Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng mảng cảm biến thu tín hiệu thủy âm trong vùng biển nông" do nghiên cứu sinh Phan Hồng Minh thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Phan Trọng Hanh và PGS. TS. Vũ Văn Binh, bảo vệ tại Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự - Bộ Quốc phòng vào năm 2020. Công trình thuộc chuyên ngành Kỹ thuật điện tử, mã số đào tạo 9 52 02 03.

Tính cấp thiết của đề tài

Vùng biển Việt Nam có vị trí quan trọng đối với an ninh quốc phòng, phát triển kinh tế xã hội và bảo vệ chủ quyền lãnh hải. Phần lớn các vùng biển gần bờ của Việt Nam có đặc tính của vùng biển nông (điển hình như vùng Vịnh Bắc Bộ có độ sâu khoảng 40 – 50 m, vùng Vịnh Thái Lan có độ sâu khoảng 50 – 60 m). Trong môi trường biển nông, sự truyền lan của sóng âm bị giới hạn bởi mặt biển và đáy biển, gây ra hiệu ứng phản xạ đa đường (multipath) nghiêm trọng: tín hiệu âm thanh phản xạ nhiều lần trước khi tới bộ thu, dẫn đến hiện tượng méo dạng, giao thoa và suy giảm chất lượng tín hiệu. Bên cạnh đó, mức tạp âm môi trường từ các hoạt động tự nhiên và nhân tạo tại vùng biển nông tương đối cao.

Các hệ thống trinh sát, cảnh giới, quan trắc và phòng thủ bờ biển nhằm phát hiện tàu ngầm, tàu nổi và các mục tiêu ngầm dưới nước là bí mật quân sự của các quốc gia, không được công bố hay chuyển giao công nghệ. Do đó, việc nghiên cứu các giải pháp khoa học nhằm nâng cao tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR), tăng độ lợi mảng và xử lý tín hiệu thu từ mảng cảm biến thủy âm là yêu cầu cấp thiết phục vụ nhiệm vụ quốc phòng và phát triển khoa học công nghệ biển.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định ba mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Nghiên cứu giải pháp tùy biến cấu hình hình học của mảng cảm biến nhằm tăng độ lợi của mảng trên các hướng quan tâm;
  2. Nghiên cứu giải pháp khử ảnh hưởng đa đường bằng kỹ thuật giải tích chập mù (Blind Deconvolution);
  3. Nghiên cứu giải pháp phân tích tín hiệu thu được thành các thành phần độc lập (ICA) ứng với các mục tiêu khác nhau, từ đó nâng cao chất lượng phát hiện và định vị mục tiêu của hệ thống sonar thụ động.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Cấu trúc và phương pháp xử lý tín hiệu mảng cảm biến thủy âm trong các tổ hợp khí tài sonar thụ động gắn cố định trên tàu hoặc các hệ sonar phát hiện, định vị mục tiêu dạng phao thủy âm thụ động hoạt động trong vùng biển nông.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Đặc tính của vùng biển nông và ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường đến tín hiệu thu của hệ thống định vị thủy âm thụ động;
    • Lựa chọn mô hình cấu trúc mảng kết hợp với kỹ thuật tạo búp sóng tùy biến thích nghi để tăng độ lợi mảng cảm biến;
    • Giải pháp xử lý tín hiệu nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của truyền lan đa đường và tạp âm môi trường, nâng cao tỷ số SNR và chất lượng định vị nguồn âm.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng hợp và phân tích các công trình nghiên cứu liên quan trong nước và quốc tế theo các nhóm hướng nghiên cứu chính:

Tình hình nghiên cứu trong nước

Các cơ sở nghiên cứu trong nước như Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Viện Kỹ thuật Hải quân, Đại học Bách Khoa Hà Nội, Đại học Khoa học Tự nhiên (ĐHQGHN)... đã triển khai nhiều hướng nghiên cứu về thủy âm:

