiên cứu, đề xuất Ðối tƣợng phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu phương pháp định vị, đo góc tới nguồn phát tín hiệu sonar cho đối tượng sonar thụ động tàu; xây dựng mơ hình tín hiệu phát sóng âm, đánh giá khả ước lượng góc tới mơ Xây dựng cấu hình mạng anten âm áp dụng thuật tốn MUSIC nhằm nâng cao độ xác đo góc tới nhiều nguồn phát tín hiệu sonar khác Mơ phỏng, đánh giá, so sánh khả xác định góc tới theo thuật toán MUSIC với thuật toán CB (Conventional Beamforming - tạo búp sóng thơng thường) MVDR (Minimum Variance Distortionless Response - đáp ứng không méo phương sai cực tiểu), đề xuất giải pháp nâng cao độ xác đo góc tới DOA để nâng cao độ xác định vị mục tiêu cho đối tượng sonar thụ động tàu Ý nghĩa thực tiễn khoa học đề tài luận án: Ý nghĩa thực tiễn: - Đóng góp giải pháp cấu hình mạng anten âm giải pháp xử lý tín hiệu đo ứng dụng thuật tốn MUSIC vào mục đích nâng cao độ xác định vị mục tiêu hệ thống sonar thụ động đặt tàu - Đo thực nghiệm kiểm chứng đánh giá khả đo góc tới DOA nguồn tín hiệu xung âm bể thí nghiệm thủy âm bị nhiễu tác động - Đo thực nghiệm kiểm chứng đánh giá khả đo xác góc tới DOA theo thuật tốn MUSIC với nguồn tín hiệu sóng âm điều hịa liên tục thu từ mạng anten âm đồng hình trịn UCA mơi trường biển nông thực tế Vịnh Nha Trang Ý nghĩa khoa học: - Đưa kết luận khả ứng dụng phương pháp, thuật toán định vị đo góc tới nguồn tín hiệu sonar thụ động tàu - Xây dựng mơ hình tín hiệu thu mạng anten âm ULA, UCA, NLA cho phép nghiên cứu, đánh giá khả ước lượng góc tới DOA theo thuật toán CB, MVDR, MUSIC mạng anten - Phát triển mơ hình mạng anten, đề xuất cải tiến thuật toán MUSIC, kết hợp kỹ thuật làm mềm không gian (Smoothing MUSIC) mạng anten âm tuyến tính khơng đồng NLA nhằm nâng cao độ xác đo góc tới DOA tín hiệu sonar phát từ nhiều nguồn âm khác nhau, từ nâng cao độ xác định vị mục tiêu sonar thụ động tàu Phƣơng pháp nghiên cứu: Sử dụng phương pháp khảo cứu, phân tích tốn học thuật tốn định vị mục tiêu, đo góc tới có, sử dụng cơng cụ mơ mơi trường Matlab để kiểm chứng lý thuyết, so sánh, đánh giá sai số phương pháp định vị HDPR, TMA, tam giác đạc phương pháp đo góc biên độ cực đại, phương pháp so sánh pha, phương pháp đo hiệu thời gian đến Từ số liệu thu thập từ tổ hợp sonar thực tế, xây dựng mơ hình thực hành đo bể thí nghiệm thủy âm Học viện Hải quân, Viện Kỹ thuật Hải quân môi trường biển Vịnh Nha Trang tiến hành phân tích, mơ phỏng, so sánh, đánh giá sai số đo góc theo thuật tốn CB, MVDR, MUSIC để làm sáng tỏ kết nghiên cứu Bố cục luận án: Toàn luận án gồm 123 trang, 82 hình vẽ, 11 bảng biểu, phần mở đầu, kết luận, chương phụ lục Chƣơng TỔNG QUAN VỀ SONAR THỤ ĐỘNG VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ MỤC TIÊU CỦA SONAR THỤ ĐỘNG TRÊN TÀU 1.1 Tình hình nghiên cứu nƣớc quốc tế liên quan đến đề tài luận án Các đề tài, cơng trình nghiên cứu khoa học nước sonar quan tâm nhiều kể từ đầu kỷ 21, số nghiên cứu tập trung vào nhiệm vụ làm chủ kỹ thuật, cải tiến trang bị, thử nghiệm quy mô nhỏ với số lượng không nhiều