CHƢƠNG1 : HỆ THỐNG SONAR
1.4. Dạng sóng của tín hiệu
Các tín hiệu biểu diễn trong hình 1 là một thành phần thiết yếu trong việc thiết kế hệ thống sonar chủ động. Nó tác động mạnh vào các tính chất âm thanh của các trƣờng âm thanh và theo cơ cấu thu để tăng cƣờng tín hiệu. Tất cả các tín hiệu đƣợc sử dụng trong khoảng cách vang có thể đƣợc phân thành hai lớp, tùy thuộc vào giá trị công suất trung bình:
1) tín hiệu với năng lƣợng hữu hạn, có công suất trung bình bằng không, 2) tín hiệu với nguồn hữu hạn, có năng lƣợng vô hạn.
Lớp 1 có các xung chữ nhật, kiểu xung khoảng cách vang khác nhau (EER), và tổng các giá trị mẫu(Điều chế xung). Lớp 2 chứa tất cả các hàmchu kỳ và hàm bƣớc. Do đó, các tín hiệu xác định lớp kích thƣớc của các phƣơng trình nhiều sonar cho các ứng dụng cụ thể, cho dù chúng đƣợc định nghĩa trên cơ sở năng lƣợng hoặc điện. Rõ ràng, các phép đo tại biển đƣợc dùng để đánh giá hiệu suất hệ thống phải hỗ trợ theo chiều không gian. Các tín hiệu phổ biến nhất đƣợc sử dụng trong các hệ thống khác nhau, khoảng âm là sóng liên tục (CW), điều chế tần số tuyến tính (LFM), nhiễu giả ngẫu nhiên (PRN), điều chế tần số truyền liên tục (CTFM), và lan truyền âm thanh. Các tín
GVHD:PGS.TS Nguyễn Thúy Anh SVTH:Đoàn Khánh Linh44
hiệu (s) đƣợc lựa chọn sẽ phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể, và các hoạt động và phần cứng hạn chế.
Các tín hiệu đơn giản là xung hình chữ nhật CW, đặc trƣng bởi các thuộc tính cấu trúc của nó trong biên độ đỉnh và độ dài xung. tín hiệu CW có thể có độ phân giải cao trong vùng hoặc doppler, nhƣng không phải trong cả hai cùng một lúc. Các độ phân giải khoảng đƣợc xác định bởi độ dài xung T, và đƣợc cho bởi , trong đó c là vận tốc của âm thanh, và độ phân giải doppler tỉ lệ nghịch với độ dài xung, 1 / T. Rõ ràng, CW ngắn sẽ cho độ phân giải phạm vi tốt hơn so với CW dài, dẫn đến lợi xử lý hơn so với độ vang. Cho một chùm tia đƣợc truyền theo chiều rộng. CW ngắn sẽ cho một tỷ lệ tìm kiếm cao hơn và một điểm mù ngắn hơn, và sẽ phát hiện thêm khả năng chống chịu. Mặt khác, CW dài sẽ có độ phân giải doppler tốt hơn, đó là hiệu quả hơn trong việc phát hiện các mục tiêu doppler cao (cả trong video và chế độ âm thanh). Các xung dài hơn cũng sẽ làm giảm tỷ lệ báo hiệu sai trong điều kiện nhiễu hạn chế; trong quét chùm tia, cho một phạm vi không gian nhất định, một xung ngắn hơn sẽ có kết quả tốc độ dữ liệu cao hơn.Tốc độ dữ liệu và báo hiệu giả là các phép đo hiệu suất hệ thống và hiệu quả của phƣơng pháp. Trong thực tế, ngƣời điều khiển sonar sẽ có nhiềulựa chọn độ dài xung để cho mục tiêu phát hiện tối ƣu, theo dõi và phân loại. Các thí nghiệm cho thấy mà biên độ xung định hình, chẳng hạn nhƣ Gaussian hoặc cosin bình phƣơng, sẽ ngăn chặn đáng kể tiếng vang so với tạo ra xung hình chữ nhật.