  • Hướng thuật toán xử lý tín hiệu sonar thụ động:
    • Trần Phú Ninh (2018), Nghiên cứu xử lý tín hiệu sonar thụ động để nâng cao chất lượng phát hiện mục tiêu ngầm trong điều kiện thủy văn phức tạp, Học viện Kỹ thuật Quân sự: Nghiên cứu thuật toán xử lý trường phối hợp thích nghi (MFP), kỹ thuật tải đường chéo (DL), đáp ứng không méo với phương sai cực tiểu (MVDR) và đề xuất thuật toán tải đường chéo cải tiến (IDL) với điều kiện $\text{SNR} \ge -6\text{ dB}$ và số lượng hydrophone tối thiểu là 6.
    • Nguyễn Xuân Long (2017), Nghiên cứu thuật toán xử lý trường phối hợp thích nghi cho sonar thụ động định vị mục tiêu ngầm trong vùng biển nước nông Việt Nam, Viện KH-CN Quân sự: Đề xuất thuật toán CCABB-MFP cho nguồn âm dải rộng, mức thấp với 1 đến 2 cảm biến khi $\text{SNR} < -3\text{ dB}$.
    • Bùi Trường Giang (2014) và Nguyễn Ngọc Đông (2018): Nghiên cứu thuật toán MFP thích nghi theo chế độ định phương vị và giải pháp tích lũy các thành phần phổ hợp tác của tín hiệu tại Liên bang Nga.
  • Hướng mô hình hóa kênh thủy âm:
    • Đỗ Việt Hà (2017), Mô hình đặc tính kênh truyền cho thông tin thủy âm vùng nước nông, Đại học Bách Khoa Hà Nội: Xây dựng bộ mô phỏng kênh thủy âm, phân tích hiệu ứng Doppler, nhiễu ICI, tỷ số SIR, SINR và dung lượng kênh.
    • Lê Minh Ngọc (2015), Nghiên cứu giải pháp đảm bảo khả năng làm việc ổn định của kênh liên lạc thủy âm, Viện KH-CN Quân sự: Sử dụng anten mảng nhiều phần tử cảm biến để tăng cường cự ly và tỷ số SNR.
  • Hướng nâng cao chất lượng mảng cảm biến và mạng phao thủy âm:
    • Lưu Tuấn Sinh (2007), Nghiên cứu nâng cao chất lượng xử lý phát hiện mục tiêu cho mạng thu định vị bằng phao thuỷ âm, Học viện Kỹ thuật Quân sự: Xây dựng mô hình đặc trưng thống kê của tạp âm, đề xuất bộ lọc thích nghi kết hợp thuật toán CA-CFAR.

Tình hình nghiên cứu quốc tế

  • Kỹ thuật tạo búp sóng và thích nghi: Các thuật toán kinh điển và hiện đại như thuật toán Frost (1972) điều chỉnh trọng số mảng để giảm tạp âm đầu ra; thuật toán Griffiths (1969); các kỹ thuật MVDR, LCMV; thuật toán tối ưu hóa lồi; kỹ thuật nén búp sóng phụ; tối ưu mặt mở để tính chỉ số định hướng (DI); thuật toán định vị Hyperbolic dựa trên chênh lệch thời gian đến (TDOA).
  • Phân tích thành phần độc lập (ICA): Các nghiên cứu của Aapo Hyvärinen, Erkki Oja với thuật toán Fast-ICA phục vụ phân tách các nguồn âm độc lập, được nghiên cứu ứng dụng bởi Hải quân Brazil.
  • Giải tích chập mù (Blind Deconvolution - BD/MBD): Các nghiên cứu tiêu biểu của nhóm GS. David R. Dowling và cộng sự:
    • Kỹ thuật đảo thời gian nhân tạo (ATR) trong ống dẫn sóng đại dương (dải tần 258 Hz - 500 Hz, tương quan tái tạo 80 - 95% với nguồn đơn);
    • Kỹ thuật đồng bộ đảo thời gian (STR) của Shima Hossein Abadi (dải tần 1.5 kHz - 4 kHz);
    • Kỹ thuật giải tích chập mù dựa trên tia âm đại dương (Ray-based BD) tách nguồn âm trong dải 3 kHz - 4 kHz ở khoảng cách 4 km với độ sâu 120 m.

