Chương 1 của luận án trình bày tổng quan về sự phát triển, khả năng ứng dụng của kỹ thuật định vị nguồn âm, trong đó làm rõ mô hình, các bước thực hiện, các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA. Trên cơ sở các công trình nghiên cứu có liên quan và các yêu cầu thực tiễn, đặt ra bài toán, đối tượng, phạm vi nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng định vị nguồn âm theo nguyên lý TDOA. Sự phát triển và khả năng ứng dụng của các kỹ thuật định vị nguồn âm 1. Sự phát triển của kỹ thuật định vị nguồn âm thanh Định vị nguồn âm thanh là kỹ thuật có lịch sử lâu dài, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng phục vụ mục đích dân sự cũng như quân sự.
Các nhà khoa học đã quan tâm tới vấn đề định vị nguồn âm thanh từ thời kỳ Hy Lạp cổ đại, tuy nhiên những nghiên cứu hiện đại về vấn đề này chỉ mới được đặt ra vào thế kỷ 19. Năm 1876 Lord Rayleight đã thực hiện một nghiên cứu đánh giá khả năng định hướng nguồn âm thanh của con người, trong đó kết luận rằng tỷ lệ cường độ âm thanh giữa hai tai là cơ sở cho khả năng định hướng âm thanh của con người [49]. Nghiên cứu này là tiền đề cho phương pháp định vị nguồn âm dựa trên cường độ âm thanh được sử dụng rộng rãi hiện nay. Hai năm sau, Silvanus Thompson đã đưa ra một báo cáo, trong đó chứng minh bằng thực nghiệm rằng khả năng định vị nguồn âm của con người dựa trên sự lệch pha tương đối giữa âm thanh trên hai bên tai [59].
Tới năm 1907 Rayleight đưa ra một nghiên cứu trong đó chứng minh các luận điểm của 7 Thompson, trong đó ông chứng minh rằng tỉ lệ cường độ âm thanh ở hai tai là cơ sở để định vị nguồn âm trong hầu hết các trường hợp, tuy nhiên với các âm thanh có tần số thấp dưới 256 Hz thì sự chênh lệch về pha tương đối sẽ cho hiệu quả định vị cao hơn [50]. Những nghiên cứu ban đầu của Rayleight và Thompson là cơ sở cho những nghiên cứu hiện đại hơn về định vị nguồn âm thanh. Trong nửa đầu thế kỷ 20, các nhà khoa học như Jeffress, Newman, Rosenzweig, Stevens, von Hornbostel, Wertheimer và nhiều nhà khoa học khác đã bổ sung nhiều bài báo chuyên đề dẫn đến sự hiểu biết hiện đại về định vị nguồn âm thanh [62]. Đặc biệt quan trọng là nghiên cứu của Vol Hornbostel và Wertheimer được công bố năm 1920, trong đó đề xuất rằng sự sai lệch thời gian đến của âm thanh có thể được tính toán từ các đặc tính về pha, từ đó làm cơ sở để định vị nguồn âm thanh [62].
Đây là tiền đề cho phương pháp định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA. Các nghiên cứu cơ bản về khả năng định vị nguồn âm của con người là cơ sở cho các nghiên cứu hiện đại về các kỹ thuật định vị nguồn âm thanh. Đặc biệt với sự phát triển của các cảm biến độ nhạy cao cùng với các bộ xử lý tín hiệu số tiên tiến, nhiều kỹ thuật định vị nguồn âm theo các nguyên lý khác nhau đã được phát triển và ứng dụng trong thực tiễn. Các hệ thống định vị nguồn âm hiện đại ngày nay có khả năng định vị chính xác, cự ly định vị xa với tín hiệu âm thanh tới có cường độ nhỏ.
