Nghiên cứu và thiết kế hệ thống sonar chủ động

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu thiết kế hệ thống SONAR chủ động NGUYỄN VIẾT DŨNG Dung.NVCA190160@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật viễn thông Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Văn Đức Viện: Điện tử Viễn thông HÀ NỘI, 2021 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu thiết kế hệ thống SONAR chủ động NGUYỄN VIẾT DŨNG Dung.NVCA190160@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật viễn thông Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Đức Viện: Điện tử Viễn thông HÀ NỘI, 2021 Chữ ký GVHD CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn : Nguyễn Viết Dũng Đề tài luận văn: Nghiên cứu thiết kế hệ thống SONAR chủ động Chuyên ngành:Kỹ thuật viễn thông Mã số SV: CA190160 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 28/04/2021 - với nội dung sau: Chuyển bố cục thành chương chính: Chương trình bày lý thuyết sóng âm, SONAR SONAR chủ động Chương trình bày sở thiết kế hệ thống SONAR chủ động Chương trình bày chế tạo đánh giá thử nghiệm hệ thống môi trường thực - Chỉnh sử lại phần trích dẫn cho quy định trích dẫn Giáo viên hướng dẫn Ngày 28 tháng 05 năm 2021 Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Mẫu 1c LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu tìm hiểu tơi phần khuôn khổ đề tài Mã số: ĐTĐL.CN-29/18 – Bộ Khoa Học Công Nghệ: “Phát triển hệ định vị SONAR chủ động sử dụng vật liệu gốm thiết bị thủy âm” Các thiết kế, bảng biểu, hình ảnh nội dung luận văn sử dụng có trích dẫn đồng ý chủ nhiệm đề tài PGS.TS Nguyễn Văn Đức Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực tham khảo có dẫn chứng cụ thể Những đánh giá, nhận xét cá nhân đưa từ nghiên cứu lý thuyết thực hành, có mơ phần mềm Matlab thực nghiệm đo đạc thực tế Tôi xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Hà Nội, ngày tháng 05 năm 2021 Tác giả luận văn Nguyễn Viết Dũng LỜI CẢM ƠN Thời gian tham gia học tập rèn luyện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội khoảng thời gian quý giá thân em Khi kết thúc trình học kỹ sư năm trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, em có thời gian làm công ty lớn Nhận thấy kiến thức từ trường thời sinh viên quan trọng cho công việc thực tế cua em Nhận thấy kiến thức hạn chế nên em đăng ký trường học tiếp lên Thạc sĩ Trong trình học em biết ơn thầy phịng thí nghiệm Wicom Lab, đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo PGS.Ts Nguyễn Văn Đức tạo điều kiện hết mức ln bảo định hướng tận tình hướng dẫn để em làm tốt luận văn Em chân thành cảm ơn thầy giáo TS Nguyễn Quốc Khương, người cho em nhiều lời khuyên chuyên môn tư vấn để em có thêm nhiều kiến thức lĩnh vực SONAR thủy âm Em xin cảm ơn KS Nguyễn Quang Minh, KS Nguyễn Đức Thiện giúp đỡ em luận văn Cuối em xin gửi lời cảm ơn đến anh chị nghiên cứu sinh, em sinh viên Wicom Lab nhiệt tình hỗ trợ giúp đỡ em hồn thành luận văn Trong phạm vi thời gian có hạn, luận văn cịn nhiều điều thiếu sót hạn chế Em mong thầy cô hội đồng góp ý bảo để em nâng cao kiến thức phát triển thêm sau có điều kiện Luận văn hồn thành phần nhỏ khuôn khổ đề tài Mã số: ĐTĐL.CN-29/18 – Bộ Khoa Học Công Nghệ: “Phát triển hệ định vị SONAR chủ động sử dụng vật liệu gốm thiết bị thủy âm” Các thiết kế, bảng biểu, hình ảnh nội dung luận văn sử dụng có trích dẫn đồng ý chủ nhiệm đề tài PGS.TS Nguyễn Văn Đức Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng 05 năm 2021 Tác giả luận văn Nguyễn Viết Dũng TÓM TẮT LUẬN VĂN Các ứng dụng SONAR có vai trị quan trọng nhiều lĩnh vực dân dụng, khoa học quân ngành khai