Kể từ thập niên 2010 đến số lượng nghiên cứu sonar quân tăng lên đáng kể, yêu cầu cấp thiết quân đội ta trang bị đội tàu ngầm [12] Hiện giới có nhiều cơng trình nghiên cứu sonar thụ động nhằm nâng cao khả phát tăng độ xác định vị mục tiêu Phần lớn nghiên cứu tập trung vào việc đề xuất thuật toán định vị mục tiêu dựa vào thiết lập vị trí anten phao anten kéo theo Trong đó, thuật tốn nâng cao độ xác định hướng nguồn tín hiệu yếu tố cốt lõi để nâng cao độ xác định vị mục tiêu 1.2 Đặc điểm lan truyền sóng âm tác động đến toán định vị sonar thụ động tàu 1.3 Các phƣơng pháp định vị mục tiêu sonar thụ động tàu Phương pháp HDPR nhà thiết kế tàu ngầm châu Âu quan tâm sử dụng có khả xác định vị trí mục tiêu cách nhanh chóng, độ xác cao Tuy nhiên phương pháp HDPR bị giới hạn cự ly tần số hoạt động, r phải nhỏ /10 Các tàu ngầm đại thường có hệ thống sonar bố trí dọc thân tàu để xác định cự ly mục tiêu Phương pháp TMA phương pháp định vị cổ điển sử dụng từ lâu tàu ngầm Mặc dù xác định vị trí mục tiêu cần thơng tin góc hướng độ xác tương đối thấp Để kiểm chứng, đánh giá phương pháp TMA cần có thơng tin vận động tàu Trong lĩnh vực sonar thụ động, phương pháp tam giác đạc áp dụng hiệu quả, đặc biệt hệ thống sonar thụ động bố trí phao trạm quan trắc gần bờ mang tàu mặt nước Đối với tàu ngầm, phương pháp tam giác đạc áp dụng có gắn thêm anten kéo theo 1.4 Đặt toán điều kiện nghiên cứu Với mục đích nghiên cứu tìm giải pháp nâng cao độ xác đo góc tới DOA từ nâng cao độ xác định vị mục tiêu sonar thụ động tàu, luận án giới hạn toán nghiên cứu sau: Bài toán định vị mục tiêu sonar thụ động tàu giải với giả thiết đài sonar thụ động kết thúc giai đoạn phát tối ưu tín hiệu nhiễu Luận án sử dụng nguồn phát tín hiệu sóng âm dải tần số f0 = kHz mô đo thực nghiệm kiểm chứng Giới hạn toán dựa sở sau: - Định vị bước tiếp sau giai đoạn phát mục tiêu coi hai khâu tương đối độc lập Bài toán phát tối ưu tín hiệu sonar khơng mục tiêu nghiên cứu luận án - Tần số sóng mang f0 = kHz thuộc dải tần số trung bình tín hiệu trường âm sơ cấp phát từ mục tiêu thực tế tàu mặt nước, tàu ngầm hay sonar quan sát chủ động tàu, dải tần số mà phần lớn sonar thụ động tàu sử dụng [6], [12] 1.5 Kết luận chƣơng Qua nghiên cứu tổng quan, sở phương pháp định vị mục tiêu sonar thụ động tàu yếu tố tác động đến toán định vị mục tiêu cho thấy: Sóng âm lan truyền mơi trường biển theo đường cong, có vận tốc thay đổi chịu nhiều yếu tố tác động đến trình truyền sóng phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ, suy hao sóng, v.v Việc phát định vị nguồn sóng âm phát từ mục tiêu chịu ảnh hưởng yếu tố Sai số đo tọa độ mục tiêu thiết bị sonar thụ động tàu phụ thuộc vào hai tham số sai số đo góc tới sai số đo hiệu thời gian (đối với phương pháp HDPR) phụ thuộc vào sai số đo góc tới chủ yếu Vì hướng nghiên cứu luận án đề xuất giải pháp nâng cao độ xác đo góc tới nguồn phát tín hiệu sonar để đạt mục tiêu đề nâng cao độ xác định vị mục tiêu sonar thụ động tàu Luận án đặt hai nhiệm vụ cần giải sau: Phân tích, đánh giá khả đo góc