Khả năng ứng dụng của kỹ thuật định vị nguồn âm Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, các hệ thống định vị nguồn âm được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đa dạng trong dân dụng cũng như quân sự. Ứng dụng trong dân dụng Trong các ứng dụng phục vụ mục đích dân dụng, các hệ thống định vị nguồn âm được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt trong các ứng dụng giao tiếp giữa 8 người và máy. Trong đó, định vị nguồn âm là một trong những yêu cầu cơ bản, là cơ sở cho khả năng phản ứng thông minh của máy móc khi giao tiếp với con người. Khả năng định vị được vị trí người nói giúp nâng cao chất lượng thu âm của các cảm biến, đồng thời cải thiện chất lượng phản ứng của máy móc.
Qua đó, nâng cao trải nghiệm người dùng và cải thiện hiệu quả tương tác giữa người và máy. Công nghệ định vị nguồn âm thanh còn được sử dụng rộng rãi trong việc phát hiện nguồn gây ô nhiễm tiếng ồn, nhằm có biện pháp hạn chế hoặc ngăn chặn. Tiếng ồn là một dạng phổ biến của ô nhiễm môi trường, gây ảnh hưởng xấu tới sức khỏe con người, đặc biệt là trong các thành phố lớn. Tuy nhiên việc phát hiện chính xác nguồn ô nhiễm tiếng ồn là không dễ dàng, đặc biệt là trong môi trường đô thị.
Một số ứng dụng đã được nghiên cứu phát triển nhằm định vị nguồn ô nhiễm tiếng ồn dựa trên nguyên lý TDOA, điển hình là hệ thống SoundCompass trên hình 1.1, sử dụng 52 cảm biến âm thanh vi cơ điện tử (MEMS - Micro Electro Mechanical Systems) đặt trên một đĩa tròn để định vị nguồn phát cũng như xác định cường độ âm thanh qua đó phát hiện nguồn ô nhiễm tiếng ồn [60]. Bảng mạch của hệ thống SoundCompass Công nghệ định vị nguồn âm thanh cũng được sử dụng rộng rãi nhằm phát hiện vị trí hỏng hóc và đánh giá khả năng làm việc của máy móc. Kết hợp với 9 Hình 1. Thiết bị SoundCam của hãng CAE camera, hệ thống cho phép xác định vị trí nguồn âm và đánh dấu lên hình ảnh.
SoundCam của hãng CAE trên hình 1.2 là một sản phẩm điển hình của dạng ứng dụng này [26]. Một hình ảnh khi đang hoạt động của hệ thống được thể hiện trên hình 1.3, cho phép đánh giá vị trí phát ra tiếng ồn trong khoang của một chiếc xe ô tô [26]. Một hình ảnh hoạt động của SoundCam Công nghệ định vị nguồn âm thanh còn được sử dụng trong các hệ thống hội nghị thông minh, bằng cách xác định vị trí người đang nói, kết hợp với camera và hệ thống nhận dạng giọng nói, giúp tạo thành một hệ thống thông minh có khả năng tự động hiển thị hình ảnh người nói đồng thời tối ưu chất 10 lượng âm thanh một cách hiệu quả. Có thể nói các ứng dụng định vị nguồn âm phục vụ cho mục đích dân dụng rất đa dạng và phong phú, trong đó phần lớn đều được thực hiện ở môi trường trong nhà, nơi ảnh hưởng của các điều kiện môi trường là không đáng kể.
Mặt khác âm thanh được định vị hầu hết là tiếng nói, hoặc âm thanh có cường độ lớn mà không phải là một âm thanh xác định được chọn. Ứng dụng trong quân sự Trong lĩnh vực quân sự các hệ thống định vị nguồn âm thanh đã được ứng dụng từ khá lâu với nhiều mục đích khác nhau. Có thể kể đến các hệ thống đơn giản sử dụng các tai nghe khuếch đại âm thanh kết hợp với tai người để định hướng máy bay được sử dụng trong thế chiến lần thứ nhất như trên hình 1. Hệ thống trinh sát máy bay của Mỹ năm 1921 Ngày nay, để đáp ứng được những nhu cầu của chiến tranh hiện đại, xu hướng phát triển của công nghệ định vị nguồn âm thanh được thể hiện trong việc xây dựng các hệ thống tự động định vị nguồn âm.
