phần mở đầu, phần nội dung trình bày thành 3 chƣơng; chƣơng 1 tổng quan và 2 chƣơng nội dung kết quả nghiên cứu chính và phần kết luận. Chƣơng 1 của luận án giới thiệu tổng quan về mảng cảm biến thủy âm, mô hình hệ sonar thủy âm thụ động và một số các tham số tác động vào độ chính xác phát hiện, định vị, các tham số ảnh hƣởng đến chất lƣợng mảng cảm biến. Nêu đặc trƣng của biển nông ảnh hƣởng đến truyền sóng âm nhƣ hiệu ứng đa đƣờng tác động vào mảng cảm biến, các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc liên quan đến hƣớng nghiên cứu; từ đó đề ra hƣớng nghiên cứu của luận án. Chƣơng 2 đề xuất cấu trúc hình học mảng cảm biến và giải pháp tạo búp sóng tùy biến.
Đƣa ra cơ sở toán học và mô hình của mảng, xử lý tín hiệu tạo búp sóng tùy biến kết hợp điều khiển quay búp sóng chính mảng cảm biến để nâng cao độ lợi của mảng, đây là cơ sở để tính toán mô phỏng thực nghiệm và đánh giá kết quả. Chƣơng 3 của luận án là một đề xuất giải pháp tổng thể mô hình xử lý tín hiệu thủy âm kết hợp phƣơng pháp phân tích các nguồn âm độc lập (ICA), xử lý thích nghi búp sóng mảng tùy biến và sử dụng mô hình mạng nơ ron để giải tích chập mù đa kênh ƣớc lƣợng khôi phục tái tạo lại tín hiệu ban đầu. luan an 5 1 CHƢƠNG 1: MẢNG CẢM BIẾN THỦY ÂM VÀ VẤN ĐỀ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG MẢNG Ở VÙNG BIỂN NÔNG 1.1 Tổng quan mảng cảm biến thủy âm Mô hình cơ bản của mảng cảm biến đƣợc thể hiện trong Hình 1.1, trong đó xử lý tín hiệu mảng đƣợc minh họa hai chiều (2D) liên quan đến phân tích phổ thời gian và không gian. Việc xử lý thời gian cung cấp các đặc tính phổ tần số đƣợc sử dụng để phát hiện phân loại mục tiêu, quá trình xử lý không gian cung cấp các thông tin về đặc tính định hƣớng (hƣớng, khoảng cách…) của một tín hiệu đƣợc phát hiện.
Do đó, xử lý không gian - thời gian là khái niệm xử lý cơ bản trong hệ thống sonar và siêu âm dƣới nƣớc [33].1 Mô hình mảng cảm biến Nguồn âm đƣợc quan tâm trong sonar và siêu âm là các ứng dụng băng hẹp và băng rộng thỏa mãn phƣơng trình truyền sóng trong [31],[37], hơn nữa các thuộc tính không gian thời gian của chúng có thể tách rời độc lập đƣợc. Bởi vậy việc đo trƣờng áp 𝑧 𝑟, 𝑡 đƣợc kích thích bởi các nguồn âm có thể xác định đáp ứng không gian thời gian 𝑥 𝑟, 𝑡. Véc tơ 𝑟 là vị trí tƣơng đối của cảm biến và nguồn âm, t là thời gian. Đáp ứng đầu ra 𝑥 𝑟, 𝑡 là tích chập của 𝑧 𝑟, 𝑡 và đáp ứng của mảng cảm biến 𝑟, 𝑡 .1) Trong đó 𝑧 𝑟, 𝑡 đƣợc định nghĩa là đầu vào của bộ thu và là tích chập của các thuộc tính nguồn âm 𝑦 𝑟, 𝑡 và đáp ứng của môi trƣờng dƣới nƣớc Ψ 𝑟, 𝑡 .2) Biến đổi Fourier phƣơng trình (1.3) Ở đây ω, 𝑘 là tần số và số sóng đến trong phổ không gian thời gian của phép biến đổi trong công thức (1.