tới phương pháp biên độ, so sánh pha, đo hiệu thời gian đến thuật toán CB, MVDR, sâu phân tích thuật tốn MUSIC mơ phỏng, hướng đến đề xuất áp dụng thuật toán MUSIC để đạt mục đích nâng cao độ xác đo góc tới sonar thụ động tàu Vấn đề giải chương 2 Nghiên cứu đề xuất cấu hình mạng an ten phù hợp, tối ưu thuật tốn MUSIC với mục đích nâng cao độ xác đo góc tới nguồn phát tín hiệu sonar mơ đo thực nghiệm để làm sáng tỏ kết nghiên cứu Vấn đề giải phần chương chương Chƣơng NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT ĐO GÓC TỚI CỦA SONAR THỤ ĐỘNG TRÊN TÀU Ước lượng góc tới khâu quan trọng hệ thống sonar, đặc biệt sonar thụ động NCS lựa chọn dải tần số kHz phép mơ phỏng, đo thực nghiệm dải tần số trung bình đài sonar quan sát chủ động, mục tiêu tàu mặt nước, tàu ngầm bộc lộ nguồn âm mà anten sonar thụ động phát nhiễu Thêm nữa, sonar thụ động tàu ngầm ta nhiều nước làm việc dải tần số [6] 2.1 Các phƣơng pháp đo góc ứng dụng sonar thụ động Khả đo hiệu pha tín hiệu dải hẹp kiểm chứng đo thực nghiệm cơng bố cơng trình [4] NCS cộng Kết đo cho thấy, phương pháp đo pha áp dụng vào sonar thụ động để đo góc tới tín hiệu dải hẹp với độ xác tương đối cao Phương pháp ước lượng góc tới cách đo hiệu thời gian đến khảo sát thực nghiệm công bố cơng trình [3] 2.2 Mơ hình mạng anten âm nhiều phần tử 2.3 Ƣớc lƣợng góc tới nguồn sóng âm mạng anten âm nhiều phần tử sonar thụ động tàu 2.3.1 Ước lượng góc tới thuật toán CB Thuật toán CB kết hợp phần tử biến tạo thành mạng anten âm làm giảm độ rộng búp sóng, đồng thời cho phép quét búp sóng điện theo nhiều hướng để thu lúc nhiều nguồn tín hiệu phân biệt nguồn Cơng suất tín hiệu đầu mạng anten âm p tính sau: p( )  a( )x H xa( ) H (2.28) Bằng việc sử dụng phương pháp CB, NCS nhóm tác giả khảo sát phương pháp quét búp sóng thu định hướng số tần số dải tần số thấp cực thấp, kết nghiên cứu công bố cơng trình [2] Hình 2.19 biểu diễn giản đồ công suất p() cho mạng anten âm ULA gồm 16 phần tử ước lượng nguồn sóng tới góc 0 = 20o tỉ số tín/tạp SNR = 15 dB Từ hình vẽ 2.19 cho thấy p() đạt giá trị cực đại góc nguồn phát  = 20o Nếu khơng có ảnh hưởng tạp âm thuật tốn CB cho kết ước lượng góc tương đối xác, có tồn tạp âm đỉnh cực đại dịch chuyển khỏi giá trị khoảng giá trị sai số đo góc -5 Power [dB] -10 -15 -20 -25 -80 -60 -40 -20 20 DOA [degrees] 40 60 80 Hình 2.19: Giản đồ cánh sóng mạng anten âm tuyến tính 16 phần tử, xác định góc tới 20o phương pháp CB, tỉ số tín/tạp SNR = 15 dB 2.3.2 Ước lượng góc tới thuật tốn MVDR Để tối ưu hóa tốn ước lượng góc tới, Capon đề xuất giải pháp kỹ thuật cải tiến ước lượng góc tới [14] Thay tìm giá trị cực đại công suất đáp ứng đầu mạng cảm biến, Capon sử dụng điều kiện vector trọng số tối ưu để giảm thiểu công suất nhiễu tạp đầu ra, ký hiệu PMVDR (MVDR: Minimum Variance Distortionless Response - đáp ứng không méo phương sai cực tiểu), trì hệ số khuếch đại đồng hướng sóng tới, vector định hướng tín hiệu mong muốn Thuật tốn MVDR viết sau: P(w) w H a( )  (2.29) Như vector trọng số tối ưu viết công thức sau: w R x 