Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử: Định Vị Vật Thể Thụ Động Dưới Nước Sử Dụng Dãy Cảm Biến

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện tử nghiên cứu định vị vật thể thụ động dưới nước bằng dãy cảm biến, ứng dụng công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực thủy âm.

• Tác giả: Lê Hồng Anh
• Người hướng dẫn: TS. Đỗ Hồng Tuấn
• Trường học: Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Định vị vật thể thụ động dưới nước sử dụng dãy các phần tử cảm biến
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về định vị vật thể dưới nước

Định vị vật thể dưới nước là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong các ứng dụng thương mại, quốc phòng và dân sự. Luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc sử dụng dãy cảm biến để xác định vị trí của vật thể thụ động dưới nước. Mục tiêu chính là nghiên cứu hệ thống định vị dựa trên cảm biến dưới nước, đặc biệt là các cảm biến siêu âm và cảm biến quang học, để ước lượng khoảng cách và hướng góc đến của vật thể. Công nghệ định vị này có tiềm năng lớn trong việc phát hiện và theo dõi các vật thể lạ dưới nước, hỗ trợ các hoạt động quốc phòng và thương mại.

1.1. Lý do chọn đề tài

Việt Nam có vị trí địa lý thuận lợi với đường bờ biển dài và vùng biển rộng lớn, điều này thúc đẩy nghiên cứu về định vị vật thể dưới nước. Luận văn thạc sĩ này nhằm giải quyết các bài toán thực tế như dò tìm vật thể, phát hiện sự xâm nhập của vật thể lạ, và hỗ trợ các hoạt động kinh tế biển. Hệ thống cảm biến được sử dụng để ước lượng khoảng cách và hướng góc đến của vật thể, mang lại hiệu quả cao trong các ứng dụng thực tế.

1.2. Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu chính của luận văn thạc sĩ là nghiên cứu và phát triển hệ thống định vị sử dụng dãy cảm biến để xác định vị trí của vật thể thụ động dưới nước. Đề tài tập trung vào việc đánh giá các phương pháp ước lượng phổ như MUSIC và Periodogram để xác định hướng góc đến của vật thể. Kết quả nghiên cứu sẽ được ứng dụng trong các lĩnh vực quốc phòng, thương mại và môi trường biển.

II. Đặc điểm kênh truyền dưới nước và hệ thống Sonar

Chương này trình bày các đặc điểm cơ bản của kênh truyền dưới nước, bao gồm vận tốc âm thanh, suy hao đường truyền, và nhiễu môi trường. Hệ thống Sonar được sử dụng để truyền và nhận tín hiệu âm thanh dưới nước, hỗ trợ việc định vị vật thể. Các yếu tố như suy hao đường truyền và nhiễu môi trường được phân tích để ước lượng khoảng cách vật thể. Cảm biến định vị được thiết kế để thu nhận tín hiệu và xử lý thông tin, giúp xác định vị trí chính xác của vật thể.

2.1. Đặc điểm kênh truyền dưới nước

Kênh truyền dưới nước có nhiều đặc điểm phức tạp như suy hao đường truyền, nhiễu môi trường, và sự hấp thụ âm thanh. Các yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của hệ thống Sonar trong việc định vị vật thể. Cảm biến dưới nước được sử dụng để thu nhận tín hiệu và xử lý thông tin, giúp ước lượng khoảng cách và hướng góc đến của vật thể.

2.2. Hệ thống Sonar

Hệ thống Sonar bao gồm các cảm biến siêu âm và cảm biến quang học, được sử dụng để truyền và nhận tín hiệu âm thanh dưới nước. Hệ thống này hỗ trợ việc định vị vật thể thông qua việc ước lượng khoảng cách và hướng góc đến. Công nghệ định vị này có tiềm năng lớn trong các ứng dụng quốc phòng và thương mại.

III. Phương pháp định vị DOA và thuật toán ước lượng phổ

Chương này trình bày các phương pháp định vị DOA (Direction of Arrival) sử dụng dãy cảm biến để xác định hướng góc đến của vật thể. Các thuật toán MUSIC và Periodogram được sử dụng để ước lượng phổ tín hiệu, giúp xác định chính xác hướng góc đến. Cảm biến thông minh được sử dụng để thu nhận tín hiệu và xử lý thông tin, mang lại hiệu quả cao trong việc định vị vật thể.

