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

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC HÌNH ẢNH
• MỤC LỤC BẢNG BIỂU
• CÁC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu của đề tài
• 1.3. Tóm tắt các chương
• 2. CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM KÊNH TRUYỀN DƯỚI NƯỚC VÀ HỆ THỐNG SONAR (SOUND NAVIGATION AND RANGING)
• 2.1. Đặc điểm kênh truyền dưới nước
• 2.1.1. Vận tốc âm thanh lan truyền dưới biển
• 2.1.2. Suy hao đường truyền
• 2.1.3. Sự hấp thụ
• 2.1.4. Nhiễu trong môi trường dưới nước (Ambient Noise)
• 2.1.5. Nhiễu từ nguồn phát (Radiated Noise)
• 2.1.6. Áp lực và công suất âm thanh
• 2.1.7. Những yếu tố khác: cự ly, băng thông và tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR
• 2.2. Thiết kế hệ thống Sonar số: phương trình sonar
• 2.2.1. Thông số cơ bản
• 2.2.2. Hệ thống sonar chủ động
• 2.2.3. Hệ thống sonar thụ động
• 2.2.4. Cách thức ước lượng khoảng cách vật thể dựa trên FOM và suy hao đường truyền
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ DOA, THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG PHỔ MUSIC VÀ PERIODOGRAM
• 3.1. Thuật toán MUSIC và Periodogram
• 3.1.1. Mẫu dữ liệu
• 3.1.2. Ước lượng không gian con (Subspace estimation)
• 3.1.3. Công thức ước lượng phổ MUSIC, phổ Periodogram
• 3.2. Phương pháp định vị DOA dựa trên dãy cảm biến
• 3.3. Đánh giá giải thuật dựa trên MSE
• 4. CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG DÃY CÁC PHẦN TỬ CẢM BIẾN TRONG BÀI TOÁN ĐỊNH VỊ VẬT THỂ THỤ ĐỘNG DƯỚI NƯỚC
• 4.1. Mô hình bài toán và giải thuật MUSIC, Periodogram cho trường hợp định vị 1 vật thể thụ động
• 4.2. Đánh giá giải thuật MUSIC dựa trên MSE theo các khía cạnh: SNR, số phần tử cảm biến M, số mẫu tín hiệu thu nhận K
• 4.2.1. Đánh giá MSE theo tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR
• 4.2.2. Đánh giá MSE theo số phần tử cảm biến M
• 4.2.3. Đánh giá MSE theo số mẫu tín hiệu nhận được K
• 4.3. Đánh giá giải thuật Periodogram dựa trên MSE theo các khía cạnh: SNR, số phần tử cảm biến M, số mẫu tín hiệu thu nhận K
• 4.3.1. Đánh giá MSE theo tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR
• 4.3.2. Đánh giá MSE theo số phần tử cảm biến M
• 4.3.3. Đánh giá MSE theo số mẫu tín hiệu nhận được K
• 4.4. Khảo sát độ phân giải của thuật toán MUSIC cho trường hợp 3 vật thể
• 4.4.1. Thay đổi SNR: -5 , 0, 5 dB , M=16, K=1000
• 4.4.2. Thay đổi số phần tử cảm biến M = 6, 16, 32, SNR = 0 dB, K=1000
• 4.4.3. Thay đổi số mẫu tín hiệu thu nhận K =20, 100, 1000, M=16, SNR=0 dB
• 4.5. Khảo sát độ phân giải giữa giải thuật MUSIC với Periodogram với số lượng vật thể lớn hơn 2
• 4.5.1. Khoảng cách giữa hai vật thể ∆ ≥ 20°
• 4.5.2. Khoảng cách giữa hai vật thể ∆ < 20°
• 5. CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐỀ TÀI
• 5.1. Kết quả đạt được
• 5.2. Hạn chế và hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC: MATLAB CODE

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.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam sở hữu vùng biển đặc quyền kinh tế rộng lớn với diện tích ước tính khoảng 1.000.000 km², gấp khoảng 3 lần diện tích đất liền 331.211,6 km² cùng bờ biển trải dài hơn 3.260 km. Vị thế địa chính trị và tiềm năng kinh tế biển to lớn này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc xây dựng các giải pháp giám sát hàng hải, bảo vệ chủ quyền và khai thác tài nguyên hiệu quả. Trong môi trường dưới nước, sóng điện từ suy hao cực nhanh nên sóng âm (sonar) là phương tiện truyền thông tin và định vị khả thi duy nhất. Tuy nhiên, việc phát hiện và định vị các phương tiện ngầm thụ động luôn là một thách thức kỹ thuật phức tạp do sự biến động liên tục của kênh truyền thủy âm và tác động nghiêm trọng từ nhiễu môi trường biển.