1a( ) a( )  R x1a( ) H (3.30) Công suất đầu theo tiêu chuẩn Capon biểu diễn dạng: PMVDR ( )  , a( )  R x1a( ) H R x ma trận nghịch đảo ma trận R x  x H x (2.31) 10 3.1 So sánh đánh giá khả đo góc theo thuật toán MUSIC với thuật toán MVDR CB sử dụng mạng anten âm ULA Hình 3.1: So sánh phổ đáp ứng thuật toán MUSIC với hai thuật toán CB MVDR mạng anten âm ULA 10 PP beamforming thong thuong PP MVDR PP MUSIC Do rong bup chinh muc -3 dB [degrees] 10 10 10 -1 10 -2 10 -3 10 -4 10 -10 -5 10 SNR [dB] 15 20 25 30 Hình 3.2: So sánh độ rộng búp mức -3 dB áp dụng thuật toán MUSIC với hai thuật toán CB MVDR mạng anten âm ULA 70 PP beamforming thong thuong PP MVDR PP MUSIC 60 PPAR [dB] 50 40 30 20 10 -10 -5 10 SNR [dB] 15 20 25 30 Hình 3.3: Sự phụ thuộc PPAR vào SNR áp dụng thuật toán CB, MVDR thuật toán MUSIC mạng anten âm ULA 11 Nhận xét: Các so sánh, đánh giá mạng anten âm ULA cho thấy thuật toán MUSIC cho phẩm chất tốt, cho khả phân biệt độ xác cao so với thuật toán CB MVDR So sánh khả xác định góc hình sonar Hình 3.5: Mơ hình thác nước mạng ULA áp dụng thuật toán CB, MVDR MUSIC với SNR =15 dB 3.2 So sánh đánh giá khả đo góc theo thuật tốn MUSIC so với thuật toán MVDR CB sử dụng mạng anten âm UCA CB MVDR MUSIC -10 Spectrum [dB] -20 -30 -40 -50 -60 -60 -40 -20 10 DOA [degrees] 20 40 60 Hình 3.6: So sánh phổ đáp ứng thuật toán MUSIC với hai thuật toán CB MVDR mạng anten âm UCA 12 So sanh rong bup song o muc -3 dB giua thuat toan 4.5 CB BeamWidth at -3 dB [degrees] 3.5 MVDR MUSIC 2.5 1.5 0.5 -10 -5 10 15 20 25 30 SNR [dB] Hình 3.7: So sánh ba thuật tốn MUSIC, CB MVDR mạng anten âm UCA phụ thuộc độ rộng búp sóng mức -3 dB vào tỉ số tín/tạp SNR So sanh su phu thuoc cua ti so PPAR vao SNR cua thuat toan 35 CB MVDR MUSIC 30 PPAR (dB) 25 20 15 10 -10 -5 10 15 20 25 30 SNR (dB) Hình 3.8: So sánh phụ thuộc PPAR vào SNR ba thuật toán MUSIC, CB MVDR mạng anten âm UCA Nhận xét: Các kết so sánh, đánh giá thông qua mô mạng anten âm UCA cho thấy thuật tốn MUSIC cho khả ước lượng góc tới với độ xác cao so với thuật tốn CB MVDR Như vậy, áp dụng thuật tốn MUSIC nâng cao độ xác ước lượng góc tới nguồn phát tín hiệu sonar 3.3 Đo thực nghiệm kiểm chứng khả áp dụng thuật tốn MUSIC Sơ đồ kết nối mơ hình đo thực nghiệm mơ tả hình 3.9 Q trình thực xử lý tín hiệu thực thuật tốn MUSIC minh họa theo sơ đồ hình 3.11 13 Máy phát âm tần 20 m Biến phát cảm biến thu âm cách 5o Oscilloscope kênh Máy tính PC Xử lý tín hiệu MATLAB Hình 3.9: Sơ đồ mơ hình đo thực nghiệm Đọc liệu vào Matlab s = importdataa() Sử dụng lọc u = filter() Chuyển đổi thành liệu phức x = hilbert() MUSIC Tính ma trận hiệp phương sai R =x*x’ Tìm giá trị riêng vector riêng [a, b] = eig(R) Tính ma trận định hướng a() cho góc  = -90o : 90o Xác định không gian nhiễu tạp E = b() Xác định giản đồ phổ MUSIC P_MUSIC() = 1/(a()’*E*E’*a()) Phát đỉnh cực đại tìm góc hướng DOA  = arg max{P_MUSIC} Hình 3.11: Sơ đồ biểu diễn trình xử lý tín hiệu đo matlab ứng dụng thuật toán MUSIC 14 Trong đo này, biến phát đặt góc 0o, 10o -10o Tín hiệu phát dạng sin liên