3.1. Thuật toán MUSIC

Thuật toán MUSIC (Multiple SIgnal Classification) là một phương pháp ước lượng phổ hiệu quả, được sử dụng để xác định hướng góc đến của vật thể. Thuật toán này dựa trên việc phân tích không gian con của tín hiệu thu nhận, giúp tăng độ chính xác trong việc định vị vật thể. Cảm biến định vị được sử dụng để thu nhận tín hiệu và xử lý thông tin, mang lại hiệu quả cao trong các ứng dụng thực tế.

3.2. Thuật toán Periodogram

Thuật toán Periodogram là một phương pháp ước lượng phổ đơn giản, được sử dụng để xác định hướng góc đến của vật thể. Thuật toán này dựa trên việc phân tích phổ tín hiệu thu nhận, giúp xác định chính xác vị trí của vật thể. Cảm biến thông minh được sử dụng để thu nhận tín hiệu và xử lý thông tin, mang lại hiệu quả cao trong việc định vị vật thể.

IV. Ứng dụng dãy cảm biến trong bài toán định vị vật thể thụ động

Chương này trình bày các ứng dụng của dãy cảm biến trong việc định vị vật thể thụ động dưới nước. Các cảm biến siêu âm và cảm biến quang học được sử dụng để thu nhận tín hiệu và xử lý thông tin, giúp xác định chính xác vị trí của vật thể. Công nghệ định vị này có tiềm năng lớn trong các ứng dụng quốc phòng và thương mại.

4.1. Mô hình bài toán

Mô hình bài toán định vị vật thể thụ động dưới nước sử dụng dãy cảm biến để thu nhận tín hiệu và xử lý thông tin. Các cảm biến siêu âm và cảm biến quang học được sử dụng để ước lượng khoảng cách và hướng góc đến của vật thể, mang lại hiệu quả cao trong các ứng dụng thực tế.

4.2. Đánh giá giải thuật

Các giải thuật MUSIC và Periodogram được đánh giá dựa trên MSE (Mean Squared Error) để xác định độ chính xác trong việc ước lượng hướng góc đến của vật thể. Cảm biến thông minh được sử dụng để thu nhận tín hiệu và xử lý thông tin, mang lại hiệu quả cao trong việc định vị vật thể.

V. Kết quả và hướng phát triển

Chương này đánh giá kết quả nghiên cứu của luận văn thạc sĩ và đề xuất các hướng phát triển trong tương lai. Hệ thống cảm biến được sử dụng để định vị vật thể thụ động dưới nước đã mang lại hiệu quả cao trong các ứng dụng thực tế. Các giải thuật MUSIC và Periodogram được đánh giá dựa trên MSE để xác định độ chính xác trong việc ước lượng hướng góc đến của vật thể.

5.1. Kết quả đạt được

Luận văn thạc sĩ đã đạt được các kết quả quan trọng trong việc nghiên cứu và phát triển hệ thống định vị sử dụng dãy cảm biến để xác định vị trí của vật thể thụ động dưới nước. Các giải thuật MUSIC và Periodogram được đánh giá dựa trên MSE để xác định độ chính xác trong việc ước lượng hướng góc đến của vật thể.

5.2. Hướng phát triển

Các hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc cải tiến hệ thống cảm biến và nâng cao hiệu quả của các giải thuật MUSIC và Periodogram trong việc định vị vật thể thụ động dưới nước. Công nghệ định vị này có tiềm năng lớn trong các ứng dụng quốc phòng và thương mại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Giới thiệu chung về lý do chọn đề tài, mục tiêu của đề tài với trọng tâm nghiên cứu dãy cảm biến định vị vật thể, tập trung đánh giá giải thuật MUSIC và Periodogram về sai số MSE với nhiều khía cạnh. Chương 2 Chương 2 Đưa ra những đặc điểm cơ bản của kênh truyền dưới nước của ứng dụng Sonar – truyền âm dưới nước và phương trình thiết kế hệ thống sonar, chương này cũng đề cập đến cách thức ước lượng khoảng cách vật thể so với nguồn dựa trên suy hao đường truyền dưới nước. Chương 3 Chương 3 Trình bày về phương pháp ước lượng góc đến DOA của vật thể thụ động theo dãy cảm biến và công thức phổ của hướng đến trong giải thuật MUSIC, Periodogram. Chương này cũng trình bày về cách đánh giá sai số lỗi trung bình bình phương MSE của giá trị góc đến ước lượng được đối với các giải thuật.

