số công việc khác đã đƣợc thực hiện trƣớc khi một quyết định có ý nghĩa có thể đƣợc thực hiện. Các "phần tử nhận " (ống nghe thủy âm) và "ma trận phát tia" khá tƣơng đồng với các đối tác truyền của chúng. Trong thực tế, cả hai phần tử nói chung là một và giống nhau. Sự khác biệt duy nhất là trong truyền dẫn, các ma trận phát tia có một số lƣợng tối thiểu các trọng số biên độ để truyền năng lƣợng tối đa. Điểm lƣu ý này chắc chắn là không có liên quan trong việc nhận để trọng biên độ có thể đƣợc sử dụng
GVHD:PGS.TS Nguyễn Thúy Anh SVTH:Đoàn Khánh Linh51
ở đây. Kết quả là triệt búp sóng phụ lớn hơn và định hƣớng ở bên nhận hơn bên truyền. Hai khối tiếp theo của bên nhận, "nén dải động và chuẩn hóa" (DRCN) và "xử lý tín hiệu" có nhiệm vụ chung của việc chuẩn bị các thông tin nhận đƣợc để biểu diễn đầy đủ về "màn hình" hình ảnh hay âm thanh hoặc đến một "thiết bị quyết định "chẳng hạn nhƣ một máy tính số.Khối DRCN cần thiết để loại bỏ một số đặc điểm không gian và thời gian của kênh âm thanh đƣợc tác động khi các tín hiệu truyền lan, để tối ƣu hóa hiệu suất của bộ xử lý và hiển thị khối. Bộ xử lý tín hiệu thƣờng là một hiện thực vật lý của các tiêu chí "khả năng tối ƣu" và liên quan đến lọc hoặc tƣơng quan kỹ thuật phù hợp. Trong thực tế, việc xử lý tín hiệu, hiển thị / thiết bị quyết định, và điều hành của con ngƣời liên quan mật thiết và cùng biểu diễn các bộ xử lý tín hiệu thực. Hầu hết các tổn hao trong lợi xử lý xảy ra tại các giao diện của chúng. Các “chƣơng trình" đƣa ra là cho mục đích đồng bộ hóa và tự thích ứng. Các máy phát và máy thu mô hình sonar thể hiện trong hình 1.4 và 1.5 là đủ để hiểu về hệ thống sonar hoạt động hiện nay. Các hệ thống sử dụng có thể đƣợc phân loại là ánh sáng tìm kiếm, quét, hoặc truyền hƣớng quay (RTD) loại. Một so sánh của truyền và nhận các chế độ cho các hệ thống này đƣợc thể hiện trong hình1.6.
GVHD:PGS.TS Nguyễn Thúy Anh SVTH:Đoàn Khánh Linh52 Hình1.6: So sánh phương thức truyền và nhận
Trong Thế chiến thứ 2, một hệ thống sonar chủ động thƣờng đƣợc sử dụng phƣơng thức truyền lan hẹp và nhận mô hình chùm và có phần tử đầu dò là thiết bị xoay góc phƣơng vị để cho phép tìm kiếm theo chiều ngang. Do phƣơng thức hoạt động và độ sắc nét của chùm tia, các hệ thống đƣợc gọi là " Sonar hƣớng sáng" (xem hình 1.6 (a)). Một sonar tìm kiếm ánh sử dụng một phần tử hƣớng tập trung năng lƣợng âm của xung truyền vào một chùm hẹp cung cấp một phạm vi tối đa phát hiện. Sau khi liên lạc, chùm tia mục tiêu đƣợc xác định bằng cách tạo các phần tử cho đáp ứng vang mục tiêu tối đa. Đây là phƣơng pháp đơn giản nhất để phát hiện các mục tiêu và xác định hƣớng .