LFM đƣợc đặc trƣng bởi tính chất duy nhất là tần số tức thời thay đổi tuyến tính với thời gian [a]. kết quả quá trình trong những năm gần đây đã chỉ ra rằng các tín hiệu điều chế, chẳng hạn nhƣ LFM, có nhiều hiệu quả hơn so với CW để phát hiện các mục tiêu doppler thấp dƣới điều kiện vang hạn chế. Điều này có thể đƣợc thấy bởi việc kiểm tra các hàm không rõ ràng đó là bình phƣơng độ lớn của hàm tự tƣơng quan của một tín hiệu đối với hoán vị trong cả thời gian trễ và Doppler biến thiên. Các hàm số khả nghi của CW ngắn, CW dài, và tín hiệu LFM đƣợc thể hiện trong hình 2 để minh
GVHD:PGS.TS Nguyễn Thúy Anh SVTH:Đoàn Khánh Linh45
họa cho hiệu quả tƣơng đối của chúng trong việc phát hiện các mục tiêu doppler thấp và cao. Các tín hiệu LFM đƣợc giả định là có một băng thông điều chế độ dài xung và tƣơng đƣơng với của xung dài và CW ngắn tƣơng ứng. Đối với một doppler thấp mục tiêu (T), LFM đƣợc coi là có tín hiệu ít nhất khu vực không rõ ràng trong các băng dội lại (theo quy định bởi các đƣờng đứt nét). Mục này phần nào giải thích tại sao LFM có mục tiêu nhạy phát hiện cao hơn mục tiêu doppler thấp. Khi mục tiêu có đủ doppler để loại bỏ nó từ băng dội lại, chỉ xung CW dài là hoàn toàn nằm ngoài băng,phần của CW ngắn và đƣờng nét FM tuyến tính vẫn còn hạn chế vang. Do đó, xung CW dài là hiệu quả nhất để phát hiện các mục tiêu-doppler cao. Hiện nay, cả hai xung CW và tuyến tính FM đƣợc sử dụng trong truyền dẫn tuần tự để đảm bảo cả nhiễu giới hạn và điều kiện vang giới hạn cho sự lan truyền mục tiêu có doppler đầy đủ.
Hình 1.2: So sánh hiệu quả biến khả nghi của CW ngắn, CW dài, và tín hiệu FM tuyến tính
Các tín hiệu FM tuyến tính sở hữu phạm vi và độ phân giải doppler khả nghi nằm dọc theo một trục nghiêng. Một tín hiệu âm đơn LFM biểu diễn sự kết hợp tuyến tính của các tín hiệu khả nghi và không cung cấp một mục tiêu cụ thể của một trong hai. Một doppler xác định duy nhất có thể đƣợc thực hiện bằng cách xử lý một số tiếng
GVHD:PGS.TS Nguyễn Thúy Anh SVTH:Đoàn Khánh Linh46
vang LFM hoặc bằng cách truyền mộtkiểu quét"hình thang ". Tín hiệu điều chế băng thông W có thể phân giải các mục tiêu trong công thức R = c / 2W. Độ phân giải phạm vi hiệu quả của hệ thống là độ rộng búp sóng chính của của hàm tự tƣơng quan chặt chẽ sau khi xử lý. Vì vậy kết quả băng thông điều chế độ dài xung thƣờng lớn hơn nhiều so với một phần tử, cho độ phân giải khoảng bằng nhau, LFM có độ phân giải doppler tốt hơn xung CW dài và làm giảm hạn chế công suất đỉnh trên thiết kế máy phát so với CW (giả sử năng lƣợng không đổi). Đối với độ phân giải doppler bằng nhau (bằng độ dài xung), LFM độ phân giải vùng cao hơn, qua đó cung cấp lớn hơn lợi xử lý