Chương 4 Chương 4 Sử dụng phần mềm Matlab để thực hiện mô phỏng tín hiệu thu nhận, đánh giá giải thuật MUSIC và Periodogram qua ba khía cạnh: Mức nhiễu xen vào tín hiệu, số lượng phần tử cảm biến sử dụng và số mẫu tín hiệu sử dụng tác động lên sai số trung bình bình phương MSE. Tiến hành mô phỏng để đánh giá độ phân giải của giải thuật MUSIC cho trường hợp 3 vật thể theo mức nhiễu xen vào tín hiệu, số lượng phần tử cảm biến sự dụng và số mẫu tín hiệu sử dụng. Thực hiện mô phỏng so sánh khả năng phân giải giữa giải thuật MUSIC và Periodogram trong trường hợp định vị hai hay nhiều vật thể ở những khoảng góc khác nhau thông qua các đỉnh phổ nhận được. Chương 5 Chương 5 Đánh giá kết quả thu nhận được từ sự nghiên cứu đề tài, những hạn chế của luận văn trong quá trình thực hiện cũng như hướng phát triển trong tương lai.

11 Định vị vật thể thụ động dưới nước sử dụng dãy các phần tử cảm biến CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM KÊNH TRUYỀN DƯỚI NƯỚC VÀ HỆ THỐNG SONAR (SOUND NAVIGATION AND RANGING) Chương này trình bày dựa vào chương 4 tài liệu số [1], căn cứ vào mục tiêu nghiên cứu chương đưa ra những vấn đề cơ bản được quan tâm trong đề tài về kênh truyền dưới nước như vận tốc sóng âm lan truyền, sự suy hao, hấp thụ của môi trường truyền, nhiễu trong môi trường nước cũng như nhiễu từ các nguồn phát xạ tạo ra áp lực sóng âm,… đặc điểm hệ thống sóng âm Sonar để xử lý tín hiệu dưới nước, cách thức tính toán khoảng cách vật thể dưới nước dựa trên suy hao đường truyền cũng được đề cập. Đặc điểm kênh truyền dưới nước 1.1 Vận tốc âm thanh lan truyền dưới biển Tốc độ lan truyền c dưới nước có thể được tính theo công thức đoạn nhiệt (adiabatic equation) 𝜕𝑝 1 c = (𝜕𝜌) = 𝜌𝐾 (2.1) 𝑠 𝑎 Với p là áp lực âm thanh (soungd pressure), 𝜌 là mật độ của nước, 𝐾𝑎 là hệ số nén đoạn nhiệt. Dưới biển, 𝜌𝐾𝑎 là hàm phụ nhiệt độ, độ mặn (salinity) và áp lực. Do vậy vận tốc âm thanh dưới biển là hàm phụ thuộc các thông số trên nhưng lệ thuộc vào nhiệt độ là chủ yếu.

Trong môi trường nước thông thường (fresh water), công thức thực nghiệm để tính vận tốc âm thanh là c = 1410+4.2) với t là nhiệt độ của nước biển (℃); d là độ sâu (m). Công thức thực nghiệm tính c dưới biển c = 1410+4.3) thông số S là độ mặn (0⁄00) .5, d=15m Do đặc điểm lan truyền của sóng âm dưới biển phụ thuộc mạnh vào vận tốc âm thanh nên ta cần quan tâm đến phân bố vận tốc âm ở một số vùng cụ thể. Mối liên hệ giữa vận tốc âm thanh và độ sâu được đặc trưng bởi biên dạng vận tốc âm thanh (Sound Speed profile -SSP). SSP bao gồm các yếu tố vĩ độ, mùa, ban ngày/đêm.

