Việt Nam có đường ven biển và vùng biển rộng lớn kéo dài suốt từ Bắc tới Nam, chiếm một vị trí vô cùng quan trọng trong chiến lược phát triển kinh tế cũng như an ninh quốc phòng trong khu vực. Đảng và chính phủ đã xác định chiến lược biển đảo là chiến lược trọng tâm của cả nước trong tương lai. Quân đội ta là một trong những lực lượng chủ chốt trong chiến lược phòng thủ biển đảo, đảm bảo an ninh vững chắc và toàn vẹn lãnh thổ để phát triển đất nước trong thời kỳ công nghiệp hóa hiện đại hóa, từng bước làm chủ biển đảo trong sự phát triển như vũ bão của khoa học, công nghệ.
Do sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp vùng thềm lục địa cũng như yêu cầu cấp bách về quốc phòng an ninh, việc tăng cường nghiên cứu thủy âm học vùng ven biển, nơi có những hoạt động động lực tăng cường, có nhiều sự thay đổi các trường thủy vật lý ảnh hưởng đến quá trình lan truyền sóng âm là hết sức cấp thiết. Từ đây càng thấy rõ việc nghiên cứu khả năng giám sát các yếu tố trên nhờ các phương pháp âm học trên cơ sở “soi chiếu” vùng kiểm soát bằng các tín hiệu âm là hết sức quan trọng! Những hiểu biết các đặc điểm truyền âm ở vùng thềm lục địa rất cần để giải bài toán thực tế liên quan đến việc phát hiện và xác định tọa độ mục tiêu di động phát ra nguồn âm dưới nước hoặc đánh giá tác động có hại của các loại nhiễu ồn lên các công trình hoặc động vật biển. Do vậy, việc phát hiện các mục tiêu lạ di động dưới nước tại các khu vực biển, đảo, các khu vực quân sự, các đặc khu kinh tế biển là hết sức quan trọng góp phần đảm bảo an toàn cho các khu vực này.
Do đó, nghiên cứu của chúng tôi hướng tới mục tiêu ứng dụng cảm biến thủy âm quang sợi sử dụng trong kỹ thuật SONAR. Vì vậy, chúng tôi sẽ giới thiệu sơ lược về kỹ thuật này.
SONAR là từ viết tắt SOund Navigation And Ranging là một công nghệ sử dụng sóng âm thanh để phát hiện và theo dõi vật thể dưới nước[5,6,7,8].
Sonar được chia làm hai loại là:
� SONAR thụ động (Passive SONAR)
SONAR tích cực có bộ chuyển đổi tín hiệu điện sang tín hiệu âm thanh, rồi sau đó bộ chuyển đổi phát ra tín hiệu sóng âm. Sóng âm truyền đi cho tới khi chúng đập vào vật thể và phản xạ lại theo các hướng khác nhau. Một vài sóng tín hiệu phản xạ trở về bộ thu của nó. Bộ thu về cơ bản là một microphone dưới nước được gọi là hydrophone.
SONAR thụ động chỉ nhận tín hiệu âm thanh dưới nước, không có bộ phận tạo tín hiệu âm thanh của chính nó, cho phạm vi dò tìm rộng. SONAR thụ động có nhiều yêu cầu nghiêm ngặt về độ nhạy của hydrophone và độ ồn của toàn bộ hệ thống.
Một SONAR thụ động sẽ thu tín hiệu âm từ tất cả các nguồn âm truyền đến nên không gây nhiễu như SONAR tích cực do vậy không bị phát hiện bởi bất kỳ thiết bị dò tìm nào. Các bộ lọc tần số và so sánh cơ sở dữ liệu sẽ tách và phân tích các tín hiệu âm thu được và xác định được mục tiêu khi nó khớp với cơ sở dữ liệu đã có. Các bộ SONAR thụ động thường có giá thành rẻ hơn các bộ SONAR tích cực và có thể triển khai hàng loạt dọc bờ biển
Cảm biến của chúng tôi là một bộ SONAR thụ động với mục tiêu phát hiện các tín hiệu âm dưới nước của các tàu ngầm, tàu nổi và các thiết bị di động dưới nước. Bởi vì khi các mục tiêu này chuyển động, chân vịt động cơ sẽ tạo ra một sóng âm lan truyền trong môi trường nước. Đây là tín hiệu liên tục nên chúng ta có thể phát hiện được sự có mặt của mục tiêu trong phạm vi hoạt động của cảm biến và trong dải tần
cho phép
Chúng ta thấy rằng phổ tần số của mục tiêu nằm trong dải tần thấp nên cảm biến của chúng tôi có thể được cải tiến để thu được tín hiệu từ mục tiêu trong phạm vi hoạt động.
