Nghiên cứu cải thiện độ phân giải dọc cho sonar mặt mở tổng hợp nhiều máy thu sử dụng xung LFM tại vùng biển Việt Nam

Bài viết này đề xuất một giải pháp cải thiện độ phân giải dọc cho sonar mặt mở tổng hợp (SAS) nhiều máy thu sử dụng xung điều tần tuyến tính (LFM) tại vùng biển Việt Nam có tính đến sự thay đổi vector vận tốc truyền âm khi phát và tần số Doppler.

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN ĐỘ PHÂN GIẢI DỌC CHO SONAR MẶT MỞ TỔNG HỢP NHIỀU MÁY THU SỬ DỤNG XUNG LFM TẠI VÙNG BIỂN VIỆT NAM Nguyễn Đình Tĩnh*, Trịnh Đăng Khánh, Nguyễn Ngọc Đơng Tóm tắt: Bài báo đề xuất giải pháp cải thiện độ phân giải dọc cho sonar mặt mở tổng hợp (SAS) nhiều máy thu sử dụng xung điều tần tuyến tính (LFM) vùng biển Việt Nam có tính đến thay đổi vector vận tốc truyền âm phát tần số Doppler Bằng việc mơ tả q trình vật lý đầy đủ giải pháp kinh điển, giải pháp đề xuất cải thiện độ phân giải dọc cho SAS trường hợp có khơng có sai số vận tốc truyền âm Các kết mô minh chứng cho hiệu giải pháp đề xuất với số liệu đo vùng biển Việt Nam Từ khóa: Sonar mặt mở tổng hợp; Nhiều máy thu; Phân giải dọc; Chiếu xạ ngược; Sai số vận tốc truyền âm ĐẶT VẤN ĐỀ Sonar mặt mở tổng hợp (SAS) hoạt động dựa việc kết hợp tín hiệu thu chu kỳ lặp liên tiếp phương tiện mang chuyển động quỹ đạo thẳng để tạo độ phân giải dọc (phân giải theo chiều chuyển động phương tiện mang) cao [1] Nhờ vậy, SAS sử dụng rộng rãi ứng dụng tìm kiếm xác tàu đắm, phát vật thể nhỏ khảo sát đại dương Để nâng cao tốc độ quan sát, người ta sử dụng SAS nhiều máy thu ứng dụng SAS [1, 2] Trong hệ thống SAS nhiều máy thu, xung LFM sử dụng phổ biến để nâng cao độ phân giải cự ly [3-5] Khi làm việc điều kiện lý tưởng, độ phân giải dọc SAS nửa độ dài phần tử thu (theo chiều dọc), không phụ thuộc vào cự ly tần số [1, 3] Khi có sai số vận tốc truyền âm, theo sai số vận tốc truyền âm [4] Để cải thiện giá trị này, giảm kích thước phần tử thu tăng số lượng chu kỳ lặp [5, 6] Giải pháp yêu cầu tăng số lượng phần tử thu thời gian xử lý, khó áp dụng phần cứng có sẵn Giải pháp mềm dẻo tối ưu hóa xử lý dựa thuật tốn tạo ảnh SAS có chất lượng cao thuật tốn chiếu xạ ngược (BP - Back projection) [7] Để giảm phụ thuộc chất lượng ảnh SAS vào độ xác nội suy, người ta sử dụng thuật tốn BP miền tần số [8] Thuật toán dựa tính chất biến đổi Fourier thay việc xoay pha miền thời gian xoay pha miền tần số Tuy nhiên, thuật toán BP miền tần số [8] tính thời gian giữ chậm bỏ qua thay đổi vector vận tốc truyền âm phương tiện mang chuyển động hiệu ứng Doppler Vì vậy, độ phân giải dọc thu chưa đạt giá trị tốt Ngoài ra, thuật tốn tái tạo ảnh SAS có chưa sử dụng liệu biển Việt Nam cho việc đánh giá hiệu Dựa việc xem xét trình vật lý đầy đủ giải pháp có, báo đề xuất giải pháp cải thiện độ phân giải dọc cho SAS nhiều máy thu sử dụng xung LFM thuật toán BP miền tần số vùng biển Việt Nam Mức cải thiện giải pháp đề xuất so với giải pháp kinh điển [8] đánh giá cách so sánh kết mô tạo phần mềm MATLAB hai trường hợp: có khơng có