SSP là một 12 Định vị vật thể thụ động dưới nước sử dụng dãy các phần tử cảm biến trong những dữ liệu cơ bản quan trọng nhất cho người thiết kế hệ thống sonar. Vùng nước cạn thềm lục địa, SSP bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác khác nhiều hơn so với yếu tố độ sâu.1 thể hiện tiêu biểu SSP trong vùng N=40o [1]. 1 Bốn loại SSP của vùng nước cạn biển Trung Quốc. (a) lớp đẳng nhiệt, (b) gradient âm, (c) tập hợp các dị biệt nhiệt âm, (d) gradient dương nhỏ.

SSP c (z) là hàm theo độ sâu z. Ở vùng nước cạn gần bờ thì hàm này chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ. Vì vậy có khi thuật ngữ SSP (sound speed profile) được hiểu là biên dạng nhiệt độ âm thanh (sound temperature sound). Do nhiệt độ có thể đo được một cách trực tiếp nên có thể hiểu bao dạng lớp đẳng nhiệt (“isothermal layer profile”) biểu thị cho đường bao dạng vận tốc âm thanh -SSP có cùng giá trị vận tốc âm thanh.

Tương tự như vậy, thuật ngữ “gradient âm” hay “gradient dương” được dùng cho bao dạng nhiệt độ. Định nghĩa gradient âm thanh ∇𝑐(𝑧) -1 ∇𝑧 (S ) 13 Định vị vật thể thụ động dưới nước sử dụng dãy các phần tử cảm biến Trong hình 2.1, theo tài liệu [1] SSP phụ thuộc mạnh mẽ vào các mùa. Từ tháng 12 đến tháng 2, c(z) là hằng số. Từ tháng 3, tính từ mặt biển đến đáy c(z) thay đổi từ lớn đến nhỏ do nhiệt độ bề mặt nước biển ngày càng tăng.

Có nghĩa là gradient âm. Vào mùa hè, từ tháng 6 đến tháng 8 thì nhiệt độ mặt nước biển tiếp tục tăng, SSP thay đổi đột ngột và ∇𝑐 (𝑧)/∇𝑧 thể hiện là một điểm dừng tại mọi độ sâu. Đây là trường hợp thermalcline âm. Khi mùa thay đổi, thời tiết trở nên lạnh và SSP thay đổi theo gradient âm và trở lại lớp đẳng nhiệt.2 giải thích sự thay đổi ngày/đêm đối với SSP [1].

Ban ngày, trời sáng, nhiệt độ bề mặt nước biển cao hơn nên gradient trở nên lớn hơn và vận tốc âm tăng. Ban đêm thì nhiệt độ giảm và gradient giảm theo. 2 SSP chuẩn của 12 tháng vùng nước cạn gần biển Trung Quốc.4 minh họa cho sự chuyển dịch SSP từ vùng nước cạn (độ sâu nhỏ hơn 200 m) đến vùng nước sâu trung bình (khoảng 1000 m). Mùa đông, SSP thường có gradient dương.

14 Định vị vật thể thụ động dưới nước sử dụng dãy các phần tử cảm biến Hình 2. 3 SSP thay đổi theo thời gian ngày/đêm. 4 SSP theo mùa hè và mùa đông, (a) SSP mùa hè , (b) SSP mùa đông.5 thể hiện SSP của vùng nước sâu [1]. Lớp bề mặt biển độc lập theo mùa bởi nhiệt độ cao và ảnh hưởng của gió.

SSP lớp này là đẳng nhiệt, có gradient âm hoặc gradient dương nhỏ. Khi càng xuống sâu, nhiệt độ giảm và áp lực không còn ảnh hưởng rõ ràng lên vận tốc âm. Do vậy vận tốc âm giảm đến giá trị nhỏ nhất. Tại một độ khá sâu, nhiệt độ là hằng số (4 0C, áp lực âm thanh sẽ đóng vai trò chính trong việc tăng vận tốc âm).

