CHƢƠNG1 : HỆ THỐNG SONAR
1.5 Phƣơng thức truyền và nhận trong hệ thống Sonar
Một sơ đồ khối điển hình của sonar (hoặc radar) phát đƣợc thể hiện trong hình 1.4. Đầu ra của "tín hiệu bênphát " có thể ở nhiều hình thức (tƣơng tự hoặc số, xung CW hoặc FMtuyến tính, hoặc một vài tín hiệu thời gian chia sẻ) tùy thuộc vào hệ thống đặc biệt đƣợc xem xét. Các đầu ra của máy phát tín hiệu đƣợc gửi toa "ma trận phát tia." Mục đích của nó là để trọng lƣợng đầy đủ và trễ các tín hiệu để các "truyền phần tử" (hoặc chiếu) sẽ tạo ra các mô hình chùm mong muốn trongkênh âm thanh. Một mô hình chùm xác định nhƣ thế nào năng lƣợng âm truyền đƣợc tập trung và định hƣớng trong không gian, liên quan đến máy phát. Tỷ trọng và trễ của tín hiệu thƣờng đƣợc gọi là "định pha" hay "beamforming".Beamforming là kỹ thuật sử dụng 1 dãy anten (antena array) để hƣớng búp phát sóng (radio beam) của anten phát về 1 hƣớng nhất định (hƣớng của thiết bị thu hoặc mobile). Khoãng các giữa các anten trong array là bé hơn 1/2 bƣớc sóng (wavelength). Kỹ thuật này còn đƣợc gọi là kỹ thuật anten thông minh (smart antena), đƣợc dùng trong các hệ thống SPMA (space division multi access) nhằm tăng độ lợi anten phát và giảm can nhiễu (interference) giữa các user trong cùng 1 cell. Các hình phần tử (ví dụ, hình tròn, parabol, hình cầu hoặc hình trụ) sẽ phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể. Ngoài ra, các phần tử truyền bao gồm nhiều thành phầnphát tia đơn lẻ có phụ thuộc vào phƣơng thức truyền lan. Ví dụ, trong sonar vật liệu phát tia nói chung là gốm áp điện, và ở một mức độ nào một kim loại từ giảo, mà
GVHD:PGS.TS Nguyễn Thúy Anh SVTH:Đoàn Khánh Linh50
chuyển đổi năng lƣợng điện thành năng lƣợng âm thanh, và ngƣợc lại. Một "chƣơng trình" cũng đƣợc hiển thị, chủ yếu là vì mục đích hoàn chỉnh. Mục đích của nó là để đồng bộ nhiều hoặc truyềntuần tự.
Hình 1.4:Sơ đồ khối của bộ phát Sonar
Một sơ đồ khối điển hình của một sonar (radar) thu đƣợc thể hiện trong hình 1.5. Ấn tƣợng đầu tiên là nó phức tạp hơn một máy phát. Điều này sẽ không gây ngạc nhiên vì trong truyền dẫn tỷ số tín hiệu trên nhiễu là vô hạn (hoặc gần nhƣ vậy) trong khi bên nhận nó ít hơn một đơn vị cho hầu hết các trƣờng hợp quan tâm. Rõ ràng, một
Hình 1.5: Sơ đồ khối của bộ thu Sonar
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.