Xử lý tín hiệu tạo búp sóng ở phía luan an 6 mảng thu có thể ƣớc lƣợng đƣợc góc quan sát của mảng (bearing) và khoảng cách đến nguồn âm. 𝑦 𝑟, 𝑡 Ψ 𝑟, 𝑡 Không gian Nguồn Môi trường 𝑧 𝑟, 𝑡 𝑥𝑁 𝑟, 𝑡 Sóng phẳng θ δ 𝑧 𝑟, 𝑡 = 𝑦 𝑟 , 𝑡 ⊗ Ψ 𝑟, 𝑡 𝑥𝑛 +1 𝑟, 𝑡 𝑥𝑛 𝑟, 𝑡 𝑥1 𝑟, 𝑡 Mảng cảm biến Thời gian Thời gian trễ của tín hiệu 𝜏=0 𝜏𝑛+1 𝜏𝑁 đến các cảm biến 𝜏𝑛 𝜃 = 𝑛 − 1 𝛿𝑐𝑜𝑠𝜃/𝑐 Hình 1.1: Mô hình thu tín hiệu không gian thời gian của mảng cảm biến. Xét một mảng đa chiều gồm nhiều cảm biến có khoảng cách đều nhau là δ. Đầu ra của bộ cảm biến thứ n là một chuỗi thời gian biểu thị bởi xn (ti), trong đó (i = 1, ., Ms) là các mẫu thời gian cho mỗi chuỗi thời gian cảm biến.
X* là véc tơ chuyển vị liên hợp phức của x, do đó là vector hàng của chuỗi tín hiệu thời gian cảm biến nhận đƣợc {xn (ti), n = 1, 2, ., N}, xn (ti) = sn(ti) + εn(ti), ở đây sn(ti) và εn(ti) là tín hiệu và các thành phần tạp nhiễu thu đƣợc theo thời gian của cảm biến. 𝑺 và 𝜺 là các véc tơ cột của tín hiệu và các thành phần tạp nhiễu của véc tơ 𝑿 của đầu ra cảm biến, (𝑥 = 𝑠 + 𝜀 ).4) 𝑖=1 luan an 7 là biến đổi Fourier của xn(ti) tại tín hiệu có tần số f, c = f.λ là tốc độ âm thanh trong nƣớc, λ là bƣớc sóng của tần số f. 𝑆 = 𝐸 𝑆, 𝑆 ∗ là không gian ma trận tƣơng quan của véc tơ tín hiệu 𝑆 có thành phần thứ n đƣợc biểu diễn bởi 𝑠𝑛 𝑡𝑖 = 𝑠𝑛 𝑡𝑖 + 𝜏𝑛 θ, ϕ (1.} là toán tử kỳ vọng và τn(θ, ϕ) là thời gian trễ giữa cảm biến thứ (n - 1) và thứ n của mạng với sóng đến có đặc trƣng hƣớng thể hiện bởi góc phƣơng vị θ và góc ngẩng ϕ nhƣ thể hiện ở Hình 1. Trong miền tần số, không gian ma trận tƣơng quan S của tín hiệu sóng âm sn(ti ) đƣợc định nghĩa bởi: 𝑺 𝑓𝑖 , θ, ϕ = 𝐴𝑠 𝑓𝑖 𝐷 𝑓𝑖 , θ, ϕ 𝐷∗ 𝑓𝑖 , θ, ϕ (1.6) ở đây As(fi) là mật độ phổ công suất của s(ti) cho tần số thứ i và 𝐷 𝑓, θ, ϕ là véc tơ quay của búp sóng chính (steering vector) với thành phần thứ n đƣợc định nghĩa bởi 𝑑𝑛 𝑓, θ, ϕ.
Ma trận 𝑺 𝑓𝑖 , θ, ϕ có phần tử ở hàng thứ n và cột ∗ thứ m là 𝑆𝑛𝑚 𝑓𝑖 , θ, ϕ = 𝐴𝑠 𝑓𝑖 𝑑𝑛 𝑓𝑖 , θ, ϕ 𝑑𝑚 𝑓𝑖 , θ, ϕ. Ngoài ra còn có thành phần của nhiễu thể hiện bởi R(fi ); là không gian ma trận tƣơng quan của nhiễu thu đƣợc theo thời gian từ cảm biến của thành phần tần số thứ i đƣợc biểu diễn bởi 𝑅𝑚𝑛 𝑓, 𝑑𝑛𝑚. 𝑅𝜀 𝑓𝑖 = 𝜎𝑛2 𝑓𝑖 𝑅𝜀 𝑓𝑖 với 𝜎𝑛2 𝑓𝑖 là mật độ phổ công suất của nhiễu εn(ti ).2 Mảng cảm biến và hệ thống sonar thủy âm thụ động Mô hình cấu trúc hệ thống: Hệ thống sonar định vị thủy âm dƣới biển là hệ thống thiết bị có chức năng xác định vị trí nguồn âm trong vùng không gian quan sát dƣới mặt nƣớc biển. Tùy theo ứng dụng và đặc tính khác nhau mà hệ thống có dạng: di động hoặc cố định.