Gradient dương sẽ xuất hiện khi đạt đến đáy biển.3), vận tốc âm sẽ tăng 1.7 m/s trên từng 100 m, gradient vận tốc âm thanh 1. 15 Định vị vật thể thụ động dưới nước sử dụng dãy các phần tử cảm biến Hình 2. 5 SSP thay đổi theo độ sâu hơn 3000 m Như vậy, vận tốc sóng âm bị ảnh hưởng theo mùa, nhiệt độ và độ sâu nước biển.2 Suy hao đường truyền Trong công thức sonar, suy hao đường truyền (transmission loss) TL là thông số quan trọng trong thiết kế. Khi kiến trúc của hệ thống sonar được định nghĩa thì FOM (Figure of Merit ) của nó cũng được xác định.

Vì vậy hiệu năng của hệ thống sonar chỉ phụ thuộc độ suy hao đường truyền. Khi sóng âm lan truyền trong đại dương thì cường độ âm giảm dần theo khoảng cách truyền bởi các nguyên nhân sau: (1) Sự trải hình học của mặt sóng; (2) Suy hao sóng âm trên mặt biển và dưới đáy; (3) Sự hấp thụ sóng âm; (4) Sự phản xạ của âm. Sự trải hình học dẫn đến giảm cường độ (Hình 2.10 của tài liệu [1]). Ở khoảng ngắn, sóng âm trải theo dạng hình cầu và suy hao giảm tỉ lệ bình phương theo khoảng cách R TL(R) ≈ 20lgR (2.4) 16 Định vị vật thể thụ động dưới nước sử dụng dãy các phần tử cảm biến Hình 2.

6 (a) Trải hình cầu. (b) Trải hình trụ Theo công thức này (2.4) thì cường độ sóng âm suy giảm theo khoảng cách từ 1m đến 100m là 40 dB Trong sự lan truyền của sóng âm, nếu mặt biển và đáy biển tương đối bằng phẳng thì sự phản xạ âm và sự hấp thu của âm bỏ qua, sự trải sóng âm có thể có dạng hình trụ (Hình 2. Sự suy hao tỷ lệ theo khoảng cách R TL(R) ≈ 10lgR (2.5) Trong trường hợp này thì từ 1000m đến 2000m suy hao đường truyền là 30 dB.3 Sự hấp thụ Độ suy hao của sóng lan truyền phụ thuộc vào hai yếu tố chính là khoảng cách truyền và tần số sóng âm. Phương trình biểu diễn như sau [12] A(d,f)=(d/dr )k α (f)d-dr (2.6) Theo dB AdB = TL(d)dB + α dB (2.7) 17 Định vị vật thể thụ động dưới nước sử dụng dãy các phần tử cảm biến Trong đó: d là khoảng cách truyền.

dr là khoảng cách tham chiếu, k là hệ số lan truyền, k thường có giá trị trong khoảng [1; 2] và thực tế thường lấy giá trị bằng 1. α (f) hệ số hấp thu, là hàm tăng phụ thuộc theo tần số. Dựa vào quá trình quan sát thực nghiệm Thorp đã đưa ra phương trình tính hệ số hấp thu như sau: Với tần số trên 100 kHz là: 𝑓2 𝑓2 α (f) dB/km = 0.8) 1+𝑓 4100+𝑓2 Với tần số thấp hơn là: 𝑓2 α (f) dB/km = 0.9) 1+𝑓2 Trong đó, f được tính theo đơn vị kHz. 7 : Hệ số hấp thu α (dB/km) theo tần số Hệ số hấp thu tăng nhanh theo tần số (xem hình 2.7 [6]), suy hao theo đường truyền cũng tăng theo, và chỉ những tần số dưới một ngưỡng nào đó mới có thể sử dụng được khi triển khai một tuyến thông tin dưới nước.

18 Định vị vật thể thụ động dưới nước sử dụng dãy các phần tử cảm biến Bảng 2.1 Hệ số hấp thu theo hệ số α Hình 2.8 Biểu diễn hệ số hấp thu được tạo bởi Hải quân Hoa Kỳ [12] Hình 2. 8 Hệ số hấp thu sóng âm 1.4 Nhiễu trong môi trường dưới nước (Ambient Noise) Nhiễu bao quanh trong đại dương có thể được mô hình hóa bởi bốn nguồn [6]: turbulence, shipping, waves và thermal noise. Đa số các nguồn nhiễu bao quanh có thể được mô tả bơi thống kê Gaussian và một hàm mật độ phổ công suất liên tục (psd).