GVHD:PGS.TS Nguyễn Thúy Anh SVTH:Đoàn Khánh Linh53
Tuy nhiên, có rất nhiều nhƣợc điểm cho loại sonar chủ động này, do thực tế các phần tử đƣợc tạo một cách máy móc, kết quả là tốc độ dữ liệu thấp. Tốc độ dữ liệu thấp không cung cấp con tàu với phát hiện đa mục tiêu và khả năng theo dõi, cần thiết cho an ninh tàu. Việc tạo bằng máy cũng hạn chế kích thƣớc phần tử. Vì lý do này, sonars hƣớng ánh thƣờng sử dụng các tần số cao hơn 15 kHz, do đó làm tăng suy hao do sự hấp thụ nhiệt. Điều này phần nào phủ nhận những lợi ích thu đƣợc với định hƣớng cao. Cuối cùng, thật khó khăn để duy trì liên lạc song âm khi mục tiêu né sóng phát đến. Giới hạn tốc độ dữ liệu của sonar hƣớng sáng đƣợc loại bỏ với sự phát triển của "Sonar quét " (xem hình 1.6 (b)) vào cuối Chiến tranh thế giới thứ 2. Điều này cung cấp khoảng và các thông tin mang đi của tất cả các mục tiêu trong một vùng 360 phƣơng vị, liên tục và đồng thời. Cụ thể, một xung đa hƣớng, thời gian ngắn đƣợc truyền đi. Phía bên nhận, mục tiêu phản hồi đƣợc quét bằng cách quay nhanh một chùm tia nhận hẹp. chùm tia nhận đầu ra sau đó đƣợc biểu diễn với một màn hình hiển thị toàn cảnh.Sau đó là một trong số đó cung cấp cho một phép biểu diễn trực quan của toàn bộ (3600) trƣờng âm. Một màn hình toàn cảnh đƣợc sử dụng phổ biến trong radar và sonar là một vị trí bản đồchỉ định hoặc PPI. PPI bản đồ vị trí của mục tiêu trong phƣơng vị và dao động trong tọa độ cực trên một ống cathode (CRT), nơi mục tiêu biên độ đƣợc sử dụng để điều chỉnh cƣờng độ chùm tia điện tử (hoặc trục z). Do đó, một PPI là một ví dụ về cƣờng độ điều chế CRT hiển thị cực, và thƣờng sử dụng phosphor P7 (long persistance) tích hợp.
Ở bên thu, các chùm hiện trong hình 6 (c) đƣợc cố định trong không gian, liên quan đến các phần tử tiếp nhận. Chúng thƣờng đƣợc thiết kế để chồng lên nhau tại - 3 điểm db,và liên tục và đồng thời theo dõi toàn bộ vùng âm thanh. Các kết quả đầu ra của ma trận chùm tia hình thành trƣớc ở dạng song song và đƣợc áp dụng để xử lý DRCN / tín hiệu đơn mà kết quả đầu ra sau đó đƣợc quét điện tử và hiển thị trên một PPI. Mỗi chùm tia đầu ra đƣợc hình thành trƣớc biểu diễn thông tin âm thanh thu đƣợc đối với một vùng không gian hữu hạn. Hệ thống chùm tia đƣợc hình thành trƣớc đƣợc
GVHD:PGS.TS Nguyễn Thúy Anh SVTH:Đoàn Khánh Linh54
lƣợng tử hóa vùng âm thanh ở góc phƣơng vị và có thể đƣợc coi nhƣ là chuẩn hóa phƣơng vị. Những nỗ lực sau đó để có đƣợc một hằng số "sai không gian" hoặc một nền tảng thống nhất (Ở một phạm vi nhất định) trên một màn hình PPI. Hiệu năng hệ thống đƣợc cải thiện đáng kể trong việc quét bên thu thông thƣờng trong đó trung bình sau hơn 3600. Tuy nhiên, có thể có một sự suy hao trong việc phát hiện đúng mục tiêu để chùm đến chùm mất cân bằng. (Sau này có thể đƣợc loại bỏ bằng cách sử dụng ghép kênh phân chia theo thời gian). Ngoài ra, nội suy hữu hạn của một hệ thống chùm tia dẫn đến sự phát hiệngiảm giá trị nghiêm trọngđƣợc gọi là hiệu ứng "gạch silo "hoặc" spoking ".Hiệu ứng này không xuất hiện với một máy quét thông thƣờng trong đó có một nội suy vô hạn (Lý thuyết).