sai số vận tốc truyền âm MƠ HÌNH TÍN HIỆU THU CỦA SAS SỬ DỤNG XUNG LFM Để tập trung nghiên cứu giải pháp cải thiện độ phân giải dọc, báo xét mơ hình hình học chiều SAS nhiều máy thu hình Hệ thống SAS mơ hình gồm máy phát N phần tử thu khoảng d, chuyển động thẳng theo trục Ox (chiều phương vị) với vận tốc v Gọi c vận tốc truyền âm nước biển Tại thời điểm t = 0, máy phát điểm O(0,0) Thời gian truyền tín hiệu từ máy phát đến điểm M  xác định [9]: 22 N Đ Tĩnh, T Đ Khánh, N N Đông, “Nghiên cứu cải thiện … vùng biển Việt Nam.” Nghiên cứu khoa học công nghệ  x  vt  1  r  vT Máy phát  x  vt  v cos 1  Ri 1 (1) c  v sin 1 2 x v  2i d c r Máy thu di T ( xT , 0) O Chiều phương vị vT v Độ sâu M ( x, r ) M ( x0 , r0 ) r Hình Mơ hình hình học SAS nhiều máy thu Trong đó, α1 vT xác định theo biểu thức [9]:      x  vt   r    x  vt 1  arccos  (2) vT  v cos 1  c  v sin 1 (3) Tín hiệu thu máy thu thứ i theo hướng từ M đến Ri xác định góc  theo biểu thức [6, 10]: 2i  x   di  v    2i   vt     arccos    x   di  v    2i   vt    r    2i      (4) Thời gian truyền tín hiệu từ M đến máy thu thứ i  2i xác định [9, 10]: v  2i    x  vt    r   d i  v  cos 1  c v i (5) Với  i xác định theo [6, 9] Khi sử dụng tín hiệu xung LFM, biểu thức mơ tả tín hiệu phát có dạng: sT ( )  w   exp  j 2 f c  j  (6) Trong đó, γ tốc độ điều tần đo Hz/s, w(τ) đường bao tín hiệu phát có dạng chữ nhật hình chng Khi bỏ qua giản đồ hướng máy phát, tín hiệu thu điểm M xác định tương tự [11]:  sP  , t   w 1   1    exp j 2 f c1   1   j 1   1   Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 74, - 2021  (7) 23 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Với 1 hệ số co giãn theo thời gian tín hiệu thu điểm M hiệu ứng Doppler, xác định: 1  c (8) c  v cos 1 Sau bỏ qua hệ số định hướng máy thu phản xạ từ mặt biển, tín hiệu thu máy thu thứ i thể biểu thức:  j 2 f c12i    i _ mo   si  , t   w 12i    i _ mo  exp   j 12i    i _ mo          2   (9) Trong đó,  2i hệ số co giãn theo thời gian tín hiệu thu máy thu thứ i,  i _ mo thời gian truyền tín hiệu sửa đổi 2i  c  v cos  2i (10) c 1   2i 2i  i _ mo  (11) Biểu thức (7) mơ tả tín hiệu thu SAS có tính đến thay đổi vector vận tốc truyền âm hiệu ứng Doppler Từ mô tả tốn học này, thời gian trễ tín hiệu xác định xác cách tiếp cận kinh điển Từ đó, giải pháp cải thiện độ phân giải dọc cho SAS nhiều máy thu đề xuất phần 3 CẢI THIỆN ĐỘ PHÂN GIẢI DỌC CHO SAS NHIỀU MÁY THU BẰNG THUẬT TOÁN BP TRÊN MIỀN TẦN SỐ Để so sánh hiệu giải pháp đề xuất so với giải pháp kinh điển, báo xét trường hợp cần điều khiển búp sóng SAS tới điểm M0(x0, r0) thuật toán BP (hay thuật toán tương quan [2]) Thuật toán BP miền tần số thực bước sau: nén xung (LPH - Lọc phối hợp) cách nhân phổ tín hiệu thu với phổ liên hợp phức tín hiệu tham chiếu (tín hiệu phát); bù pha miền tần số; biến đổi ngược Fourier để biến đổi tín hiệu trở lại miền thời gian; tính tổng lấy cực đại tín hiệu bù pha để thu ảnh điểm cần quan sát [8] Với thuật tốn này, cường độ tín hiệu phản xạ M0(x0, r0) xác