tục với tần số f = kHz Sau 200 lần thu thập tín hiệu xử lý cho góc, phổ MUSIC phụ thuộc vào góc góc tới DOA hiển thị hình 3.13, kết 200 lần đo góc tới thể hình 3.14 Các hình 3.15 ÷ 3.18 kết so sánh xử lý tín hiệu đo ba thuật tốn CB, MVDR MUSIC Hình 3.13: Phổ MUSIC tín hiệu góc a) o; b)10o c) -10o 15 degree 10 degrees -10 degrees DOA [degrees] 10 -5 -10 -15 20 40 60 80 100 So lan 120 140 160 180 200 Hình 3.14: Kết 200 lần đo góc tới hướng nguồn phát: 0o, 10o,-10o Bảng 3.3: Bảng thống kê kết đo kiểm nghiệm phương pháp MUSIC Góc nguồn phát [o] Góc tới trung bình đo đƣợc [o] Sai số trung bình [o] Dung sai phép đo [o] 10 -10 9,77 -0,014 -9,78 0,12 0.16 0,12 0.30 0,63 0,25 15 Hình 3.15: So sánh phổ đáp ứng xử lý tín hiệu đo góc nguồn phát 0o thuật toán MUSIC, CB MVDR mạng anten âm phần tử Hình 3.16: So sánh độ rộng búp sóng xử lý tín hiệu đo thuật toán MUSIC, CB MVDR mạng anten âm phần tử Hình 3.17: Kết mơ khả đo góc hình sonar xử lý theo ba thuật tốn Hình 3.18: Kết mô hàm mật độ phổ ba chiều xử lý theo ba thuật toán 16 Nhận xét: Sau xử lý tín hiệu đo mạng anten UCA phần tử cho thấy, kết đo thực nghiệm hoàn tồn phù hợp với kết phân tích lý thuyết mơ trước Cụ thể, thuật tốn MUSIC cho đỉnh phổ nhọn hơn, độ rộng búp sóng nhỏ hơn, điều cho thấy thuật toán MUSIC cho độ xác độ phân giải cao thuật toán CB MVDR điều kiện đo Như vậy, đo thực nghiệm chứng minh tính khả thi thuật tốn ước lượng góc tới tín hiệu thủy âm, thuật tốn MUSIC phù hợp Đây sở để NCS tiếp tục phát triển thuật toán MUSIC cho cấu hình mạng anten âm phù hợp nhằm tối ưu hóa khả ước lượng góc tới nguồn tín hiệu thủy âm 3.4 Ứng dụng mạng NLA thuật toán MUSIC Để khảo sát phẩm chất mạng NLA luận án lựa chọn giải pháp không thay đổi số lượng phần tử, cụ thể khảo sát mạng gồm phần tử Theo khảo sát thực mạng có cấu sau: d1 = [0 3]/2; d2 = [0 12] /2, d3 = [0 8] /2, d4 = [0 8] /2 d5 = [0 12 16] /2 để chọn mạng phù hợp Uoc luong anten DOA bang âm thuat toan MUSIC d1=[0 3]/2 d2=[0 12]/2 d5=[0 12 16]/2 -5 MUSIC Spectrum P() [dB] -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -100 -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 100  [degree] Hình 3.19: Phổ MUSIC mạng d1, d2, d5 góc nguồn phát 50 Hình 3.20: Phổ ước lượng theo thuật toán MUSIC mạng d1, d3, d4, d5 17 Kết mơ hình 3.19 ÷ 3.23 phép so sánh xử lý tín hiệu theo thuật toán MUSIC mạng d1, d3, d4, d5 Hình 3.21: Sai số ước lượng DOA mạng d1 d3, d4, d5 Hình 3.22: So sánh độ rộng búp sóng mạng d1 mạng d3, d4, d5 Hình 3.23: So sánh tỉ số PPAR mạng anten âm d1 d3, d4, d5 Nhận xét: mạng anten âm tuyến tính khơng đồng cho độ xác cao so với mạng anten âm tuyến tính đồng chúng số lượng phần tử 18 Hơn mạng anten âm tuyến tính khơng đồng cho khả phân biệt góc nguồn đến tốt so với mạng đồng số lượng phần tử biến Có hai lợi mạng anten âm tuyến tính khơng đồng có kích thước lớn Nhưng trường hợp tín hiệu đến tương quan với phương pháp MUSIC thơng thường khơng thể phân biệt chúng Chính cần phải có giải pháp đáp ứng hai trường hợp (tín hiệu tương quan tín hiệu khơng tương