Cuối cùng, một sự khác biệt lớn giữa một quét và PFB nhận là về sau có thể đƣợc sửa cho doppler do tàu của chuyển động và trƣớc đây có thể không. Điều này có nghĩa rằng một máy thu PFB có thể có một băng thông nhỏ hơn, do đó cải thiện tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu. Phƣơng pháp cho việc này đƣợc gọi là " doppler vô hiệu hóa riêng "(ODN). Mỗi chùm tia đƣợc hình thành trƣớc đƣợc trộn với một dao động ODN. Các ODN Dao động là một điện áp-điều khiển dao động (VCO), trong đó các tín hiệu điều khiển tỷ lệ thuận với kết quả tốc độ của tàu và cosin của việc định hƣớng tƣơng đối củachùm tia. Kỹ thuật này không thể áp dụng với một máy quét vì tốc độ cao, video quét chuyển đổi không thể đƣợc đồng bộ hóa với những thay đổi rất nhỏ ở đầu ra VCO. Đây là một điểm tốt để lại các cuộc thảo luận về các phƣơng thức truyền tải và tiếp nhận khác nhau và thảo luận về các đặc tính của các khối kênh âm thanh trong hình 1. Các kênh âm thanh nói chung là liên kết yếu nhất trong thiết kế hệ thống sonar.
1.6.Kênh âm
Đây là phần quan trọng khi nghiên cứu các vấn đề tìm đƣờng và ƣớc lƣợng kênh để khảo sát cơ bản một kênh thông tin. Một kênh thông tin là phƣơng tiện mà thông tin
GVHD:PGS.TS Nguyễn Thúy Anh SVTH:Đoàn Khánh Linh55
hoặc dữ liệu đƣợc chuyển từ một điểm (nguồn) đến điểm khác (đích). Khi giả định là lý tƣởng, nó đƣợc coi là đồng nhất, không tổn hao, kênh vật lý vô hạn và để cung cấp mức truyền méo thấp, mặc dù kênh có thể phải chịu nhiều loại nhiễu có thể tạo ra méo tại điểm đến. Rõ ràng, mô hình này đơn giản là không thích hợp cho kênh vật lý thực nhƣng rất hữu ích với ý nghĩa rằng nó tạo điều kiện để hiểu và gợi ý vấn đề. Nói chung, sự phức tạp của vấn đề đƣợc tăng lên bao gồm các ảnh hƣởng của biên độ ngẫu nhiên và pha, tán xạ và fading. Trong thực tế, có tác dụng bổ sung để xem xét.Ví dụ, từ một kênh thƣờng không đồng nhất hoặc đẳng hƣớng, các tín hiệu nhận đƣợc phụ thuộc rất nhiều vào hƣớng mà từ đó nó đƣợc nhận. Ngoài ra, tán xạ có thể đƣợc phân bố không đồng đều dẫn đến một quá trình chuyển động.
Các kênh âm thanh trong hình 1 đƣợc biểu diễn bởi "đƣờng dẫn" kết nối các máy phát và máy thu, với một lƣợng tán xạ và nhiễu xung quanh. Những "đƣờng dẫn" có thể biểu diễn cho hàng trăm hải lý, giáp với nƣớc-không khí, và ở đáy bùn, cát, sỏi, đá. Các mặt biển là cả một mặt phản xạ và tán xạ của âm thanh. Đáy biển cũng tƣơng tự nhƣng hiệu ứng của nó phức tạp hơn vì thành phần của nó nhiều lớp. Đáy biển có mật độ và vận tốc âm thanh có thể thay đổi dần dần hoặc đột ngột theo chiều sâu, trong đó hàm ý rằng khả năng mất phản xạ của nó khó dự đoán hơn so với mặt biển. Ngoài ra, nhiễu xung quanh, hiển thị nhƣ một tín hiệu trung bình đƣợc tạo ra, là giới hạn truyền và truyền lan hiệu ứng phức tạp;nguồn chính của nó là do chuyển động của nƣớc-không khí. Vì vậy, có vẻ nhƣ truyền lan, giới hạn truyền có ảnh hƣởng với nhau chặt chẽ. Cũng nhƣ vậy, một số hiệu ứng thực sự ảnh hƣởng nhiều hơn bởi giới hạn hơn so với đặc tính âm của đại dƣơng và ngƣợc lại.