định [2, 8]:  MP   x, r , x0 , r0   max  N  F  m1 i 1 1   Si  f , t  P*  f  exp  j 2 f  i    (12) Trong đó, F-1 phép biến đổi ngược Fourier, f tần số tức thời tương ứng với thời gian τ, MP số lượng chu kỳ lặp để xử lý kết hợp, S  f , t  biến đổi Fourier tín hiệu si  , t  i P  f  phổ liên hợp phức tín hiệu phát  i lượng giữ chậm thời gian so với cự ly tham chiếu r, xác định [8]: *     2r / c i (13) i Với thuật toán BP miền tần số [8], thời gian trễ  xác định bởi: i v  vt  d   c  vt 2  r    c  v  2vtd  d  i i i   i  24 v  vt  d i   c c v  vt  2 r  c v 2 (14) N Đ Tĩnh, T Đ Khánh, N N Đông, “Nghiên cứu cải thiện … vùng biển Việt Nam.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Dựa việc tính đến đầy đủ trình vật lý thuật toán kinh điển [8], báo đưa cách tính thời gian trễ theo  biểu thức: i  i   i _ mo  x0 , y0  (15) Từ đó, sơ đồ khối tính thời gian giữ chậm sửa đổi mơ tả hình Cấu hình hệ thống SAS Vị trí điểm ảnh (x0, r0) 2r c (i, m) Tính thời gian giữ chậm sửa đổi  i _ mo Tính hiệu thời gian giữ chậm  i Hình Sơ đồ khối tính thời gian giữ chậm sửa đổi Với việc xét đầy đủ trình vật lý giải pháp có, giải pháp đề xuất cải thiện độ phân giải dọc cho SAS nhiều máy thu minh chứng phần Khi cố định biến cự ly r, hàm   x, r , x , r  (12) phụ thuộc vào biến phương vị x, gọi lát cắt phương vị [6, - 10] 0 CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Để đánh giá hiệu giải pháp đề xuất, báo xét hệ thống SAS nhiều máy thu có cấu bảng Trong đó, độ dài mạng thu, vận tốc phương tiện mang, chu kỳ lặp chọn từ điều kiện lấy mẫu khơng gian để giảm mức cánh sóng phụ [1] Bảng Các tham số hệ thống SAS nhiều máy thu sử dụng xung LFM Các tham số Giá trị Đơn vị Tần số trung tâm (tần số sóng mang) (fc) 100 kHz Dải thơng tín hiệu (ΔfM) 20 kHz Độ rộng xung phát (TP) 10 ms Vận tốc vật mang (v) 1,8 m/s Khoảng cách từ tâm máy phát đến tâm phần tử thu (d1) Khoảng cách hai phần tử thu (d) 0,03 0,02 m m Số lượng phần tử thu (N) Chu kỳ lặp xung phát (TL) 32 0,15 Phần tử s Xét trường hợp vận tốc truyền âm nước biển không đổi 1500 m/s Với hai mục tiêu tọa độ (42 m, m) (84 m, 12 m), số lượng chu kỳ lặp chọn tương ứng 75 150 Các giá trị số chu kỳ lặp tạo gần độ phân giải SAS hai cự ly thỏa mãn điều kiện búp sóng thu chồng lên vị trí mục tiêu chọn Giả sử việc lấy mẫu thực tín hiệu phức, tần số lấy mẫu chọn lớn tần số cực đại tín hiệu [12] (fS = 125 kHz) Các lát cắt phương vị mục tiêu minh họa hình 3a hình 3b Trong hình vẽ, đường nét liền nét đứt thể lát cắt phương vị thu từ giải pháp đề xuất giải pháp kinh điển Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 74, - 2021 25 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử (b) (a) Hình Các lát cắt phương vị SAS nhiều máy thu sử dụng xung LFM a) Mục tiêu (42 m, m), b) Mục tiêu (84 m, 12 m) Các kết mơ hình cho thấy giải pháp đề xuất cung cấp vị trí mục tiêu với sai số xấp xỉ không Trong đó, giải pháp kinh điển tạo ảnh mục tiêu với sai số vị trí 0,029 m 0,060 m với hai tọa độ (42 m, m) (84 m, 12 m) Khi