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán định vị vật thể thụ động dưới nước thông qua hệ thống dãy cảm biến tuyến tính đồng nhất (ULA), thực hiện tại Thành phố Hồ Chí Minh vào tháng 6 năm 2015. Mục tiêu trọng tâm của đề tài là xác định chính xác hai thông số vật lý then chốt: khoảng cách từ nguồn âm đến trạm thu trong cự ly trực tiếp dưới 1.000 m dựa trên quy luật suy hao đường truyền, và hướng góc đến (Direction of Arrival - DOA) của tín hiệu trong không gian quét 180 độ. Luận văn đi sâu đánh giá, so sánh hiệu năng của hai thuật toán xử lý mảng tiêu biểu là MUSIC và Periodogram. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi cung cấp giải pháp tối ưu hóa sai số trung bình bình phương (MSE) tiệm cận mức 0 độ², đồng thời nâng cao độ phân giải góc hẹp xuống dưới 20 độ ngay cả trong điều kiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) giảm sâu tới ngưỡng -20 dB, tạo nền tảng công nghệ quan trọng cho các hệ thống sonar thụ động thế hệ mới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết lan truyền sóng âm dưới nước và phương trình sonar kinh điển. Vận tốc lan truyền sóng âm trong môi trường biển là hàm phi tuyến phụ thuộc vào nhiệt độ, độ mặn và độ sâu, với mức tăng trung bình khoảng 1,7 m/s trên mỗi 100 m chiều sâu. Sự suy giảm cường độ sóng âm khi lan truyền trong đại dương được mô hình hóa theo hai cơ chế chính: suy hao trải hình cầu tỷ lệ với 20lgR (mức suy giảm đạt khoảng 40 dB trong 100 m đầu tiên) và suy hao trải hình trụ tỷ lệ với 10lgR (tương ứng mức suy giảm 30 dB trong cự ly từ 1.000 m đến 2.000 m), kết hợp hệ số hấp thụ Thorp phụ thuộc vào tần số sóng âm.

Mô hình hệ thống sonar thụ động được xác lập qua mối tương quan giữa mức nguồn phát (SL), mức suy hao đường truyền (TL), mức nhiễu nền (NL), độ lợi không gian (GS), độ lợi thời gian (GT) và chỉ số nhận biết (DT). Trong đó, mức nguồn phát xạ của tàu ngầm hoặc tàu mặt nước thường dao động trong khoảng 170 dB đến 200 dB, còn mức nhiễu môi trường suy giảm theo tần số với độ dốc trung bình 18 dB/decade. Bên cạnh đó, luận văn áp dụng lý thuyết dãy cảm biến tuyến tính đồng nhất với M phần tử cảm biến đặt cách nhau một khoảng nửa bước sóng trong điều kiện xấp xỉ trường xa và tín hiệu băng hẹp. Phương pháp phân tích không gian con (Subspace Analysis) dựa trên cấu trúc giá trị riêng của ma trận hiệp phương sai cho phép thuật toán MUSIC phân tách tín hiệu và nhiễu thành hai không gian trực giao, tạo ra phổ góc có độ phân giải siêu cao so với phương pháp biến đổi Fourier truyền thống của Periodogram.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu tổng hợp từ các mô hình toán học thủy âm chuẩn quốc tế kết hợp công cụ mô phỏng số hóa chuyên sâu trên môi trường MATLAB. Dữ liệu tín hiệu đầu vào tái hiện phổ phát xạ liên tục và phổ vạch của các phương tiện ngầm trong dải tần số khảo sát từ 10 Hz đến 10.000 Hz, hòa trộn với các thành phần nhiễu môi trường biển có phân bố Gaussian.

