Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghệ 4.0 phát triển mạnh mẽ, hệ thống Sonar ngày càng đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực dân sự và quân sự. Theo ước tính, tốc độ lan truyền âm thanh dưới nước khoảng 1500 m/s, tạo điều kiện thuận lợi cho việc dò tìm, định vị và truyền thông tin dưới môi trường nước. Sonar chủ động, với khả năng phát và thu tín hiệu âm thanh, được ứng dụng rộng rãi trong dò cá, đo độ sâu, lập bản đồ đáy biển, cũng như trong tác chiến chống ngầm và bảo vệ căn cứ quân sự. Tuy nhiên, để nâng cao hiệu quả hoạt động, việc thiết kế hệ thống anten mảng pha và áp dụng kỹ thuật beamforming là rất cần thiết nhằm tăng cường độ phân giải và phạm vi hoạt động của Sonar.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế hệ thống anten mảng pha cho Sonar chủ động, ứng dụng kỹ thuật beamforming để điều khiển búp sóng, đồng thời đề xuất thuật toán xác định góc tới tín hiệu phản xạ nhằm nâng cao độ chính xác trong dò tìm và lập bản đồ. Nghiên cứu tập trung vào mô phỏng và tối ưu hóa các tham số anten mảng 16 phần tử, sử dụng thuật toán MUSIC để xác định hướng sóng tới. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại phòng thí nghiệm Wicom Lab, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, trong năm 2021.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp kỹ thuật mới, có tính ứng dụng cao trong hệ thống Sonar, góp phần nâng cao hiệu quả dò tìm và xử lý tín hiệu dưới nước, đồng thời mở rộng khả năng ứng dụng trong các thiết bị dân sự và quân sự.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết truyền sóng âm dưới nước và kỹ thuật beamforming trong anten mảng pha.

  1. Lý thuyết truyền sóng âm dưới nước:

    • Tốc độ âm thanh trong nước biển thay đổi theo nhiệt độ, độ mặn và áp suất, được mô tả bằng công thức thực nghiệm:
      $$c = 1449.2 + 4.6T - 0.055T^2 + 0.00029T^3 + (1.34 - 0.01T)(S - 35) + 0.016z$$
      trong đó $T$ là nhiệt độ (°C), $S$ là độ mặn (‰), và $z$ là độ sâu (m).
    • Phương trình sóng âm Helmholtz được sử dụng để mô hình hóa sự lan truyền sóng âm trong môi trường nước.
    • Hiệu ứng Doppler được áp dụng để phân tích sự thay đổi tần số do chuyển động tương đối giữa nguồn và máy thu.

  2. Kỹ thuật beamforming trong anten mảng pha:

    • Anten mảng tuyến tính và mảng phẳng được nghiên cứu với các mô hình hệ số mảng và phân bố pha để điều khiển hướng búp sóng.
    • Thuật toán beamforming tổng và trễ (Delay-and-Sum) được sử dụng để tập trung công suất âm thanh vào hướng mong muốn.
    • Thuật toán MUSIC (Multiple Signal Classification) được áp dụng để xác định chính xác góc tới của tín hiệu phản xạ, giúp nâng cao độ phân giải góc và khả năng phân biệt các nguồn tín hiệu gần nhau.
    • Các mô hình ma trận Butler và Blass được tham khảo để tạo các búp sóng cố định và đa búp sóng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp lý thuyết, mô phỏng và phân tích số liệu:

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu mô phỏng được tạo ra trên phần mềm Matlab dựa trên các công thức lý thuyết về truyền sóng âm và beamforming.
  • Phương pháp phân tích:
    • Mô phỏng hệ số mảng anten mảng pha 16 phần tử để phân tích sự thay đổi pha và hình dạng búp sóng.
    • Áp dụng thuật toán MUSIC để xác định góc tới tín hiệu phản xạ trong môi trường nước.
    • So sánh các kết quả mô phỏng với các tham số tần số, khoảng cách giữa các phần tử và số lượng phần tử để tối ưu hóa thiết kế.
  • Timeline nghiên cứu:
    • Giai đoạn 1: Tổng hợp lý thuyết và khảo sát các mô hình anten mảng (3 tháng).
    • Giai đoạn 2: Mô phỏng beamforming và thuật toán xác định góc tới trên Matlab (4 tháng).
    • Giai đoạn 3: Phân tích kết quả, tối ưu tham số và hoàn thiện luận văn (2 tháng).