mục tiêu cự ly xa, giá trị độ lệch vị trí thu từ giải pháp kinh điển lớn Độ phân giải dọc (tính mức -3 dB) thu giải pháp đề xuất không thay đổi cự ly khác theo tỷ lệ số chu kỳ lặp Giá trị 0,0155 m hai vị trí (42 m, m) (84 m, 12 m) Trong đó, độ phân giải dọc thu từ giải pháp kinh điển 0,0161 m 0,0184 m cho mục tiêu (42 m, m) (84 m, 12 m) Với số chu kỳ lặp, giải pháp đề xuất cho độ phân giải dọc tốt giải pháp truyền thống Sự cải thiện độ phân giải dọc giải pháp đề xuất so với giải pháp truyền thống lớn mục tiêu cự ly xa Khi xét đến thay đổi vận tốc truyền âm theo độ sâu, báo sử dụng số liệu vận tốc âm thu vùng biển Việt Nam có tọa độ (017°03’09’’N, 107°27’17’’E) ngày 15 tháng Hình Bản ghi tốc độ âm năm 2021 Bản ghi vận tốc âm thu vùng biển Việt Nam nhờ thiết bị đo SWiFT SVP hãng Valeport [13] Với số liệu thu được, ghi vận tốc âm vùng biển Việt Nam có tọa độ mơ tả hình Giả thiết độ sâu SAS mục tiêu (nằm đáy) m 45 m Từ giá trị này, độ sâu mục tiêu so với SAS mơ hình phần 42 m Với ghi vận tốc âm hình 4, mơ hình tín hiệu mô tả với giá trị c thay giá trị trung bình (c = 1529,13 m/s) Để khảo sát hiệu giải pháp đề xuất có sai số vận tốc truyền âm, báo giả thiết vận tốc truyền âm cho xử lý lấy điểm đặt SAS c = 1535,27 m/s (sai số 0,4%) tài liệu [5] Với giả thiết này, lát cắt phương vị mục tiêu (42 m, m) thu từ giải pháp đề xuất giải pháp kinh điển mơ tả hình 26 N Đ Tĩnh, T Đ Khánh, N N Đông, “Nghiên cứu cải thiện … vùng biển Việt Nam.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Hình Lát cắt phương vị SAS nhiều máy thu có sai số vận tốc truyền âm Hình cho thấy, sai số vận tốc truyền âm 0,4% trên, độ phân giải thu từ giải pháp đề xuất giải pháp kinh điển 0,0114 m 0,0143 m Từ đó, giải pháp đề xuất cho độ phân giải tốt 0,0029 m so với giải pháp kinh điển [8] KẾT LUẬN Bài báo đề xuất giải pháp cải thiện độ phân giải dọc cho SAS nhiều máy thu sử dụng xung LFM vùng biển Việt Nam thuật toán BP miền tần số Giải pháp đề xuất xét đến trình vật lý đầy đủ giải pháp kinh điển gồm việc tính đến thay đổi vector vận tốc truyền âm hiệu ứng Doppler Các kết mô cho thấy hiệu cải thiện độ phân giải dọc giải pháp đề xuất tái tạo ảnh SAS hai trường hợp có khơng có sai số vận tốc truyền âm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] N Kolev, “Sonar Systems,” InTech, Croatia (2011), pp.3-25 [2] M P Hayes, and P T Gough, “Synthetic Aperture Sonar: A Review of Current Status,” IEEE J Oceanic Engineering, Vol 34, No (2009), pp 207-224 [3] J Dillon and R Charron, “Resolution Measurement for Synthetic Aperture Sonar,” OCEANS 2019 MTS/IEEE SEATTLE, Seattle, USA, 2019, pp 1-6 [4] Xia Ji, Lisheng Zhou, and Weihua Cong, “Effect of incorrect sound velocity on synthetic aperture sonar resolution,” proc MATEC Web of Conf.283, 04013 (2019) [5] R E Hansen, T O Sæbø, H J Callow, and P E Hagen, “The SENSOTEK Synthetic Aperture [6] [7] [8] [9] [10] Sonar - results from HUGIN AUV trials,” Norwegian Defence Research Establishment (2007), pp 11-12 N Đ Tĩnh, T Đ Khánh, N