Sử dụng công nghệ điện tử hiện đại với tín hiệu âm thanh được thu nhận trên các cảm biến có độ nhạy cao, sau đó phân tích và xử lý trên các phần cứng tiên tiến như FPGA, DSP, việc 11 định vị nguồn âm thanh có thể được thực hiện trong thời gian thực, với độ chính xác cao. Ngoài ra, hệ thống định vị nguồn âm thanh còn được kết nối với các thành phần khác như radar, camera trở thành một hệ thống trinh sát toàn diện. Trinh sát, phát hiện mục tiêu có thể được coi như một trong những ứng dụng phổ biến nhất của hệ thống định vị nguồn âm thanh sử dụng trong quân sự. Có rất nhiều hệ thống dạng này đã được nghiên cứu phát triển và đưa vào ứng dụng thực tế như hệ thống trinh sát phát hiện drone [39], trinh sát phát hiện hỏa lực bắn tỉa [5].
Hệ thống trinh sát phát hiện hỏa lực được quân đội nhiều nước trên thế giới sử dụng với nhiều dạng khác nhau, từ trang bị trên xe tới trang bị cá nhân. Với khả năng tính toán nhanh chóng, kết hợp kỹ thuật định vị nguồn âm và phát hiện sóng xung kích, hệ thống có thể nhanh chóng phát hiện và chỉ thị nguồn hỏa lực cho người lính trên chiến trường. Sản phẩm ASLS của hãng Rheinmetall Trên hình 1.5 là sản phẩm ASLS (Acoustic Shooter Locating System) được hãng Rheinmetall (Đức) chế tạo, lắp trên xe bọc thép quân sự. Thiết bị này bao gồm một số cảm biến thu âm đặt bên ngoài, được kết nối đồng bộ với thiết bị phân tích, tổng hợp và hiển thị bên trong xe.
Các thông tin về vị trí bắn của đối phương được tính toán và hiển thị ngay cả khi xe đang vận động. ASLS cũng 12 có khả năng tích hợp với tổ hợp vũ khí từ xa như một thiết bị chỉ thị mục tiêu, nhanh chóng cung cấp các thông tin cần thiết như hướng bắn và cự li bắn cho các phương tiện hỏa lực tiêu diệt mục tiêu [30]. Ở Việt Nam ứng dụng phát hiện hỏa lực cũng đã được nghiên cứu và đạt được một số thành tựu đáng kể, trong đó tập trung vào việc thu nhận và phân tích sóng âm của tiếng nổ đầu nòng, từ đó phân tích, xác định vị trí của hỏa lực bắn tỉa trong không gian, kết hợp với hệ thống camera để chỉ thị vị trí của hỏa lực trên hình ảnh và bản đồ số [1]. Thiết bị Bionic XS-56 Array của hãng CAE Trong thời gian gần đây vấn đề kiểm soát Drone trong những khu vực cần bảo vệ là một trong những yêu cầu có tính cấp thiết cao.
Giải pháp sử dụng định vị nguồn âm kết hợp cùng camera tỏ ra khá hiệu quả, nhiều công trình nghiên cứu và sản phẩm theo hướng này đã được đưa ra. Điển hình là thiết bị Bionic XS-56 Array của hãng CAE, sử dụng một ma trận các cảm biến độ nhạy cao, kết hợp cùng camera và phần cứng xử lý tín hiệu tốc độ cao, thiết bị có khả năng trinh sát phát hiện và định vị drone trong những khu vực cần bảo vệ [58]. Ngoài ra hệ thống định vị nguồn âm thanh còn được sử dụng trong các thiết bị phát hiện, định vị điểm nổ nhằm sửa bắn cho pháo binh.