chống vang. Trong thực tế, độ dài xung LFM thƣờng dài hơn so với CW .chiều dài xung LFM thƣờng dài hơn CW. Đối với tỷ lệ tìm kiếm bằng nhau, đƣợc xác định là tỷ lệ của truyền rộng chùm tia theo chiều dài xung, tín hiệu điều chế sẽ truyền chùm tia rộng hơn, dẫn đến một mức độ nguồn thấp hơn. Tuy nhiên, điều này sẽ không ảnh hƣởng đến phát hiện mục tiêu trong điều kiện vang hạn chế. Việc truyền CW sẽ đƣợc đặc trƣng bởi một độ dài xung ngắn hơn , độ rộng chùm tia hẹp, và cấp nguồn cao hơn sẽ tăng cƣờng mục tiêu phát hiện khi nhiễu hạn chế. Đối với ngƣỡng xử lý tƣơng tự với nhiễu lấp âm, các còn xung FM sẽ giảm tỷ lệ báo động sai. Một tín hiệu nhiễu giả ngẫu nhiên (PRN) cung cấp độ phân giải đồng thời trong phạm vi và doppler mà cho phép một cách để giải đa đƣờng và phân biệt chống lại vang [S]. Một xung PRN đƣợc tạo ra bởi một sự thay đổi-đăng ký bộ mã hóa (SRE), bao gồm một sự thay đổi kỹ thuật số, đăng ký với một vòng lặp thông tin phản hồi có chứa một bộ cộng modul-2. các bộ cộng thực hiện hàm logic, trong đó A là trạng thái của (n-i)th bƣớc và B là trạng thái của nth bƣớc, tóm lại, tổng đầu ta đƣợc dung để xác định trạng thái giai đoạn thiết lập lại. Đối với một số giá trị của n và i, mã PRN tối đa hình thành bởi một SRE n giai đoạn bao gồm2n- 1 bit trƣớc khi lặp lại. Phổ Fourier của chuỗi đầu ra là rời rạc, của sin x / x hình thành với các vạch phổ tách ra tần số bằng Fc/(2n-1), trong đó F là tần số định thời của thanh ghi dịch. Nếu SRE đầu ra là băng giới hạn một nửa tần số định thời, đầu ra tín hiệu PRK sẽ xuất hiện nhƣ là nhiễu trắng băng giới hạn.
GVHD:PGS.TS Nguyễn Thúy Anh SVTH:Đoàn Khánh Linh47
Đối với độ phân giải tỷ lệ l / W trong thời gian trễ và 1 / T trong dịch tần, một mã PRN có chiều dài tối đa sẽ có hệ sốkhả nghi bao gồm một đỉnh trung tâm của đơn vị cƣờng độ âm và đỉnh phụ thuộc của cƣờng độ âm trên giá trị trung bình 1 / 2TW của vùng rìa. Đặc biệt, 1000-bit, mã chiều dài tối đasẽ có một tự nhiễu trung bình của -30 dB và đỉnh tự nhiễu của -17 dB. Thí nghiệm với một sonar cắt chéo tƣơng quan chỉ ra rằng do cắt và lấy mẫu, tín hiệu đỉnh là ở -4 dB, thay vì 0 dB dự đoán về mặt lý thuyết. Điều này cho phép một phạm vi linh hoạt chỉ có 13 dB. Tổn hao trong nhiều kênh, thuộc tínhhoặc chọn xung, Tính phi tĩnh, vv, hơn nữa có thể làm giảm tín hiệu đỉnh -10 dB, kết quả trong một dải động chỉ 7 dB. Một dải độngđủ cần thiết để xử lý chống đa đƣờng. Do đó, một mã PRN hiệu quả cho ứng dụng sonar chỉ có thể thu đƣợc các kết quả thời gian băng thông cho 500 hoặc hơn. Ngoài ra, nền tảngchuyển động kết hợp với nguồn phát hoặc bên nhận có thể thực sự làm suy giảm hiệu quả của tín hiệu PRN