thác thủy-hải sản, khai thác dầu khí, khảo sát vẽ đồ địa hình mặt đáy vùng nước, hệ thống phòng thủ phát tàu ngầm, phát định vị người nhái, điều khiển định hướng cho ngư lơi Vì tính ứng dụng cần thiết quan trọng Luận văn đưa lý thuyết tổng quan hệ thống SONAR, sâu chi tiết vào hệ thống SONAR chủ động, thành phần hệ thống SONAR chủ động Luận văn đưa mục tiêu, phương pháp nghiên cứu thiết kế hệ thống SONAR chủ động Hệ thống nghiên cứu thiết kế dựa vào lý thuyết sóng âm, tính chất sóng âm mơi trường nước, lý tuyết thay đổi vận tốc âm môi trường nước, lý thuyết suy hao sóng âm mơi trường nước, lý thuyết mạch điện tử, lý thuyết SONAR, phương pháp thực nghiệm tham khảo từ số mơ hình thực tế Hệ thống sử dụng ba tần số phát 80kHz,165kHz,200kHz tín hiệu phản xạ thu lại mảng anten thu, từ sử dụng thuật tốn để tính tốn vẽ ảnh 2D bể mặt Từ đưa kết luận đánh giá kết luận văn đạt MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH SÁCH HÌNH VẼ iii DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT v MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1.LÝ THUYẾT VỀ SÓNG ÂM, LÝ THUYẾT VỀ SONAR………… Lý thuyết sóng âm Tính chất đặc trưng sóng âm kênh thủy âm Sự suy hao sóng âm kênh thủy âm Suy hao trải hình học Suy hao trải hình cầu Suy hao trải hình trụ (Cylinder Spreading) Suy hao hấp thụ (Attenuation by absorption) Định nghĩa sonar Sonar chủ động Sonar thụ động Ứng dụng hệ thống sonar Ứng dụng lĩnh vực dân Ứng dụng lĩnh vực quân 10 Kết luận 11 CHƯƠNG 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THIẾT KẾ THỐNG SONAR CHỦ ĐỘNG……… 12 Mục tiêu phương pháp thiết kế hệ thống 12 Mục tiêu 12 Phương pháp thiết kế 12 Sơ đồ khối hệ thống 12 Mạch khuếch đại 13 Khái niệm mạch khuếch đại 13 i Sơ đồ mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ 14 Mạch ghép tầng 16 Mạch khuếch đại thuật toán 19 Đáp ứng tần số mạch khuếch đại 22 Mạch lọc tương tự 22 Khái niệm mạch lọc tương tự 22 Một số mạch lọc thụ động tương tự 23 Các lọc số 28 Khái niệm lọc số 28 Bộ lọc FIR IIR 29 Kết luận 31 CHƯƠNG 3.CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ THỬ NGHIỆM TRONG MÔI TRƯỜNG THỰC TẾ 32 Tính tốn thiết kế chi tiết khối phát 32 Sơ đồ khối bên phát 32 Điều chế xung phát 33 Bộ khuếch đại công suất 34 Bộ phát hoàn thiện 35 Thiết kế chi tiết khối thu 37 Triển khai mạch thu thực tế 40 Thuật toán xử lý khoảng cách khối thu MatLab 42 Kết luận 46 Phương pháp thực nghiệm 47 Kết thực nghiệm 49 Kết luận 52 KẾT LUẬN CHUNG 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 ii DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1-1 Hình vẽ phụ thuộc tốc độ âm vào nhiệt độ độ sâu S = 36ppt Hình 1-2 Suy hao trải hình cầu vùng nước sâu [3] Hình 1-3 Suy hao trải hình trụ Hình 1-4 Mơ hình hệ thống SONAR chủ động Hình 1-5 Nguyên lý sonar thụ động Hình 2-1 Sơ đồ khối thiết kế hệ thống 12 Hình 2-2 Sơ đồ khối mạch khuếch đại 14 Hình 2-3 Sơ đồ mạch BJT mắc theo kiểu Emiter chung 15 Hình 2-4 Sơ đồ mạch BJT mắc theo kiểu Base chung 15 Hình 2-5 Sơ đồ mạch BJT mắc theo kiểu Base chung 16 Hình 2-6 Mạch ghép tầng trực tiếp 17 Hình 2-7 Mạch ghép tầng sử dụng tụ điện 17 Hình 2-8 Mạch ghép tầng sử dụng biến áp 18 Hình 2-9 Mạch ghép tầng sử dụng transistor bù 19 Hình 2-10 Các tầng ghép nối mạch khuếch đại thuật toán 19 Hình 2-11 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại đảo 21 Hình 2-12 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại không đảo 21 Hình 2-13 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại lặp 22 Hình 2-14 Đáp ứng tần số - biên độ lọc thông thấp 23 Hình 2-15 Mạch lọc thơng thấp RC 24 Hình 2-16 Mạch lọc thông thấp RL 24 Hình 