Khoảng trống nghiên cứu luận án giải quyết

Các công trình đã công bố thường giải quyết riêng rẽ bài toán cấu trúc mảng hoặc bài toán xử lý tín hiệu với các giả định môi trường đơn lẻ. Chưa có công trình chuyên sâu nào kết hợp đồng thời việc thay đổi cấu trúc hình học mảng (tùy biến kích hoạt cảm biến) với việc xử lý tín hiệu phức hợp (kết hợp phân tích thành phần độc lập ICA và giải tích chập mù đa kênh MBD bằng mạng nơ-ron truyền thẳng) để xử lý tín hiệu đa đường và định vị nhiều mục tiêu trong điều kiện biển nông.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và mô hình toán học

  1. Định nghĩa vùng biển nông: Vùng biển có độ sâu $H < 200\text{ m}$, hoặc vùng biển thỏa mãn điều kiện lan truyền âm thanh theo cự ly $r$: $$r \ge \frac{2H^2}{\lambda}$$ Trong đó $H$ là độ sâu cột nước, $\lambda$ là bước sóng âm thanh.

  2. Mô hình tín hiệu không gian - thời gian của mảng cảm biến:

  • Trường áp suất âm $z(\mathbf{r}, t)$ tại đầu vào cảm biến là tích chập của nguồn âm $y(\mathbf{r}, t)$ và đáp ứng môi trường $\Psi(\mathbf{r}, t)$: $$z(\mathbf{r}, t) = y(\mathbf{r}, t) \otimes \Psi(\mathbf{r}, t)$$
  • Tín hiệu đầu ra của cảm biến $x(\mathbf{r}, t)$ là tích chập của $z(\mathbf{r}, t)$ với đáp ứng mảng cảm biến $h(\mathbf{r}, t)$: $$x(\mathbf{r}, t) = z(\mathbf{r}, t) \otimes h(\mathbf{r}, t)$$
  • Khi không có hiệu ứng đa đường (truyền thẳng), quan hệ giữa tín hiệu thu $\mathbf{x}$ và nguồn $\mathbf{s}$ qua ma trận kênh $\mathbf{A}$: $$\mathbf{x} = \mathbf{A}\mathbf{s}$$
  • Khi có hiệu ứng phản xạ đa đường (với $M$ đường truyền, $N$ nguồn âm và $P$ hydrophone), tín hiệu tại đầu ra của hydrophone thứ $j$ là: $$x_j(t) = \sum_{i=1}^{N} \sum_{k=0}^{M-1} a_{ijk} s_i(t - \tau_{ik})$$ Trong đó $a_{ijk}$ là hệ số suy giảm, $\tau_{ik}$ là độ trễ của tia thứ $k$ từ nguồn thứ $i$.
  1. Véc tơ đa tạp và tạo búp sóng:
  • Véc tơ đa tạp của mảng $N$ phần tử: $$\mathbf{v}_k(\mathbf{k}) = \left[ e^{-j\mathbf{k}^T\mathbf{p}_0}, e^{-j\mathbf{k}^T\mathbf{p}1}, \dots, e^{-j\mathbf{k}^T\mathbf{p}{N-1}} \right]^T$$
  • Tín hiệu đầu ra sau khi tạo búp sóng với véc tơ trọng số $\mathbf{w}$: $$y(t, \mathbf{k}) = \mathbf{w}^H \mathbf{v}_k(\mathbf{k}) e^{j\omega t}$$
  • Búp sóng mảng: $$\Upsilon(\omega, k_z) = \mathbf{w}^H \mathbf{v}_k(\mathbf{k})$$
  1. Lý thuyết sai số định vị thủy âm:
  • Phương sai sai số đo cự ly tổng quát: $$\sigma_p^2(D) = \sigma_{đt}^2(D) + \sigma_{mt}^2(D) + \sigma_{tn}^2(D) + \sum_{i} \sigma_i^2(D)$$ Trong đó $\sigma_{đt}(D)$ là sai số điều kiện truyền sóng, $\sigma_{mt}(D)$ là sai số do thăng giáng mức âm, $\sigma_i(D)$ là sai số dụng cụ, và $\sigma_{tn}(D)$ là sai số tiềm năng (sai số giới hạn lý thuyết): $$\sigma_{tn}(D) = \frac{c}{2 \Delta f_{mt} \sqrt{\frac{2E_c}{N_0}}}$$ Với $c$ là vận tốc truyền âm (xác định theo công thức Del-Gross và hiệu chỉnh áp suất $\Delta c_p = 0.0175p$), $\Delta f_{mt}$ là băng thông máy thu, $E_c/N_0$ là tỷ số SNR.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích lý thuyết: Xây dựng mô hình toán học cho trường âm, kênh truyền sóng đa đường vùng biển nông, cấu trúc mảng cảm biến, giải thuật tạo búp sóng thích nghi Frost, kỹ thuật tách nguồn mù ICA và giải tích chập mù đa kênh.
  • Phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm: Sử dụng phần mềm Matlab và Simulink để mô phỏng hình học mảng, giản đồ búp sóng (2D, 3D), đáp ứng xung kênh âm đa đường (5 tia, 10 tia), thuật toán Fast-ICA và mạng nơ-ron truyền thẳng (FFNNs/FFNWs); kiểm chứng kết quả trên thiết bị phòng thí nghiệm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mảng cảm biến thủy âm và vấn đề nâng cao chất lượng mảng ở vùng biển nông