Trong một sonar CTFM, đã nhận và truyền tín hiệu đƣợc thu hồi tần số và băng phía dƣới đƣợc bảo vệ, đƣợc các tần số khác nhau. Một đặc tính duy nhất của CTFM là có một tần số khác biệt rõ rệt cho mỗi phạm vi mục tiêu. Những nguyên tắc này đƣợc mô tả trong hình 1.3. Một ƣu điểm chính của một sonar CTFM là nó cung cấp thông tin phạm vi liên tục, nơi mà một phân tích phạm vi tƣơng ứng với một phân tích tần số. lợi thế bổ sung chất lƣợng âm thanh phản hồi, công suất đỉnh thấp, và giảm nhắm mục tiêu sức mạnh và biến động nền đƣợc thảo luận phía dƣới. Những đặc điểm hoạt động làm CTFM đặc biệt thích hợp cho tìm kiếm sâu và giám sát, so với CW xung thông thƣờng. CTFM cung cấp thông tin âm thanh nhƣ các chi tiết bên ngoài của các cấu trúc phản hồi, ví dụ, là tiếng vang cực độ đƣợc xác định rõ (nhƣ từ một cấu trúc thép dày) hoặc là nó khuếch tán (nhƣ từ một tảng đá lởm chởm hoặc vùng dội lại lớn) ? Điều này đƣợc gọi chất lƣợng tiếng vang nhƣ âm thanh thứ mà sẽ tăng cƣờng phát hiện và phân loại. Trong hầu hết các ứng dụng quét sâu, cho một xung ngắn CW sonar để đạt đƣợc cùng độ phân giải nhiều nhƣ một sonar CTFM, độ dài xung của nó phải rất ngắn và do đó,
GVHD:PGS.TS Nguyễn Thúy Anh SVTH:Đoàn Khánh Linh48
thƣờng khó nghe đƣợc. CTFM sonar sẽ có cả âm thanh và một hình video trong khi các sonar CW sẽchỉ có một màn hình video. Màn hình hiển thị video là một nguồn có chất lƣợng vang kém so với âm thanh do dải động hạn chế và "Điểm nổi bật" thừa nhận khả năng tối thiểu.
Ta có: do đó FB =
Hình 1.3: Xem xét các nguyên tắc CTFM
Các tính chất của kiểm soát các xung âm thanh xác định rõ những ƣu điểm của tín hiệu nhƣ thế cho các ứng dụng khác nhau, vang liên quan đến xung CW. Chúng bao gồm việc sử dụng các tín hiệu xung bức xạ theo các phƣơng thức tấm sốc kích thích và biến đổi nhanh chóng trong sức mạnh mục tiêu so với tần số do sự cộng hƣởng cấu trúc. Các kết quả ngắn xung áp lực tích cực trong tăng cƣờng an ninh, giảm tiếng vang tạo mặt chắn, và tạo lỗ hổng hạn chế tối thiểu. Đỉnh cao kết quả cấp áp lực trong việc giảm sự hấp thụ thấp của sóng làm phi tuyến "răng cƣa" có hiệu lực. Cáckết quả phổ băng rộng lặp lại cộng với thời gian tăng ngắn trong dao động tín hiệu nhỏ và tạo điều
GVHD:PGS.TS Nguyễn Thúy Anh SVTH:Đoàn Khánh Linh49
kiện tăng cƣờng tín hiệu trên nhiễu bởi xung lặp đi lặp lại, phát hiện các cấu kiện kim loại gần đáy đại dƣơng, và việc phân loại các mục tiêu lớn của điểm nổi bật từ các bề mặt phẳng nhỏ. Các hiệu ứng thuận lợi của một thời gian tăng ngắn đƣợc cho là do để việc truyền tải năng lƣợng tần số cao và liên quan định hƣớng cao. Những lợi ích hoạt động của kiểm soát sonar xung âm thanh sẽ đƣợc nhấn mạnh trong hoạt động nƣớc nông.