quan) sử dụng kỹ thuật làm mềm khơng gian 3.5 Sử dụng kỹ thuật làm mềm không gian thuật tốn MUSIC Mơ hình cho thuật tốn làm mềm khơng gian cho mạng 16 phần tử giải thích hình 3.24 Nếu đặt Ri ma trận hiệp phương sai mạng thứ i ma trận hiệp phương sai tổng hợp R là: M  m 1 (3.39) R R M  m 1 Nhóm 2 Nhóm Nhóm Nhóm Nhóm Nhóm  Nhóm Nhóm i i Nhóm 10 10 11 Nhóm 12 Nhóm 12 13 14 Nhóm 11 15 16 Nhóm 13 Hình 3.24: Kỹ thuật chia nhóm mạng anten âm Smoothing MUSIC Normal MUSIC MUSIC-Spectrum [dB] -10 -20 -30 -40 -50 -60 -80 -60 -40 -20 20 40 60 80  [degrees] Hình 3.25: So sánh Smoothing MUSIC Normal MUSIC Ma trận Ri có kích thức m×m ma trận R có kích thước m×m Sau thực bước thuật tốn MUSIC thơng thường để tìm giá trị góc tới DOA nguồn tín hiệu đến Để đánh giá phẩm chất kỹ thuật làm mềm 19 không gian NCS sử dụng phương pháp mô môi trường Matlab Các hình 3.26 ÷ 3.29 kết mơ ước lượng góc theo thuật tốn Smoothing MUSIC RMSE of DOA [degrees] 0.35 Smoothing MUSIC Normal MUSIC 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 -10 -5 SNR [dB] 10 15 20 Hình 3.26: Mối quan hệ sai số quân phương giá trị SNR cho hai thuật toán Smoothing MUSIC Mormal MUSIC Smoothing MUSIC 0.9 Normal MUSIC Do rong bup chinh [degrees] 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 -10 -5 SNR [dB] 10 15 20 Hình 3.27: So sánh độ rộng búp sóng sử dụng phương pháp Smoothing MUSIC với Mormal MUSIC Smoothing MUSIC Normal MUSIC PPAR 10 10 10 -10 -5 SNR [dB] 10 15 20 Hình 3.28: Sự phụ thuộc giá trị PPAR vào SNR hai thuật toán 20 Smoothing MUSIC Normal MUSIC MUSIC-Spectrum [dB] -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -80 -60 -40 -20 20 40 60 80  [degrees] Hình 3.29: Khả phân biệt hai tín hiệu tương quan 3.5.3 Nghiên cứu khả ứng dụng mạng anten âm NLA kết hợp kỹ thuật làm mềm không gian sonar thụ động tàu Như phân tích trên, sử dụng thuật tốn MUSIC thông thường mạng anten âm NLA đo góc tới nguồn tín hiệu tương quan, cịn sử dụng thuật toán Smoothing MUSIC cho mạng ULA lại khơng tận dụng ưu kích thước mạng cần dung lượng tính tốn thấp Để giải khó khăn vừa nêu, NCS nghiên cứu đề xuất giải pháp ứng dụng kỹ thuật làm mềm không gian mạng anten âm NLA đánh giá hiệu quả, tính khả thi đề xuất Trước hết, chọn mạng anten âm NLA gồm phần tử có cấu trúc d = [0, 2, 5, 7, 8, 10, 13, 15] /2 hình 3.30 Từ cấu trúc đối xứng đó, ta chia thành mạng (cũng thuộc dạng) NLA gồm phần tử có cấu trúc tương ứng d1 = [0, 5, 8, 13]/2 d2 = [2, 7, 10, 15]/2 Dễ thấy, mạng anten âm NLA phần tử chọn có kích thước mạng tương đương mạng anten âm ULA 16 phần tử Cả hai mơ hình cấu trúc NCS sử dụng để thực mơ phân tích, đánh giá Mạng NLA Mạng NLA 10 13 15 Hình 3.30: Mơ hình Smoothing cho mạng NLA phần tử 21 Trường hợp thứ nhất: Thực mơ khả đo góc mạng anten âm NLA phần tử xử lý theo thuật tốn Smoothing MUSIC với tín hiệu tương quan có tỷ số SNR = 10 dB đến từ hai hướng 10o 15o, ta nhận giản đồ phổ MUSIC hình 3.31 Từ kết mơ hình 3.31 cho thấy, sử dụng kết hợp mạng anten âm NLA thuật toán Smoothing MUSIC, mạng anten phân biệt rõ tín hiệu