Cỡ mẫu mô phỏng bao gồm mảng anten 16 phần tử với khoảng cách phần tử được điều chỉnh để đạt hiệu quả búp sóng tối ưu. Phương pháp chọn mẫu dựa trên các tham số vật lý và kỹ thuật của hệ thống Sonar thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả điều khiển búp sóng bằng beamforming:
    Mô phỏng hệ số mảng anten 16 phần tử cho thấy việc điều chỉnh pha giữa các phần tử giúp tạo ra búp sóng chính với độ rộng khoảng 10° tại điểm -3 dB, tăng cường độ tập trung năng lượng và giảm búp phụ xuống dưới 15 dB so với búp chính. So với mảng 8 phần tử, mảng 16 phần tử cải thiện độ phân giải góc lên khoảng 40%.

  2. Ứng dụng thuật toán MUSIC trong xác định góc tới:
    Thuật toán MUSIC cho phép xác định chính xác góc tới của tín hiệu phản xạ với sai số dưới 1°, vượt trội hơn so với các phương pháp truyền thống. Kết quả mô phỏng cho thấy độ chính xác tăng lên khi số lượng phần tử mảng tăng, với độ chính xác đạt 0.5° khi sử dụng 16 phần tử.

  3. Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các phần tử anten:
    Khoảng cách phần tử anten ảnh hưởng trực tiếp đến độ rộng búp sóng và sự xuất hiện búp phụ. Mô phỏng cho thấy khoảng cách phần tử bằng 0.5 bước sóng là tối ưu để tránh hiện tượng búp phụ mạnh và duy trì độ rộng búp sóng hẹp.

  4. Tác động của tần số sóng âm:
    Tần số cao (trên 100 kHz) giúp thu hẹp búp sóng, tăng độ phân giải nhưng đồng thời tăng suy hao do hấp thụ âm thanh trong nước. Tần số thấp (dưới 50 kHz) giảm suy hao nhưng làm búp sóng rộng hơn, giảm độ chính xác trong dò tìm.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng minh họa qua các biểu đồ hệ số mảng và đồ thị búp sóng cho thấy rõ sự cải thiện về độ phân giải và khả năng định hướng của anten mảng pha khi áp dụng kỹ thuật beamforming. Việc sử dụng thuật toán MUSIC giúp nâng cao khả năng phân biệt các nguồn tín hiệu gần nhau, điều này rất quan trọng trong môi trường nước có nhiều nhiễu nền và đa đường truyền.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả của luận văn cho thấy sự tiến bộ trong việc kết hợp mô hình anten mảng 16 phần tử với thuật toán xác định góc tới, đồng thời tối ưu hóa khoảng cách phần tử để giảm búp phụ và tăng độ chính xác. Điều này có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc thiết kế các hệ thống Sonar chủ động có khả năng dò tìm và định vị chính xác hơn.

Ngoài ra, các kết quả cũng cho thấy sự cân bằng cần thiết giữa tần số sử dụng và suy hao tín hiệu do môi trường nước, từ đó đề xuất lựa chọn tần số phù hợp tùy theo mục đích ứng dụng (dò tìm vật thể gần hoặc khảo sát địa hình sâu).

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống anten mảng pha 16 phần tử với khoảng cách phần tử 0.5 bước sóng

    • Mục tiêu: Tối ưu độ phân giải búp sóng và giảm búp phụ.
    • Thời gian: 6 tháng để thiết kế và thử nghiệm thực tế.
    • Chủ thể thực hiện: Phòng thí nghiệm Wicom Lab phối hợp với đơn vị sản xuất thiết bị Sonar.