Chương 1 trình bày tổng quan về hệ thống sonar thủy âm thụ động, cấu trúc mảng cảm biến và các đặc trưng truyền lan sóng âm trong môi trường biển nông.

+---------------------+     +----------------------+     +--------------------+     +--------------------+
| Không gian quan sát | --> | Mảng cảm biến        | --> | Xử lý cấp 1        | --> | Xử lý cấp 2        |
| (Kênh âm biển nông, |     | (Thu áp suất âm,     |     | (Đo lường, định vị |     | (Chỉ thị, giám sát,|
|  đa đường, tạp âm)  |     |  tạo búp sóng mảng)  |     |  phân loại nguồn)  |     |  hợp nhất dữ liệu) |
+---------------------+     +----------------------+     +--------------------+     +--------------------+
  • Mô hình hệ thống: Phân tích 4 khâu chức năng của sonar thụ động cố định gồm: Khối không gian quan sát (giới hạn bởi mặt và đáy biển), Khối mảng cảm biến thủy âm ($N$ phần tử hydrophone), Khối xử lý cấp 1 (xử lý tín hiệu, đo lường tham số, định vị và nhận dạng), và Khối xử lý cấp 2 (chỉ thị, giám sát, hợp nhất thông tin).
  • Phân tích các tham số của hệ thống sonar:
    • Tham số thiết bị: Mức công suất phát ($SL$), mức tạp âm nội bộ ($NL$), chỉ số định hướng thu ($DI$), ngưỡng phát hiện ($DT$).
    • Tham số môi trường: Suy hao truyền dẫn ($TL/PL$), mức tạp âm môi trường ($A\text{-}NL$).
    • Quan hệ ma trận hệ thống: $[M][S][X]^T = [Y]^T$, trong đó $[M]$ là ma trận tham số môi trường, $[S]$ là ma trận tham số hình học của mảng, $[X]$ là tập tham số chưa biết và $[Y]$ là tập tham số đã biết.
  • Mô phỏng hiệu ứng đa đường: Luận án khảo sát thực nghiệm của Lurton (độ sâu 90 m, cự ly 1000 m, độ sâu nguồn phát 15 m, độ sâu bộ thu 83 m) cho thấy nhóm 4 tia đầu phân biệt rõ sau 4 ms, nhóm thứ hai tới sau 20 ms bị giao thoa mạnh. Luận án mô phỏng kênh âm 5 tia ở độ sâu 100 m, phát xung độ rộng 13.2 ms; kết quả cho thấy tín hiệu thu bị chồng lấn và méo dạng nghiêm trọng do phản xạ đáy và bề mặt.
  • Định hướng nghiên cứu của chương: Đặt vấn đề kết hợp tối ưu cấu trúc hình học mảng, tạo búp sóng tùy biến và xử lý tín hiệu số (DSP) bằng mô hình phức hợp kết hợp ICA và MBD.