2-17 Đáp ứng tần số - biên độ lọc thông cao 25 Hình 2-18 Mạch lọc thông cao RC 25 Hình 2-19 Mạch lọc thơng cao RL 25 Hình 2-20 Đáp ứng tần số - biên độ lọc thông dải 26 Hình 2-21 Mạch lọc thơng dải RC 26 Hình 2-22 Đáp ứng tần số - biên độ lọc chặn dải 27 Hình 2-23 Mạch lọc chặn dải RC 28 Hình 2-24 Mơ hình đáp ứng lọc 28 Hình 2-25 Sơ đồ cấu trúc lọc FIR 30 Hình 2-26 Sơ đồ cấu trúc lọc IIR 30 Hình 3-1 Sơ đồ thiết kế hệ thống bên phát 32 Hình 3-2 Sơ đồ thiết kế bên phát 33 Hình 3-3 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại công suất 34 Hình 3-4 Mạch khuếch đại cơng suất Layout 2D phần mềm Altium 34 Hình 3-5 Mạch khuếch đại công suất Layout 3D phần mềm Altium 35 Hình 3-6 Hình ảnh mạch thực tế hệ thống bên phát 35 Hình 3-7 Kết phổ tần phát 36 iii Như Hình 3-7 kết phổ tần phát đáp ứng tần số phát, tần số phát điều chế tần số 66khz Và kết đo phổ tần tần số 66,02kHz Như chất lượng tín hiệu phát tần số đảm bảo 36 Hình 3-8 Biên độ phát thang đo x10, có biên độ 200V 36 Hình 3-9 Sơ đồ bên thu 37 Hình 3-10 Mạch nguyên lý khối khuếch đại tín hiệu 37 Hình 3-11 Mạch nguyên lý khối nhân tần số 38 Hình 3-12 Mạch And sử dụng transitor 39 Hình 3-13 IC nhân tần MC1496 39 Hình 3-14 Sơ đồ nguyên lý IC MC1496 39 Hình 3-15 Layout mạch nhân tần số 2D 40 Hình 3-16 Layout mạch nhân tần số 3D 40 Hình 3-17 Layout mạch thu tín hiệu 2D 41 Hình 3-18 Layout mạch thu tín hiệu 3D 41 Hình 3-19 Thuật tốn xử lý khoảng cách 42 Hình 3-20 Tín hiệu sau lọc tách kênh tín hiệu 43 Hình 3-21 Tín hiệu sau tách đướng bao 43 Hình 3-22 Khoảng cách đáy đo kênh thu phát 44 Hình 3-23 Khoảng cách trung bình đo đáy 45 Hình 3-24 Hình ảnh mặt đáy đo vẽ sang hình ảnh 2D 45 Hình 3-25 Hình vẽ 2D mặt đáy theo biểu đồ độ sâu 46 Hình 3-26 Mơ hình thu phát hệ thống sonar 2D 47 Hình 3-27 Một buổi thực nghiệm đo đạc nhóm Cơng Viên Thống Nhất 48 Hình 3-28 Một buổi thực nghiệm đo đạc nhóm Cơng Viên Thống Nhất 49 Hình 3-29 Hình mặt đáy quét Hồ Công Viên Thống ngày 25/04/2020 lần 49 Hình 3-30 Độ sâu trung bình tính cho lần đo 3.92m 50 Hình 3-31 Hình mặt đáy quét Hồ Công Viên Thống ngày 25/04/2020 lần 50 Hình 3-32 Độ sâu trung bình tính cho lần đo 3.92m 51 Hình 3-33 Hình mặt đáy qt Hồ Cơng Viên Thống ngày 25/04/2020 lần 51 Hình 3-34 Độ sâu trung bình tính cho lần đo 4.08 52 iv Triển khai mạch thu thực tế Hình 3-16 Layout mạch nhân tần số 2D Hình 3-17 Layout mạch nhân tần số 3D 40 Hình 3-18 Layout mạch thu tín hiệu 2D Hình 3-19 Layout mạch thu tín hiệu 3D 41 Thuật tốn xử lý khoảng cách khối thu MatLab Dữ liệu Lọc thông dải tách kênh Chuẩn hóa biên độ tách đường bao Sai Ngưỡng > Ngưỡng xung gốc Xác định vị trí xung gốc= index_base Cắt khung data frame=[index_base: length_frame] Sai Data f rame[]> Ngưỡng phản xạ Xác định vị trí xung phản xạ= index_reflex Xác định khoảng delay=index_base-index_reflex Ghép kênh vẽ ảnh 2D Ảnh 2D Hình 3-20 Thuật tốn xử lý khoảng cách 42 B1: Tín hiệu đầu vào lọc thơng dải kênh để lọc lấy tín hiệu có ích tần số Hình 3-21 Tín hiệu sau lọc tách kênh tín hiệu B2: Chẩu hóa biên độ Lọc tách đường bao tín hiệu Do tín hiệu kênh thu mạnh yếu khác Vì cần chuẩn hóa lại biên độ kênh trục giá trị Cách chuẩn hóa lấy tất giá trị biên độ thu chia cho giá trị max biên độ=max_amp khung giá trị chuẩn hóa từ 0-1 Hình 3-22 Tín hiệu sau tách đướng bao B3: Xác định ngưỡng xung gốc 43 Ngưỡng xung gốc thường ngưỡng có xung lớn nhiều so với xung phản xạ Vì chọn ngưỡng xung gốc lớn 1/3 biên độ max tín hiệu B4: Xác định ngưỡng xung phản xạ Ngưỡng phản xạ bé, trình truyền mơi trường nước suy hao nhiều nên tín hiệu thu lại cực bé so với tín hiệu gốc Ngưỡng xung phản xạ thường xét 0.02