1.6.1 Hiệu ứng truyền
Chính thức, sự truyền sóng âm biên độ tƣơng đối nhỏ trong môi trƣờng đẳng hƣớng, hoàn toàn đàn hồi, đồng nhất, vô hạn, và không tổn hao có thể đƣợc biểu diễn
GVHD:PGS.TS Nguyễn Thúy Anh SVTH:Đoàn Khánh Linh56
bởi các phƣơng trình sóng âm tuyến tính. Hai cách tiếp cận đến một giải pháp của phƣơng trình sóng là "thuyết chuẩn hóa " và " thuyết tia".
Lý thuyết chuẩn hóa có hiệu lực khi bƣớc sóng của âm thanh cùng bậc độ lớn nhƣ độ sâu của nƣớc. Nó đặc biệt hữu ích trong việc mô tả lan truyền âm thanh trong vùng nƣớc nông hoặc ở tần số rất thấp trong vùng nƣớc sâu. Điều này giống nhƣ việc truyền lan của sóng điện từ thông qua ống dẫn sóng. Cụ thể, thuyết chuẩn hóa đối với đại dƣơng giống nhƣ truyền âm tổng thể và đặc trƣng trong điều kiện dao động tự nhiên hoặc dạng dao động riêng của đại dƣơng, tƣơng tự nhƣ chuỗi dao động. Các thuật toán liên quan đƣợc dễ dàng thực hiện trên một máy tính số. Tuy nhiên, lý thuyết này không thuân tiện để hiểu hoặc hiện thực hóa quá trình truyền lan nhƣng thuyết tia thì có thể.
Lý thuyết tia âm tƣơng tự nhƣ là việc sử dụng quang học tia. Tƣơng tự nhƣ vậy, nó mặc nhiên công nhận sự tồn tại của mặt sóng dọc theo đó pha hoặc hàm thời gian của phƣơng pháp cho phƣơng trình sóng là không đổi. Nó cũng mặc nhiên công nhận rằng đối với một tập hợp các điều kiện, khoảng truyền âm giữa hai điểm bất kỳ trong đại dƣơng là cố định, độc lập với hƣớng truyền sóng. Khoảng truyền này đƣợc gọi là "tia âm " hoặc "khoảng truyền tia", và mô tả của toàn bộ quá trình lan truyền đƣợc gọi là một "sơ đồ tia." Điều này có sức hấp dẫn trực quan đáng kể. Tuy nhiên, có một số hạn chế. Nó không cung cấp giải pháp tốt khi độ cong tia hoặc biên độ áp lực thay đổi đáng kể trên khoảng cách một bƣớc sóng. Vì vậy, lý thuyết tia đƣợc giới hạn tần số cao hoặc bƣớc sóng ngắn.
Hƣớng của một khoảng truyền tia bị chi phối bởi luật Snell. Vận tốc của âm thanh là một hàm gia tăng của nhiệt độ nƣớc, áp suất và độ mặn.Những biến đổi trong các biến này tạo ra sự thay đổi vận tốc từ đó gây ra một sóng âm để làm khúc xạ hoặc thay đổi hƣớng của nó khi truyền. Vì vậy, một chế độ truyền lan đƣợc xác định bởi độ trắc địa hoặc độ dốc của môi trƣờng. Một gradient mô tả sự thay đổi vận tốc với độ sâu. Nếu vận tốc tăng theo độ sâu, độ dốc đƣợc gọi là dƣơng, tạo ra độ cong tia lõm lên
GVHD:PGS.TS Nguyễn Thúy Anh SVTH:Đoàn Khánh Linh57
trên. Nếu vận tốc giảm dần theo độ sâu, độ dốc đƣợc gọi là âm, tạo ra một độ cong tia lõm xuống.