Chương 2: Giải pháp nâng cao chất lượng tín hiệu trên cơ sở tạo búp sóng mảng tùy biến

Chương 2 tập trung nghiên cứu cơ sở lý thuyết tạo búp sóng, khảo sát các dạng hình học mảng và đề xuất kỹ thuật tạo búp sóng tùy biến thích nghi cho mảng phẳng.

Kỹ thuật tạo búp sóng thông thường Băng thông Miền xử lý
Phase Shift Beamformer (Tạo búp sóng dịch pha) Băng hẹp Miền thời gian
Time Delay Beamformer (Tạo búp sóng trễ thời gian) Băng rộng Miền thời gian
Subband Phase Shift Beamformer (Tạo búp sóng dịch pha băng phụ) Băng rộng Miền tần số
  • Khảo sát đặc tính bức xạ của các dạng mảng:
    • Mảng thẳng cách đều (ULA): Thiết lập hàm đáp ứng tạo búp sóng $\Upsilon(\psi) = \frac{1}{N} \frac{\sin(N\psi/2)}{\sin(\psi/2)}$ với $\psi = \frac{2\pi}{\lambda} d \cos\theta$. Phân tích độ rộng búp sóng chính $BWNN$ (Beamwidth Null to Null) và độ rộng nửa công suất $HPBW$.
    • Các cấu trúc mảng khác: Khảo sát giản đồ búp sóng 2D và 3D của mảng tròn, mảng phẳng ($5 \times 5$, $5 \times 7$, $4 \times 6$), mảng hình thang, mảng trụ tròn ($5 \times 10$) và mảng cầu 42 phần tử tại các góc quay khác nhau ($0^\circ, 30^\circ, 45^\circ$).
  • Tạo búp sóng thích nghi: Ứng dụng thuật toán Frost và thuật toán Griffiths để tự động điều chỉnh véc tơ trọng số $\mathbf{w}$, duy trì đáp ứng tần số theo hướng tín hiệu mong muốn và cực tiểu hóa công suất tạp âm tại các hướng khác.
  • Giải pháp tạo búp sóng mảng phẳng tùy biến:
    • Đề xuất phương pháp thay đổi cấu trúc hình học mảng thông qua việc điều khiển bật/tắt (kích hoạt hoặc không kích hoạt) các phần tử hydrophone trong mảng phẳng;
    • Kết hợp xoay hướng búp sóng chính hướng về phía tia sóng trực tiếp của nguồn âm nhằm triệt tiêu các thành phần phản xạ từ mặt biển và đáy biển;
    • Đánh giá hiệu quả: Mô phỏng so sánh giữa mảng thẳng ULA và mảng phẳng tùy biến cho thấy mảng tùy biến triệt giảm đáng kể mức búp sóng phụ, nâng cao độ lợi $G_A$ và tỷ số tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu (SINR) khi tín hiệu đến từ các góc khác nhau (như góc $S_1[-30^\circ, 0^\circ]$).