Mô hình cấu trúc cơ bản của hệ thống sonar thủy âm thụ động cố định có N cảm biến có thể đƣợc mô tả theo diễn tiến của thông tin phát hiện nhận dạng nhƣ sau (Hình 1.2): luan an 8 Hình 1.2: Mô hình cấu trúc hệ thống sonar thủy âm thụ động. Theo đó, hệ thống có thể đƣợc khái quát gồm 4 khâu cơ bản, đó là: + Không gian quan sát: Khâu không gian quan sát trong trƣờng hợp này là vùng không gian nƣớc biển nằm trong miền quan sát đƣợc của hệ thống, đƣợc giới hạn bởi bề mặt biển và đáy biển – kênh truyền âm. Trong không gian quan sát có thể chứa các nguồn âm (cần định vị) và các nguồn nhiễu âm (do tự nhiên hoặc nhân tạo). Các dao động âm phát ra từ các loại nguồn âm này đƣợc truyền trong kênh truyền âm và đi tới các phần tử cảm biến.
+ Mảng cảm biến thủy âm: Nhƣ đã nói ở trên, mảng gồm N phần tử cảm biến có nhiệm vụ nhƣ những anten thu tín hiệu thủy âm và những nguồn tạp ồn khác trong môi trƣờng dƣới nƣớc ở không gian xung quanh cảm biến. Trong khuôn khổ của luận án này, các nghiên cứu tập trung vào giải pháp và các kỹ thuật nâng cao chất lƣợng mảng, nâng cao tỷ số SNR của tín hiệu thu, từ đó nâng cao khả năng phát hiện định vị mục tiêu. luan an 9 + Xử lý cấp 1: Khâu xử lý cấp 1 là khâu xử lý tín hiệu và thực hiện các bài toán định vị (phát hiện, đo lƣờng) và nhận dạng nguồn âm. Các véc tơ tín hiệu lấy từ mảng cảm biến thủy âm đƣợc sử dụng cho phép phát hiện và đo lƣờng các tham số tín hiệu định vị, tính toán xác định các tham số định vị và giải bài toán định vị để xác định vị trí nguồn âm theo các nguyên lý, phƣơng pháp và thuật toán cụ thể.
Tùy theo nguyên lý xây dựng hệ thống mà có các bài toán Đồng thời trong một số trƣờng hợp khâu này thực hiện bài toán nhận dạng hay phân loại để xác định dạng nguồn âm. Cũng tùy theo mục đích và yêu cầu sử dụng mà bài toán nhận dạng có thể có ở dạng khác nhau. + Xử lý cấp 2: Khâu xử lý cấp 2 là khâu thực hiện các bài toán chỉ thị và giám sát (hợp nhất thông tin định vị), quản lý và lƣu trữ các kết quả định vị nhận đƣợc từ bài toán cấp 1. Và cũng tùy theo mục đích và yêu cầu sử dụng mà khâu bài toán cấp 2 này có thể có hoặc không và hoặc ở các dạng khác nhau.
Nhƣ vậy, trong hệ thống định vị nguồn âm dƣới biển mảng cảm biến thủy âm là khâu quan trọng có ảnh hƣởng nhiều đến chất lƣợng nói chung và độ chính xác nói riêng của hệ thống. Theo đó, với tác động của vùng biển nông việc nâng cao tỷ số SNR, khả năng tách hoặc chế áp nhiễu là yêu cầu đặt ra cao hơn. Độ chính xác định vị nguồn âm: Cũng nhƣ các hệ thống định vị vô tuyến khác, hệ thống định vị thủy âm cũng tuân theo các đặc tính của các hệ định vị, trong đó có sai số định vị. Theo lý thuyết định vị, sai số định vị đƣợc phân thành sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên.
Trong đó, sai số hệ thống có trong kết quả định vị đƣợc quy ƣớc là có quy luật đã biết hoặc giữ nguyên không đổi từ bƣớc định vị này đến bƣớc định vị khác. Ví dụ về sai số nhƣ thế khi xác định cự ly là sự giữ chậm tín hiệu diễn ra ở bên trong hệ thống. Và sau khi hiệu chuẩn, sai số này sẽ đƣợc bù khử. luan an 10 Theo vị trí phát sinh sai số xác định toạ độ nguồn âm đƣợc phân tách thành sai số ngoài và sai số thiết bị.
Sai số ngoài gây nên bởi sự không ổn định của điều kiện truyền sóng âm và sai khác vị trí trung tâm phát xạ sóng âm của nguồn âm.