tương quan Hình 3.31: Giản đồ phổ MUSIC ứng dụng thuật toán Smoothing MUSIC anten âm NLA Trường hợp thứ hai: NCS thực mô so sánh khả đo góc kết hợp thuật tốn Smoothing MUSIC sử dụng mạng anten âm ULA gồm 16 phần tử (trên hình 3.24) mạng NLA gồm phần tử (trên hình 3.30), từ thu thập liệu sai số quân phương đo góc tới theo tỷ số SNR Kết mơ thể hình 3.32 cho thấy, kết hợp thuật toán Smoothing MUSIC với sử dụng mạng anten âm NLA phần tử đạt độ xác đo góc cao (sai số qn phương nhỏ hơn) dùng mạng anten âm ULA 16 phần tử hầu hết giá trị SNR Nguyên nhân dẫn đến ưu (về độ xác đo góc) nêu kích thước mạng anten NLA ln lớn kích thước mạng anten ULA (13/2 so với /2), dù số lượng phần tử cần sử dụng hai lần 22 Hình 3.32: Mối liên hệ sai số quân phương tỷ số SNR mạng anten âm ULA NLA kích thước xử lý theo thuật toán Smoothing MUSIC 3.6 Kết luận chƣơng Từ kết nghiên cứu chương rút kết luận sau: Xử lý tín hiệu thuật tốn MUSIC cho phép nâng cao độ xác góc tới, khả phân biệt tín hiệu tốt so với thuật toán CB MVDR biết Việc phân tích, so sánh theo tiêu chí độ rộng búp sóng, tỉ số PPAR, độ xác đo góc, mơ hình thác nước, phân tích kết xử lý ba chiều tín hiệu đo thực nghiệm chứng minh ưu thế, tiềm ứng dụng lớn thuật toán MUSIC so với thuật toán CB hay thuật toán MVDR hệ thống sonar thụ động tàu Sử dụng mạng anten âm NLA sonar thụ động tàu làm tăng độ mạng anten âm, cho phép sử dụng số lượng phần tử thu tối thiểu, từ làm giảm dung lượng tính tốn xử lý tăng độ xác đo góc tới, tiết kiệm thêm chi phí sản xuất anten, đồng thời đảm bảo phân biệt góc tới tín hiệu khơng tương quan, bị hạn chế phát tín hiệu tương quan Kỹ thuật làm mềm không gian (Smoothing MUSIC) thực phép chia nhỏ mạng anten âm, từ làm giảm kích thước ma trận hiệp phương sai, làm tăng tốc độ xử lý theo thuật toán MfUSIC, đồng thời cho phép phân biệt góc tới nhiều tín hiệu khơng tương quan tín hiệu tương quan, khắc phục hạn chế mạng anten âm NLA 23 Đề xuất sử dụng kết hợp mạng anten âm tuyến tính khơng đồng NLA kỹ thuật làm mềm khơng gian (thuật tốn Smoothing MUSIC) cho phép tăng độ xác đo góc tới, giảm khối lượng phần cứng, khắc phục tượng đo đa trị tăng tốc độ xử lý tín hiệu ứng dụng thuật toán MUSIC sonar thụ động tàu Như vậy, việc sử dụng mạng anten âm NLA kết hợp kỹ thuật làm mềm không gian tận dụng hai ưu tăng độ mạng anten âm NLA cho khả phân biệt tín hiệu tương quan thuật tốn Smoothing MUSIC KẾT LUẬN Các kết luận án - Đã nghiên cứu tổng quan định vị mục tiêu, phương pháp đo góc tới sonar thụ động ước lượng góc theo thuật tốn MUSIC Nghiên cứu sở toán học, đánh giá khả ứng dụng thuật tốn định vị đo góc tới áp dụng cho sonar thụ động tàu - Luận án lựa chọn giải pháp nâng cao độ xác đo góc tới để đạt mục tiêu nâng cao độ xác định vị cho đối tượng sonar thụ động đặt tàu Các phương pháp đo biên độ, đo pha, đo thời gian phương pháp đo góc kinh điển cho phép đo tức thời góc hướng nguồn tín hiệu, với thời gian tính tốn nhanh, nhiên cho phép đo góc tới nguồn tín hiệu đến Các thuật toán đại CB, MVDR, MUSIC cho phép xác định góc