T Hưng, and N V Trà, “Một giải pháp cải thiện tỷ số tín hiệu/tạp cho sonar mặt mở tổng hợp nhiều máy thu,” Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 71, 02 - 2021, tr 49-56 X Zhang, W Ying, and X Dai, “High-resolution imaging for the multireceiver SAS,” The Journal of Engineering, 19 (2019), pp 6057-6062 X Zhang, P Yang, C Tan, and W Ying, “BP algorithm for the multireceiver SAS,” IET Radar Sonar Navig., Vol 13, Iss (2019), pp 830-838 N D Tinh, and T D Khanh, “A New Imaging Geometry Model for Determining Phase Distribution in Multi-receiver Synthetic Aperture Sonar,” Proc 6th NAFOSTED Conference on Information and Computer Science, Hanoi, Vietnam (2019), pp 518-521 N Đ Tĩnh, T Đ Khánh, “Nghiên cứu giải pháp cải thiện chất lượng ảnh cho sonar mặt mở tổng hợp nhiều máy thu,” Tạp chí Khoa học Kỹ thuật, Số 214, 05-2021, tr 17-28 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 74, - 2021 27 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử [11] D W Hawkins and P T Gough, “Temporal Doppler effects in SAS,” Proc Inst Acoust., vol 26, no (2004), pp 1–10 [12] Cumming, I., Wong, F., “Digital Processing of Synthetic Aperture Radar Data: Algorithms and Implementation,” Artech House (2005), Chapter [13] https://www.valeport.co.uk/products/swift-svp/ ABSTRACT RESEARCH ON SOLUTION IMPROVING ALONG-TRACK RESOLUTION FOR MULTI-RECEIVER SYNTHETIC APERTURE SONAR USING LFM PULSES IN THE VIET NAM’S SEA ZONE This paper proposes a solution to improve the along-track resolution for multireceiver synthetic aperture sonar (SAS) using linear frequency modulated (LFM) pulses considering the variation of acoustic velocity vector during transmission and the Doppler frequency Based on the more complete consideration of physical processes than the conventional solution, the proposed solution can improve the along-track resolution for SAS with and without the sound velocity error The simulation results demonstrate the effectiveness with data measured in the sea zone of Vietnam Keywords: Synthetic aperture sonar; Multi-receiver; Along-track resolution; Back projection; Sound velocity error Nhận ngày 27 tháng năm 2021 Hoàn thiện ngày 11 tháng năm 2021 Chấp nhận đăng ngày 30 tháng năm 2021 Địa chỉ: Khoa Vô tuyến điện tử/ Học viện Kỹ thuật quân * Email: tinhnd_k31@lqdtu.edu.vn 28 N Đ Tĩnh, T Đ Khánh, N N Đông, “Nghiên cứu cải thiện … vùng biển Việt Nam.” ... xuất cho độ phân giải tốt 0,0029 m so với giải pháp kinh điển [8] KẾT LUẬN Bài báo đề xuất giải pháp cải thiện độ phân giải dọc cho SAS nhiều máy thu sử dụng xung LFM vùng biển Việt Nam thu? ??t... điển Từ đó, giải pháp cải thiện độ phân giải dọc cho SAS nhiều máy thu đề xuất phần 3 CẢI THIỆN ĐỘ PHÂN GIẢI DỌC CHO SAS NHIỀU MÁY THU BẰNG THU? ??T TOÁN BP TRÊN MIỀN TẦN SỐ Để so sánh hiệu giải pháp... độ phân giải dọc thu từ giải pháp kinh điển 0,0161 m 0,0184 m cho mục tiêu (42 m, m) (84 m, 12 m) Với số chu kỳ lặp, giải pháp đề xuất cho độ phân giải dọc tốt giải pháp truyền thống Sự cải thiện