Các trắc đồ đại dƣơng sâu bao gồm hai lớp chính, tức là, I) phần phụ thuộc theo mùa, bao gồm một lớp cách nhiệt, mặt và dị biệt nhiệt theo mùa, kéo dài từ bề mặt cho tới một vài trăm feet.2) thƣờng xuyên, phần không phụ thuộc theo mùa, bao gồm các dị biệt nhiệt chính và lớp cách nhiệt sâu, kéo dài xuống phía dƣới. Trong suốt mùa đông và mùa xuân và ở Bắc Cực, các dị biệt nhiệt theo mùa có xu hƣớng kết hợp với các lớp cách nhiệt. Trong suốt mùa hè và mùa thu, lớp cách nhiệt là sâu chỉ khoảng 50 feet, và dị biến nhiệt theo mùa cũng đƣợc xác định. Các dị biến nhiết chính là một gradient âm do nhiệt độ giảm và do đó, làm giảm vận tốc. Trong lớp đẳng nhiệt sâu nhiệt độ gần nhƣ không đổi ở khoảng 39 ° F. và vận tốc của âm thanh tăng theo chiều sâu do tăng áp lực. Gradient tích cực là khoảng 0,016 feet mỗi giây cho mỗi chân. do đó tối thiểu tốc độ đƣợc hình thành vào khoảng 1000 mét mà là trục của kênh âm thanh sâu hay cái gọi là kênh SOFAR.
Vận tốc và lý thuyết tia hoàn toàn đặc trƣng cho truyền lan trong nƣớc sâu. Đây là một hình thức truyền lan ngầm hoá mà âm thanh đƣợc chặn truyền lan trong mọi hƣớng và đƣợc bao bọc trong một ống hoặc kênh âm. Những ranh giới có thể là mặt biển và đáy biển, đa lớp trong môi trƣờng, hoặc sự kết hợp của cả hai. Nƣớc sâu (> 1.000 sải) truyền lan có thể đƣợc tách thành hai lớp, tùy thuộc vào độ sâu của nguồn.Đối với một nguồn gần bề mặt (trên 1500 bộ của đại dƣơng), có ba chế độ-chế độ ống dẫn bề mặt, các chế độ dội lên từ dƣới, và các chế độ vùng hội tụ.Tất cả đƣợc thể hiện trong sơ đồ tia trong hình 1.7 và biểu diễn cho tất cả các ứng dụng hiện tại của sonar cho tàu nổi, tàu ngầm, và chân không.
GVHD:PGS.TS Nguyễn Thúy Anh SVTH:Đoàn Khánh Linh58 Hình 1.7: Sơ đồ tia cho truyền lan nước sâu: nguồn gần bề mặt
Các ống bề mặt hoặc kênh âm hỗn hợp lớp tƣơng tự âm của ống truyền lan mặt đất trong radar. Hầu nhƣ tất cả các hệ thống tàu sonar phát triển trƣớc 1960 sử dụng các đƣờng dẫn riêng. Các tốc độ cần thiết cho chế độ này có một gradient dƣơng gốc và sau đó một gradient âm. Ở tầm ngắn, đƣờng truyền gần nhƣ là một đƣờng thẳng. Ở phạm vi xa hơn, truyền lan đƣợc đặc trƣng bởi sự phản xạ bề mặt lặp đi lặp lại. Một "vùng tối" là vật đƣợc tạo ra bên dƣới lớp, có chút insonification trừ rò âm từ ống bề mặt. Việc rò rỉ đã đƣợc phát hiện để tăng với tỷ lệ chiều cao sóng đến độ sâu lớp. Tầm quan trọng của một vùng tối đƣợc xác định vì thực tế là nó có thể làm giảm một sonar mặt -với một vùng chứa 20 kiloyard có ít hơn một vùng chứa 5 kiloyard.
GVHD:PGS.TS Nguyễn Thúy Anh SVTH:Đoàn Khánh Linh59 Hình 1.8: Sơ đồ tia cho truyền lan nước sâu: nguồn sâu
Trong những năm gần đây, hệ thống sonar đã sử dụng các phƣơng thức dội ngƣợc từ đáy và vùng hội tụ trong phạm vi lớn để thăm dò hơn so với những thứ có