Hình 3 .15 Cấu trúc cụm trung tâm
3.4 Tổng hợp mơ hình hệ thống định vị nguồn âm
3.4.1. Mơ hình giải pháp tổng thể hệ thống định vị nguồn âm
Trên cơ sở những phương pháp, thuật toán đã được thực hiện trong chương 2 và chương 3 của luận án, một mơ hình tổng hợp một hệ thống định vị nguồn âm được xây dựng nhằm nâng cao chất lượng định vị. Trong mơ hình này, một hệ thống định vị nguồn âm bao gồm nhiều cụm cảm biến và thiết bị xử lý đi kèm có nhiệm vụ xác định sự kiện âm thanh, định vị nguồn âm và gửi thông tin định vị nguồn âm về trung tâm.
c u m c a m b i e n c u m c a m b i e n 4 c u m c a m b i e n S a i s o d in h v i (m )
Hình 3.13. Mơ hình hệ thống định vị nguồn âm đề xuất
Ngồi ra mỗi một cụm cảm biến được tích hợp hệ thống định vị vệ tinh GNSS nhằm xác định chính xác vị trí đặt cụm cảm biến, kết hợp với la bàn số xác định hướng xoay của cụm cảm biến. Những thơng tin này được tổng hợp lại có khả năng chuyển đổi thông tin định vị tương đối giữa cụm cảm biến và nguồn âm thành thông tin định vị tuyệt đối về kinh độ, vĩ độ của mục tiêu qua đó cho phép hiển thị vị trí mục tiêu trên bản đồ số.
Thông tin từ các trạm định vị được gửi về và tổng hợp tại một trung tâm xử lý. Trung tâm này có nhiệm vụ đồng nhất các mục tiêu, đồng thời tính tốn chính xác vị trí mục tiêu sau q trình tổng hợp. Vị trí mục tiêu sau khi tổng hợp có khả năng hiển thị trên bản đồ số hoặc là dữ liệu đầu vào điều khiển các camera quan sát...
Trên hình 3.14 thể hiện sơ đồ khối chức năng của một cụm cảm biến, trong sơ đồ này, các bước phát hiện sự kiện âm thanh sử dụng bộ phân tích âm thành
ADC Lọc tươn g quan ICA Máy thơng tin Xác định vị trí nguồn âm tuyệt đối Tính tốn vị trí nguồn âm Thiết lập cửa sổ tín hiệu và Tính tốn hệ số Beta
phần độc lập kết hợp với bộ lọc tương quan, ước tính thời gian đến sử dụng thuật tốn GCC-PHAT-β thích nghi được sử dụng nhằm nâng cao chất lượng định vị nguồn âm.
……….
Hình 3.14. Cấu trúc các cụm cảm biến
Tại mỗi cụm cảm biến tín hiệu trên các cảm biến được số hóa rồi, các cửa sổ tín hiệu được thiết lập, tiếp theo q trình phân tích âm thành phần độc lập được tiến hành, sau đó tín hiệu được đưa qua bộ lọc tương quan nhằm xác định chính xác sự kiện âm thanh. Nếu tồn tại sự kiện âm thanh, các của sổ tín hiệu chứa sự kiện âm thanh được được thiết lập, đồng thời hệ số β tương ứng
của từng cặp cảm biến được tính tốn. Với hệ số β kể trên q trình tính tốn khác biệt thời gian đến theo thuật toán GCC-PHAT-β thích nghi được tiến hành, qua đó tìm ra bộ số τij. Bộ số τij sau đó được hợp lý hóa thơng qua cơng thức (2.27).
SENSOR 1 ADC ICA Lọc tươngquan
Tính tốn trễ thời gian đến
SENSOR 2
SENSOR N ADC ICA Lọc tươngquan
Hợp lý hóa dữ liệu MÁY THU GNSS XÁC ĐỊNH TỌA ĐỘ, TRẠNG THÁI CỤM SENSOR THU ÂM LA BÀN SỐ
Bước tiếp theo q trình tính tốn vị trí nguồn âm bằng phương pháp chia nhỏ khơng gian định vị, trong đó vận tốc âm thanh được coi như một biến số. Sau quá trình định vị nguồn âm, kết hợp cùng với thơng tin về vị trí của cụm cảm biến thu được từ bộ thu định vị vệ tinh GNSS và hướng của cụm cảm biến thơng qua module la bàn số, vị trí tuyệt đối của của nguồn âm được tính tốn, thơng tin này được truyền về trung tâm điều khiển thông qua một máy phát vơ tuyến.
Hình 3.15. Cấu trúc cụm trung tâm
So với các cụm cảm biến, cấu trúc cụm trung tâm đơn giản hơn, máy thu vơ tuyến có nhiệm vụ thu thông tin từ các cụm cảm biến định vị, dựa trên thông tin này trung tâm tiến hành đồng bộ các sự kiện thông tin, đảm bảo các thông tin định về gửi về là của cùng một sự kiện âm thanh. Sau đó q trình tính tốn định vị chính xác nguồn âm từ thơng tin từ các cụm cảm biến được tiến hành. Thơng tin định vị sau đó được hiển thị trên bản đồ số hoặc có thể được sử dụng phục vụ các mục đích khác tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể.