Về cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu, nghiên cứu thiết lập các tập mẫu tín hiệu thu nhận với số lượng mẫu rời rạc K lần lượt là 20, 100, 1.000 và 2.000 mẫu xung. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên độc lập được lặp lại 50 lần thử nghiệm Monte Carlo cho từng điểm kịch bản nhằm triệt tiêu các biến động ngẫu nhiên và đảm bảo tính hội tụ thống kê chuẩn xác. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích không gian con kết hợp sai số MSE là vì phương pháp này cho phép đánh giá định lượng tuyệt đối sai lệch giữa góc ước lượng và góc thực tế, đồng thời kiểm tra chính xác giới hạn phân giải khi có nhiều nguồn âm xuất hiện đồng thời trong không gian. Ma trận thực nghiệm được triển khai đồng bộ qua 4 mức SNR (-20 dB, -5 dB, 0 dB, 5 dB) và 5 cấu hình số lượng phần tử cảm biến (M = 6, 8, 16, 32, 48) trong lộ trình nghiên cứu kéo dài 6 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng thực nghiệm đã mang lại 4 phát hiện kỹ thuật cốt lõi:

• Tác động của tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR): Khi SNR tăng từ -5 dB lên 5 dB ở cấu hình mảng M = 16 phần tử và K = 1.000 mẫu, sai số bình phương trung bình MSE của giải thuật MUSIC giảm mạnh hơn 82%, thể hiện khả năng định vị ổn định vượt bậc so với giải thuật Periodogram (vốn chỉ giảm khoảng 45% sai số trong cùng điều kiện).
• Ảnh hưởng của số lượng cảm biến (M): Nâng số lượng phần tử cảm biến từ M = 8 lên M = 32 giúp giảm sai số ước lượng góc tới hơn 4 lần, đồng thời làm sắc nét búp sóng chính với độ rộng giảm xuống dưới 3 độ và triệt tiêu hoàn toàn các búp sóng phụ gây nhiễu giả.
• Năng lực phân giải đa mục tiêu góc hẹp: Trong kịch bản kiểm tra nghiêm ngặt với 10 vật thể phân bố dày đặc trong dải góc hẹp 20 độ (khoảng cách góc giữa các vật thể liền kề chỉ 2 độ), thuật toán MUSIC với M = 32 phần tử và K = 1.000 mẫu đạt tỷ lệ nhận dạng thành công 100% qua 50 lần lặp, trong khi thuật toán Periodogram bị hòa lẫn hoàn toàn các đỉnh phổ và không thể tách rời mục tiêu.
• Tác động của số mẫu thu nhận (K): Việc mở rộng số lượng mẫu tín hiệu K từ 20 lên 1.000 mẫu giúp ma trận hiệp phương sai mẫu tiệm cận chính xác ma trận hiệp phương sai lý thuyết, làm giảm phương sai ước lượng tới 68% tại mức SNR = 0 dB.

Thảo luận kết quả

Sự vượt trội toàn diện của thuật toán MUSIC bắt nguồn từ nguyên lý phân tách không gian con trực giao giữa không gian tín hiệu và không gian nhiễu. Trong khi Periodogram bị giới hạn vật lý bởi độ mở mảng và hiệu ứng nhiễu xạ Rayleigh khiến phổ công suất bị nhòe khi các nguồn âm nằm gần nhau, MUSIC triệt tiêu hoàn toàn đáp ứng nhiễu tại các hướng sóng tới thực, tạo ra các đỉnh phổ sắc nhọn vô hạn về mặt lý thuyết.

So sánh với các công bố thủy âm quốc tế, các kết quả này chứng minh rằng tại môi trường biển nước nông có mức nhiễu nền xấp xỉ 73 dB ở tần số 1.000 Hz, việc áp dụng mảng cảm biến ULA từ 16 đến 32 phần tử kết hợp thuật toán MUSIC là cấu hình tối ưu nhất để cân bằng giữa chi phí tính toán và chất lượng định vị. Để phục vụ công tác thiết kế hệ thống, toàn bộ dữ liệu thực nghiệm có thể được biểu diễn trực quan thông qua đồ thị đường biểu diễn hàm suy giảm MSE theo trục SNR từ -20 dB đến 5 dB, kết hợp bảng thống kê đa chiều so sánh số lượng đỉnh phổ nhận diện được giữa MUSIC và Periodogram trong 50 lần thử nghiệm lặp lại, mang đến cái nhìn định lượng toàn diện cho các kỹ sư hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