Một số ứng dụng của cảm biến có thể được áp dụng như sau Hình 3.32: Phổ đáp ứng độ nhạy âm của tàu
Hình 3.33: Mô hình triển khai ứng dụng của cảm biến âm quang sợi
Tại các căn cứ quân sự, các công trình cảng biển quan trọng, chúng ta có thể đặt các cảm biến âm quang sợi loại này. Khi một mục tiêu di động và phát ra âm thanh dưới nước như một tàu ngầm quân sự đi vào vùng hoạt động của cảm biến quang sợi, âm thanh phát ra từ mục tiêu này sẽ được cảm biến thu lại. Qua phân tích phổ tương tự như cách chúng tôi làm ở trên khi sử dụng phần mềm phân tích phổ WaveSurfer 1.8.8p3 chúng ta có thể xác định phổ tần số trong cả dải thu để tham chiếu với dải tần số thực tế của tàu ngầm đã thu được qua khảo sát. Chúng ta có thể phát hiện được mục tiêu đã xâm nhập vùng giới hạn. Nếu chúng ta có một hệ các cảm biến được bố trí tại các vị trí khác nhau, dựa vào cường độ của tín hiệu thu được trên các cảm biến riêng lẻ, chúng ta có thể tính toán được chính xác vị trí của mục tiêu.
Tuy nhiên tín hiệu thu được này cũng có rất nhiều nhiễu tác động và bị ảnh hưởng của vận tốc truyền âm trong môi trường thay đổi. Đặc trưng này lại phụ thuộc chủ yếu vào cấu trúc 3 chiều các trường nhiệt độ, độ muối và áp suất được thể hiện qua lớp xáo trộn, nêm nhiệt mùa, nêm nhiệt cố định và các đới front.
Độ chính xác trong đánh giá và dự báo các trường âm học biển là yếu tố quyết định cho khả năng khai thác và ứng dụng thiết bị cho mục đích dân sự và quân sự. Để làm được điều này cần sự hợp tác của các đơn vị nghiên cứu chuyên sâu về thủy âm để có một phổ âm học biển cơ bản cho các vùng.
Kết luận
Trong khuôn khổ của luận văn cao học chúng tôi đã nghiên cứu chế tạo và khảo sát một số cảm biến thủy âm quang sợi trên cơ sở hiệu ứng giao thoa bằng cách lần lượt thay đổi đường kính ống cảm biến và chất liệu làm ống cảm biến. Sau đây là tóm tắt các kết quả chính của cảm biến thủy âm quang sợi đã nghiên cứu:
1. Chế tạo và khảo sát độ nhạy của ống cảm biến với các vật liệu khác nhau:
� Ống sứ
� Ống nhôm mỏng
� Ống nhựa PVC
Trong luận văn này chúng tôi đã nghiên cứu các đặc tính của vật liệu như đường kính ống, vật liệu làm ống nhằm mục đích tìm ra đường kính và vật liệu phù hợp để có đáp ứng tần số thích hợp. Nghiên cứu của chúng tôi về vật liệu nhạy âm đã đạt được một số kết quả cụ thể như sau:
� Chế tạo được các cảm ứng với các vật liệu ống cảm biến khác nhau và thu được hiệu ứng tốt.
� Khảo sát được đáp ứng của các bộ cảm biến tại các tần số khác nhau trên cạn cũng như dưới nước.