3.4.2. Một số nhận xét khuyến nghị
Đối với mơ hình tổng hợp hệ thống định vị nguồn âm nêu trên, trong quá trình xây dựng hệ thống cụ thể cần chú ý một số nhận xét và khuyến nghị cụ thể như sau.
Đối với q trình số hóa tín hiệu, tần số lấy mẫu fs là một trong những
yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác định vị. Giá trị khác biệt thời gian tới được ước tính bằng số nguyên lần của khoảng thời gian lấy mẫu T = 1/fs, do đó sai số cự ly (trong trường hợp thuật tốn ước tính vị trí nguồn
âm là lý tưởng) cũng được tính bằng số nguyên lần giá trị v/fs, với v là vận tốc âm thanh. Khi fs
Máy thông tin Đồng bộ các sự kiện âm thanh Tính tốn vị trí tổng hợp Bản đồ số
càng lớn sai số gây ra khi tính tốn khác biệt thời gian đến nhỏ hơn, tuy nhiên cũng khiến cho khối lượng dữ liệu được đưa tính tốn tăng và độ phức tạp tính tốn tăng lên. Do đó tùy vào yêu cầu của hệ thống cần định vị mà lựa chọn tần số lấy mẫu phù hợp.
Tín hiệu sau khi số hóa được chia thành từng cửa sổ tín hiệu để đưa vào tính tốn, độ rộng của cửa sổ tín hiệu cần thiết phải được lựa chọn một cách phù hợp. Độ rộng đó phụ thuộc vào độ dài của âm thanh cần định vị, năng lực tính tốn và u cầu tính thời gian thực của hệ thống, cũng như khả năng định vị các sự kiện âm thanh liên tiếp của hệ thống.
Giải pháp phát hiện sự kiện âm thanh cũng cần được lựa chọn một cách phù hợp. Giải pháp được đề xuất trong luận án có khả năng phát hiện sự kiện âm thanh một cách chính xác, tuy nhiên có độ phức tạp cao, điều đó u cầu hệ thống xử lý tín hiệu phải có năng lực xử lý mạnh. Do đó đối với hệ thống định vị nguồn âm có cường độ âm thanh lớn hơn so với nền nhiễu, sử dụng giải pháp phát hiện sự kiện âm thanh theo biên độ là một cách tiếp cận hiệu quả.
Đối với quá trình phát hiện sự kiện âm thanh sử dụng bộ phân tích thành phần độc lập kết hợp với lọc tương quan, việc chọn giá trị ngưỡng tương quan
rng đóng vai trị quan trọng. Khi giá trị rng quá lớn có thể gây ra hiện tượng bỏ
sót sự kiện âm thanh, mặt khác khi giá trị rng quá nhỏ có thể khiến hệ thống định vị những nguồn âm khơng cần thiết. Ngồi ra giá trị rng cịn phụ thuộc vào tính đặc trưng của âm thanh cần định vị, do đó đối với mỗi hệ thống nhất định cần những phân tích và thử nghiệm trực tiếp nhằm tìm được hệ số rng tối ưu, trong hệ thống định vị tiếng nổ đầu nòng của súng AK47, giá trị rng = 0.5 cho thấy tính hiệu quả trong việc phát hiện và khơng bỏ sót sự kiện âm
thanh.
Trong q trình ước tính thời gian trễ, thơng qua tương quan giữa tín hiệu thu được và tín hiệu mẫu, hệ số β của thuật tốn GCC-PHAT-β thích nghi được tính tốn cho từng cặp cảm biến. Điều này chỉ hiệu quả với mơ hình hệ thống định vị nguồn âm được đề xuất trong luận án, do q trình tính tốn hệ số tương
quan đã được xác định trong quá trình phát hiện sự kiện âm thanh, mặt khác tín hiệu âm thanh mẫu cần định vị cũng được xác định trước. Điều này cũng dẫn đến việc khi muốn mở rộng hệ thống định vị nhiều loại nguồn âm khác nhau sẽ làm hệ thống trở nên phức tạp hơn rất nhiều.
Việc tính tốn vị trí nguồn âm theo phương pháp chia nhỏ không gian định vị bên cạnh ưu điểm có thể coi vận tốc âm thanh là một biến số tuy nhiên cũng kéo theo những nhược điểm nhất định. Trước hết, việc chia nhỏ không gian định vị khiến thuật toán định vị chỉ xác định được mục tiêu trong một không gian định vị nhất định. Khi nguồn âm nằm bên ngồi vùng khơng gian xác định trước sai số định vị sẽ rất lớn. Bên cạnh đó năng lực tính tốn của hệ thống cũng phải rất mạnh để có thể xác định được vị trí nguồn âm trong thời gian ngắn nhằm đảm bảo thời gian thực của hệ thống.
Số lượng cụm cảm biến của hệ thống định vị nguồn âm cũng phải được xác định một cách phù hợp, số lượng càng lớn thuật tốn định vị sẽ càng chính xác, tuy nhiên việc tăng số lượng cụm cảm biến làm tính phức tạp của hệ thống tăng lên, mặt khác khiến quá trình đồng bộ dữ liệu và vị trí của các cụm cảm biến với nhau trở nên phức tạp. Do đó cần duy trì số lượng cụm cảm biến ở mức vừa đủ tùy theo địa hình của khu vực cần định vị.