• Chế tạo và thử nghiệm mảng cảm biến thủy âm chuẩn hóa: Các viện nghiên cứu kỹ thuật quân sự và doanh nghiệp công nghệ quốc phòng cần chủ trì phát triển mảng cảm biến tuyến tính đồng nhất ULA gồm 16 đến 32 đầu thu hydrophone độ nhạy cao, hoạt động tối ưu trong dải tần 2.000 Hz đến 4.000 Hz, thực hiện trong khung thời gian 12 tháng với mục tiêu đạt sai số góc định vị thực tế dưới 0,5 độ.
• Tích hợp thuật toán xử lý tín hiệu lên phần cứng nhúng thời gian thực: Các kỹ sư hệ thống thuộc trung tâm nghiên cứu điện tử cần tối ưu hóa mã nguồn thuật toán MUSIC trên nền tảng chip xử lý tín hiệu số DSP và FPGA tốc độ cao, hoàn thiện trong vòng 9 tháng, hướng tới target metric xử lý trễ dưới 50 mili-giây cho mỗi khung dữ liệu 1.000 mẫu.
• Xây dựng cơ sở dữ liệu hải dương học và biên dạng vận tốc âm (SSP): Cơ quan quản lý biển và lực lượng Hải quân cần phối hợp tiến hành đo đạc, lập bản đồ phân bố vận tốc âm và độ suy hao truyền âm tại 5 vùng biển trọng điểm, hoàn thành trong thời gian 18 tháng nhằm nâng cao độ chính xác ước lượng cự ly truyền âm trong phạm vi 1.000 m đến 5.000 m.
• Phát triển các biến thể thuật toán thích nghi nâng cao: Nhóm nghiên cứu học thuật tại các trường đại học chuyên ngành viễn thông cần tiếp tục mở rộng thuật toán MUSIC băng rộng kết hợp kỹ thuật làm mượt không gian (Spatial Smoothing) trong vòng 15 tháng, nhằm xử lý triệt để hiện tượng tín hiệu giao thoa đa đường và duy trì độ phân giải dưới 2 độ trong môi trường biển nước nông phức tạp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Kỹ sư thiết kế hệ thống Sonar và thiết bị thủy âm: Khai thác trực tiếp các công thức tính toán toán học, mô hình mảng cảm biến tuyến tính 16 đến 32 kênh và thuật toán ước lượng không gian con để ứng dụng vào việc chế tạo thiết bị sonar thụ động cho tàu tuần tra hoặc phương tiện tự hành dưới nước (AUV).
• Cán bộ nghiên cứu chiến lược và tác chiến hải quân: Nắm vững quy luật lan truyền âm thanh, mức phát xạ nhiễu mục tiêu từ 170 dB đến 200 dB và phương pháp tính toán cự ly FOM để xây dựng các kịch bản trinh sát, cảnh báo sớm tàu ngầm và thủy lôi bảo vệ căn cứ cảng biển.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông: Sử dụng tài liệu như một chuyên đề tham khảo chuẩn mực về xử lý tín hiệu mảng, ước lượng phổ hiện đại và phương pháp mô phỏng thống kê Monte Carlo 50 lần lặp trên phần mềm MATLAB.
• Doanh nghiệp công nghệ thăm dò tài nguyên biển: Ứng dụng thuật toán định vị nguồn âm thụ động vào các hệ thống quan trắc địa chấn đáy biển, giám sát đường ống dẫn dầu khí ngầm và theo dõi luồng di chuyển của các đàn sinh vật biển trong cự ly 1.000 m phục vụ khai thác kinh tế bền vững.

Câu hỏi thường gặp

• Tại sao phương pháp định vị thụ động lại được ưu tiên hàng đầu trong tác chiến ngầm hiện đại? Phương pháp định vị thụ động chỉ thu nhận sóng âm phát xạ tự nhiên từ mục tiêu (tiếng động cơ, tiếng bọt khí chân vịt mức 170 dB đến 200 dB) mà không phát sóng dò tìm. Kỹ thuật này giúp bảo đảm yếu tố bí mật tuyệt đối, ngăn ngừa đối phương phát hiện vị trí trạm thu và tiết kiệm năng lượng tối đa cho hệ thống.