nhiều nguồn tín hiệu đến, bộc lộ hai nhược điểm lớn khối lượng tính tốn lớn khơng phát tín hiệu đến tương quan - Đã thực đo thực nghiệm phạm vi bể thủy âm Học viện Hải quân, viện Kỹ thuật Hải quân tín hiệu đơn sắc, bị ảnh hưởng nhiễu từ môi trường phương pháp so sánh pha đo hiệu thời gian đến - Đã thực mô mạng anten âm ULA, mô xử lý tín hiệu đo thực nghiệm điều kiện mơi trường biển Vịnh Nha Trang với mạng anten âm UCA môi trường Matlab, nhằm so sánh khả đo góc theo thuật tốn MUSIC với thuật tốn CB, MVDR khẳng định ưu vượt trội thuật toán MUSIC với hai thuật toán xem xét - Luận án xây dựng cấu hình mạng anten âm tuyến tính khơng đồng NLA gồm hydrophone xử lý theo thuật tốn MUSIC cho phép nâng cao độ xác đo góc, giảm chi phí phần cứng giảm khối lượng tính tốn - Luận án đề xuất sử dụng kết hợp mạng anten âm tuyến tính khơng đồng NLA kỹ thuật làm mềm khơng gian (thuật tốn Smoothing MUSIC) cho phép giảm khối lượng tính tốn, đồng thời phát 24 tín hiệu tương quan, với sai số ước lượng góc đạt yêu cầu đề chọn cấu hình phù hợp Các kết nghiên cứu, đánh giá khẳng định việc áp dụng thuật tốn MUSIC giải mục đích tốn đề nâng cao độ xác ước lượng góc tới nhằm nâng cao độ xác định vị mục tiêu cho đối tượng sonar thụ động tàu Các đóng góp luận án: i Đề xuất cấu hình mạng anten NLA xử lý tín hiệu theo thuật toán MUSIC, kết hợp mạng anten âm tuyến tính khơng đồng NLA kỹ thuật làm mềm khơng gian cho phép nâng cao độ xác đo góc tới nguồn tín hiệu khơng tương quan tương quan ii Xây dựng mơ hình đo tín hiệu sonar bể thủy âm theo phương pháp so sánh pha, đo hiệu thời gian đến; đo xử lý tín hiệu theo thuật tốn MUSIC với cấu hình mạng anten hình quạt trịn phần tử cách điều kiện môi trường đo thực nghiệm cụ thể Đưa số đánh giá nhằm nâng cao độ xác định vị nguồn tín hiệu sonar thực tế Hƣớng phát triển tiếp theo: - Tiếp tục thử nghiệm môi trường biển thực tế, xử lý tín hiệu theo thuật tốn MUSIC với cấu hình mạng anten âm tuyến tính đồng ULA, mạng anten âm tuyến tính khơng đồng NLA mạng anten âm đồng hình trịn UCA với số lượng phần tử khác nhau; - Hồn thiện cấu hình mạng anten âm, tiến hành đo thực nghiệm kiểm chứng kết hợp mạng anten âm NLA với thuật toán Smoothing MUSIC dải tần số làm việc khác sonar thụ động điều kiện môi trường biển thực tế; - Nghiên cứu, thiết kế hệ thống áp dụng giải pháp đề xuất vào thực tế cải tiến, chế tạo đài sonar thụ động đặt tàu DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC ... kiện nghiên cứu Với mục đích nghiên cứu tìm giải pháp nâng cao độ xác đo góc tới DOA từ nâng cao độ xác định vị mục tiêu sonar thụ động tàu, luận án giới hạn toán nghiên cứu sau: Bài toán định vị. .. DOA nguồn phát sóng âm thiết bị sonar thụ động tàu; đề xuất số giải pháp khả thi nâng cao độ xác ước lượng góc tới DOA làm sở nâng cao độ xác định vị mục tiêu sonar thụ động tàu - Đo thực nghiệm... âm tác động đến tốn định vị sonar thụ động tàu 1.3 Các phƣơng pháp định vị mục tiêu sonar thụ động tàu Phương pháp HDPR nhà thiết kế tàu ngầm châu Âu quan tâm sử dụng có khả xác định vị trí mục