Chương 3: Giải pháp xử lý tín hiệu mảng cảm biến thủy âm trong vùng biển nông

Chương 3 đề xuất và hiện thực hóa giải pháp xử lý tín hiệu phức hợp kết hợp giữa giải thuật phân tích thành phần độc lập (ICA) và giải tích chập mù đa kênh (MBD) sử dụng mạng nơ-ron truyền thẳng.

                    +-------------------------------------------------------+
                    | Tín hiệu thu từ Mảng cảm biến tùy biến                |
                    +-------------------------------------------------------+
                                               |
                                               v
                    +-------------------------------------------------------+
                    | Tiền xử lý: Phân tích thành phần độc lập (Fast-ICA)   |
                    | (Phân tách hỗn hợp âm thành các nguồn âm độc lập,    |
                    |  xác định TDOA và định vị đa mục tiêu)               |
                    +-------------------------------------------------------+
                                               |
                                               v
                    +-------------------------------------------------------+
                    | Giải tích chập mù đa kênh (MBD) bằng Mạng nơ-ron     |
                    | truyền thẳng (FFNNs / FFNWs)                         |
                    | (Khử méo đa đường 10 tia, khôi phục dạng sóng gốc)   |
                    +-------------------------------------------------------+
                                               |
                                               v
                    +-------------------------------------------------------+
                    | Tín hiệu tái tạo chất lượng cao (Tăng SNR & Độ lợi)   |
                    +-------------------------------------------------------+
  • Phân tích các thành phần độc lập (ICA) với mảng tùy biến:
    • Ứng dụng giải thuật Fast-ICA để giải bài toán tách nguồn mù (Blind Source Separation - BSS), chuyển ma trận tín hiệu hỗn hợp thu được $\mathbf{x}$ tại các hydrophone thành các nguồn âm riêng biệt $\mathbf{s}$;
    • Ứng dụng ma trận làm trắng và tối ưu hóa phi tuyến để tách các mục tiêu độc lập;
    • Sử dụng hiệu thời gian sóng đến (TDOA) giữa các cụm hydrophone sau khi tách nguồn ICA để tính toán tọa độ và định vị đồng thời nhiều mục tiêu (Mục tiêu 1, Mục tiêu 2, Mục tiêu 3).
  • Giải tích chập mù đa kênh (MBD) sử dụng mạng nơ-ron truyền thẳng (FFNNs):
    • Xây dựng mô hình SIMO (Single Input Multi Output) cho kênh truyền thủy âm đa đường với mô phỏng 10 tia âm;
    • Ứng dụng cấu trúc mạng nơ-ron lan truyền tiến (Feed-Forward Neural Networks - FFNNs/FFNWs) để học và đảo ngược đáp ứng xung của kênh âm;
    • Huấn luyện mạng FFNNs bằng các mẫu tín hiệu huấn luyện để khử ảnh hưởng của các tia phản xạ, tái tạo lại xung phát ban đầu cả trên miền thời gian và miền tần số.
  • Đánh giá hiệu quả giải pháp phức hợp:
    • Đánh giá thông qua các bảng tính toán định vị và độ lợi: Bảng 3.1 (Vị trí các cụm hydrophone), Bảng 3.2, 3.3, 3.4 (Tính toán định vị mục tiêu 1, 2, 3), và Bảng 3.5 (Tính toán tỷ số SNR để xác định độ lợi sau xử lý ICA);
    • Kết quả chứng minh giải pháp phức hợp kết hợp ICA và FFNNs giúp khôi phục dạng tín hiệu gốc với độ chính xác cao, tăng tỷ số SNR và nâng cao độ lợi xử lý của mảng cảm biến thủy âm trong điều kiện biển nông.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Giải pháp tạo búp sóng mảng tùy biến: Đề xuất phương pháp thay đổi linh hoạt cấu trúc hình học mảng cảm biến (thông qua kích hoạt chọn lọc phần tử) kết hợp điều khiển hướng búp sóng chính theo hướng tia tới trực tiếp. Giải pháp này giúp mảng cảm biến thích nghi với môi trường truyền sóng phức tạp, giảm độ nhạy với các tia phản xạ đa đường từ đáy và mặt biển, từ đó cải thiện độ lợi mảng ($G_A$).
  2. Giải pháp xử lý tín hiệu thủy âm phức hợp: Xây dựng thành công mô hình kết hợp giữa kỹ thuật phân tích các thành phần độc lập (Fast-ICA) và giải tích chập mù đa kênh (MBD) sử dụng mạng nơ-ron truyền thẳng (FFNNs). Mô hình cho phép phân tách đồng thời nhiều nguồn âm độc lập, khử méo do truyền lan đa đường và khôi phục dạng sóng ban đầu mà không cần biết trước chính xác hàm truyền đạt của kênh âm.