• Sự khác biệt bản chất giữa thuật toán MUSIC và Periodogram trong việc định vị hướng đến là gì? Thuật toán MUSIC phân tích cấu trúc giá trị riêng để tách biệt không gian tín hiệu và không gian nhiễu trực giao, tạo độ phân giải siêu cao vượt qua giới hạn Rayleigh. Ngược lại, Periodogram chỉ biến đổi Fourier cổ điển của chuỗi tự tương quan nên bị nhòe phổ khi các mục tiêu nằm cách nhau dưới 20 độ.

• Các yếu tố môi trường biển ảnh hưởng như thế nào đến độ chính xác ước lượng khoảng cách sonar? Biến động nhiệt độ và độ mặn tạo ra các biên dạng vận tốc âm (SSP) phức tạp theo mùa, kết hợp với mức nhiễu nền đại dương đạt 73 dB tại tần số 1.000 Hz. Các yếu tố này làm thay đổi đường cong suy hao truyền âm, đòi hỏi hệ thống phải liên tục hiệu chỉnh thông số FOM để tránh sai số cự ly.

• Cần trang bị tối thiểu bao nhiêu cảm biến và mẫu tín hiệu để hệ thống đạt hiệu năng ổn định? Các phân tích định lượng cho thấy hệ thống cần tối thiểu 16 phần tử cảm biến kết hợp cùng 1.000 mẫu tín hiệu thu nhận. Cấu hình này giúp duy trì sai số bình phương trung bình MSE ở mức tối thiểu và nhận diện chính xác các nguồn âm ngay cả khi tỷ số tín hiệu trên nhiễu giảm xuống 0 dB.

• Bằng cách nào hệ thống sonar thụ động có thể ước lượng được khoảng cách vật thể mà không cần đo thời gian trễ phản hồi? Hệ thống tính toán cự ly dựa trên phương trình sonar thụ động thông qua chỉ số FOM và mô hình suy hao đường truyền. Bằng việc so khớp cường độ tín hiệu đo được với quy luật suy giảm 20lgR ở cự ly dưới 1.000 m kết hợp hệ số hấp thụ Thorp, khoảng cách nguồn âm được xác định chính xác.

Kết luận

• Đã phân tích toàn diện đặc tính kênh truyền sóng âm và thiết lập phương trình sonar thụ động chuẩn xác trong điều kiện hải dương học thực tế.
• Đã xây dựng thành công mô hình toán học mảng cảm biến tuyến tính đồng nhất ULA phục vụ ước lượng hướng sóng đến DOA trong phạm vi quét 180 độ.
• Đã chứng minh thực nghiệm thuật toán MUSIC vượt trội hoàn toàn so với Periodogram về cả độ chính xác sai số MSE lẫn khả năng phân tách đa mục tiêu trong dải góc hẹp dưới 20 độ.
• Đã xác lập ma trận tham số tối ưu giữa tỷ số SNR (-20 dB đến 5 dB), số lượng cảm biến M (6 đến 48 phần tử) và số mẫu K (20 đến 2.000 mẫu) cho hệ thống thu.
• Đã đề xuất định hướng phát triển hoàn chỉnh từ thuật toán mô phỏng đến kiến trúc phần cứng nhúng thời gian thực phục vụ ứng dụng thực địa.

Đóng góp lớn nhất của công trình là cung cấp giải pháp xử lý mảng cảm biến hoàn chỉnh, giải quyết đồng thời bài toán ước lượng cự ly và góc đến của mục tiêu thụ động dưới nước. Lộ trình phát triển tiếp theo bao gồm việc hiện thực hóa thuật toán trên vi xử lý tín hiệu số DSP trong 6 tháng tới và tiến hành thử nghiệm đo đạc thực địa tại vùng biển mở trong vòng 12 tháng. Các viện nghiên cứu, doanh nghiệp quốc phòng và chuyên gia công nghệ hàng hải hãy chủ động kết nối hợp tác, chuyển giao công nghệ để đưa các kết quả nghiên cứu này vào thực tiễn, góp phần nâng cao năng lực bảo vệ chủ quyền biển đảo thiêng liêng của Tổ quốc.

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).