� Khảo sát được sự phụ thuộc của cường độ tín hiệu thu được theo cường độ âm.
� Định hướng ứng dụng và phát triển cảm biến.
Khi tiến hành khảo sát 3 vật liệu khác nhau là ống cảm biến được làm bằng polimer (ống nhựa PVC), ống cảm biến được làm bằng sứ chịu nhiệt, ống cảm biến được làm từ kim loại chúng tôi thấy rằng các vật liệu được khảo sát có độ nhạy khác nhau trong đó ống cảm biến được làm bằng polimer có độ nhạy cao nhất, bền với các tác động môi trường nên ống cảm biến này có thể phù hợp cho việc nghiên cứu ở những vùng biển Việt Nam. Hai ống còn lại là ống làm bằng sứ chịu nhiệt và ống nhôm có độ nhạy kém hơn nên không cần khảo sát chi tiết.
2. Kết quả nghiên cứu của luận văn đã thu được đáp ứng tần số của cảm biến âm sử dụng ống polymer có độ nhạy cao trong dải tần 0.15-8 kHz. Dải tần này tương đối phù hợp để phát hiện các tàu ngầm, tàu nổi và các thiết bị di động phát ra âm thanh dưới nước.
3. Khảo sát cũng cho thấy cường độ tín hiệu thu được tỉ lệ với cường độ âm và tỉ lệ với bình phương khoảng cách từ nguồn âm đến cảm biến. Khảo sát này tạo cơ sở cho việc phát triển hệ thống thu tín hiệu và phát hiện vị trí mục tiêu.
Các kết quả nghiên cứu trong khuôn khổ luận văn là mới ở Việt Nam, có khả năng phát triển thành thiết bị phát hiện các nguồn phát thủy âm phục vụ an ninh, quốc phòng và phối hợp với các thiết bị khác có thể xác định vị trí của các nguồn thủy âm phát ra từ tàu nổi hoặc tàu ngầm như các nước khác đã phát triển
Do thời gian làm luận văn không dài và trình độ của bản thân còn hạn hẹp nên chắc chắn vẫn còn rất nhiều thiếu sót và hạn chế, kính mong các thầy cô, các bạn đóng góp và chỉ bảo thêm để tôi có thể hoàn thiện tốt hơn.
Tài liệu tham khảo
Tiếng Việt:
[1] PGS TS Phạm Văn Hội, “ Giáo trình Quang-Điện tử & Thông tin quang”, Trường ĐH Công nghệ, ĐH Quốc gia Hà Nội.
[2] Nguyễn Việt Hà, “ Cơ sở âm học kiến trúc”, Trường ĐH Kiến trúc Hà Nội.
Tiếng Anh:
[3] Bahareh Gholamzadeh, and Hooman Nabovati,” Fiber optic sensors”, World Academy of Science, Engineering and Technology, 42, 2008.
[4] Fiber-optic acoustic sensors (FOAS). Northrop Grumman, J.H.Cole, C. Kirkendall, A. Dandridge, G. Cogdell, T.G. Giallorenzi. Twenty-five years of interferometric fiber optic acoustic sensors at the naval research laboratory. Washington Academy of Sciences, Fall 2004.
[5] “Low cost fiber optic velocity sensor for sonar applications”. US patent No. US 7675627 B2, March 9, 2010.
[6] M. Yu and B. Balachandran, “Acoustic measurements using a fiber optic sensor system”, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 14(7), pp. 409- 414, 2003.
[7] Ian C.M. Litter, Jong H. Chow, Daniel A.Shaddock, David E. McClelland & Malcolm B. Gray, “Multiplexed fiber optic acoustic sensors in a 120 km loop using RF modulation”, SPIE Newsroom, Sep. 2007, doi: 10.1117/12.733330
[8] Stefania Campropiano, Antonello Cutolo et al. “Underwater acoustic sensors based on fiber Bragg grating” Sensors, 2009,9, 4446-4454.
A watermark is added at the end of each output PDF file.
To remove the watermark, you need to purchase the software from