Đóng góp về mặt thực tiễn

  • Đưa ra các mô hình tính toán, mô phỏng phù hợp với các thông số thực tế của vùng biển nông Việt Nam (độ sâu từ 40 m đến 60 m, có mức tạp âm cao và phân tầng vận tốc âm thanh đặc thù).
  • Cung cấp cơ sở khoa học và thuật toán kỹ thuật số phục vụ việc thiết kế, tích hợp các bộ xử lý tín hiệu mảng cho hệ thống sonar thụ động đặt trên tàu hải quân hoặc các hệ thống cảnh giới bờ biển dạng phao thủy âm phục vụ nhiệm vụ quốc phòng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Các kết quả đánh giá chất lượng mảng và thuật toán xử lý tín hiệu trong luận án chủ yếu được thực hiện thông qua mô hình hóa toán học, phần mềm mô phỏng (Matlab, Simulink) và các thử nghiệm kiểm chứng trong môi trường phòng thí nghiệm.
  • Dữ liệu thử nghiệm kênh âm đa đường chưa bao quát hết mọi biến động thủy văn phức tạp theo mùa, hiện tượng sóng nội và sự thay đổi độ mặn bất thường trên các vùng biển thực tế dài ngày.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Triển khai thử nghiệm thuật toán trên phần cứng xử lý số tín hiệu chuyên dụng (DSP/FPGA) để đánh giá độ trễ và khả năng đáp ứng thời gian thực trong các hệ thống sonar thực tế.
  • Mở rộng nghiên cứu áp dụng kỹ thuật mảng tùy biến và giải tích chập mù cho các cấu hình mảng 3 chiều (mảng trụ, mảng cầu) khi theo dõi các mục tiêu di động có vận tốc lớn trong không gian 3 chiều dưới nước.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu trong các lĩnh vực:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật điện tử, Kỹ thuật viễn thông, Xử lý tín hiệu số, Kỹ thuật thủy âm và Kỹ thuật điều khiển tại các trường đại học và viện nghiên cứu. Các nội dung về lý thuyết mảng cảm biến, véc tơ đa tạp và giải thuật thích nghi Frost ở Chương 2 có giá trị học thuật cao.
  • Kỹ sư và cán bộ nghiên cứu quốc phòng: Các viện nghiên cứu thuộc Bộ Quốc phòng, Quân chủng Hải quân đang phát triển các hệ thống sonar thụ động, phao trinh sát thủy âm và các tổ hợp bảo vệ căn cứ ven biển. Chương 3 cung cấp quy trình xử lý tín hiệu chi tiết từ phân tách nguồn ICA đến giải tích chập mù bằng mạng nơ-ron.

Câu hỏi thường gặp

1. Vùng biển nông được xác định như thế nào trong luận án và gây ra những khó khăn gì cho hệ thống sonar?

Trong luận án, vùng biển nông được định nghĩa theo quy ước hải dương học là vùng biển có độ sâu nhỏ hơn 200 m, hoặc thỏa mãn điều kiện $r \ge 2H^2 / \lambda$ (khoảng cách lan truyền lớn hơn nhiều lần so với độ sâu). Vùng biển gần bờ Việt Nam như Vịnh Bắc Bộ (40 – 50 m) và Vịnh Thái Lan (50 – 60 m) mang đặc trưng này. Khó khăn chính gồm: hiện tượng phản xạ đa đường từ đáy và mặt biển làm méo dạng tín hiệu xung, mức tạp âm môi trường và nhiễu nhân tạo cao, cùng sự biến đổi nhanh của nhiệt độ và độ mặn.

2. Cấu trúc hệ thống sonar thủy âm thụ động cố định trong Chương 1 gồm những khâu nào?

Hệ thống sonar thụ động cố định gồm 4 khâu chức năng:

  1. Không gian quan sát: Vùng nước biển giới hạn bởi mặt và đáy biển chứa nguồn âm và tạp âm;
  2. Mảng cảm biến thủy âm: Tập hợp các hydrophone thu tín hiệu áp suất âm;
  3. Khối xử lý cấp 1: Xử lý tín hiệu số, phát hiện, đo lường tham số, định vị và phân loại nguồn âm;
  4. Khối xử lý cấp 2: Chỉ thị, giám sát, quản lý, lưu trữ và hợp nhất thông tin định vị.

3. Nguyên lý của giải pháp tạo búp sóng mảng phẳng tùy biến trong Chương 2 là gì?

Giải pháp tạo búp sóng mảng phẳng tùy biến hoạt động dựa trên hai nguyên lý kết hợp:

  • Tùy biến cấu trúc hình học mảng bằng cách điều khiển kích hoạt hoặc không kích hoạt các phần tử cảm biến trong mảng phẳng để tối ưu hóa véc tơ đa tạp;
  • Sử dụng thuật toán tạo búp sóng thích nghi (Frost, Griffiths) để hướng búp sóng chính về phía tia sóng trực tiếp và tạo các điểm cực tiểu (null) tại các hướng của tia phản xạ và nguồn nhiễu, giúp triệt giảm tạp âm và tăng độ lợi mảng.

4. Vai trò của kỹ thuật ICA và mạng nơ-ron FFNNs trong Chương 3 là gì?

  • Kỹ thuật Fast-ICA: Thực hiện phân tách tín hiệu hỗn hợp thu được từ nhiều hydrophone thành các nguồn âm độc lập tương ứng với các mục tiêu khác nhau, phục vụ đo chênh lệch thời gian đến (TDOA) để định vị đa mục tiêu;
  • Mạng nơ-ron truyền thẳng (FFNNs): Đóng vai trò là bộ giải tích chập mù đa kênh (MBD), học và đảo ngược đáp ứng xung đa đường của kênh âm (mô phỏng 10 tia), qua đó khôi phục lại dạng sóng ban đầu của mục tiêu.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Phan Hồng Minh đã giải quyết vấn đề nâng cao chất lượng thu tín hiệu của mảng cảm biến thủy âm hoạt động trong môi trường biển nông nhiều tạp âm và phản xạ đa đường. Tác giả đã đề xuất giải pháp tạo búp sóng thích nghi trên mảng phẳng tùy biến kết hợp với quy trình xử lý tín hiệu phức hợp dựa trên kỹ thuật Fast-ICA và mạng nơ-ron truyền thẳng FFNNs để giải tích chập mù đa kênh. Các kết quả nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng thực nghiệm đã chứng minh khả năng tăng độ lợi mảng, cải thiện tỷ số SNR và nâng cao độ chính xác định vị mục tiêu dưới nước, đóng góp thiết thực cho lĩnh vực kỹ thuật điện tử và công nghệ thủy âm phục vụ an ninh quốc phòng.