  2. Áp dụng thuật toán MUSIC trong xử lý tín hiệu Sonar

    • Mục tiêu: Nâng cao độ chính xác xác định góc tới tín hiệu phản xạ dưới 1°.
    • Thời gian: 3 tháng để tích hợp và hiệu chỉnh thuật toán trên phần cứng.
    • Chủ thể thực hiện: Nhóm nghiên cứu phần mềm xử lý tín hiệu.

  3. Tối ưu tần số hoạt động phù hợp với môi trường khảo sát

    • Mục tiêu: Cân bằng giữa độ phân giải và suy hao tín hiệu.
    • Thời gian: 2 tháng nghiên cứu và thử nghiệm thực địa.
    • Chủ thể thực hiện: Đội khảo sát và vận hành thiết bị Sonar.

  4. Phát triển phần mềm mô phỏng và trực quan hóa kết quả beamforming

    • Mục tiêu: Hỗ trợ phân tích và điều chỉnh tham số anten trong quá trình vận hành.
    • Thời gian: 4 tháng phát triển và hoàn thiện.
    • Chủ thể thực hiện: Bộ phận phát triển phần mềm tại phòng thí nghiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực viễn thông và xử lý tín hiệu

    • Lợi ích: Nắm bắt kiến thức về thiết kế anten mảng pha và kỹ thuật beamforming ứng dụng trong môi trường nước.
    • Use case: Phát triển các hệ thống truyền thông dưới nước hoặc thiết bị dò tìm.

  2. Đơn vị phát triển và sản xuất thiết bị Sonar dân sự và quân sự

    • Lợi ích: Áp dụng các giải pháp kỹ thuật mới để nâng cao hiệu suất thiết bị.
    • Use case: Thiết kế và cải tiến các hệ thống Sonar chủ động cho tàu thuyền và tàu ngầm.

  3. Sinh viên và học viên cao học ngành Kỹ thuật Viễn thông, Điện tử

    • Lợi ích: Học tập và tham khảo mô hình nghiên cứu thực tiễn, phương pháp mô phỏng và phân tích dữ liệu.
    • Use case: Tham khảo để phát triển đề tài nghiên cứu hoặc luận văn tốt nghiệp.

  4. Các tổ chức nghiên cứu khoa học về môi trường biển và thủy văn

    • Lợi ích: Ứng dụng công nghệ Sonar để khảo sát địa hình đáy biển và nghiên cứu sinh vật biển.
    • Use case: Lập bản đồ đáy biển, khảo sát môi trường nước sâu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Beamforming là gì và tại sao quan trọng trong hệ thống Sonar?
    Beamforming là kỹ thuật điều khiển pha và biên độ tín hiệu trên các phần tử anten mảng để tạo ra búp sóng định hướng. Nó giúp tập trung năng lượng sóng âm vào hướng mong muốn, tăng cường khả năng dò tìm và giảm nhiễu, rất quan trọng trong Sonar để nâng cao độ chính xác và phạm vi hoạt động.

  2. Thuật toán MUSIC hoạt động như thế nào trong xác định góc tới?
    Thuật toán MUSIC phân tích ma trận hiệp phương sai của tín hiệu thu để phân biệt các nguồn tín hiệu khác nhau dựa trên không gian tín hiệu và không gian nhiễu. Nó cho phép xác định chính xác góc tới của các tín hiệu phản xạ với độ phân giải cao, vượt trội so với các phương pháp truyền thống.

  3. Tại sao khoảng cách giữa các phần tử anten lại ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống?
    Khoảng cách phần tử anten ảnh hưởng đến sự xuất hiện búp phụ và độ rộng búp chính. Khoảng cách quá lớn gây ra búp phụ mạnh và hiện tượng nhòe búp sóng, trong khi khoảng cách quá nhỏ làm giảm hiệu quả điều khiển búp sóng. Khoảng cách tối ưu thường là 0.5 bước sóng để cân bằng các yếu tố này.

  4. Làm thế nào để lựa chọn tần số hoạt động phù hợp cho Sonar?
    Tần số cao giúp tăng độ phân giải và thu hẹp búp sóng nhưng tăng suy hao do hấp thụ âm thanh trong nước. Tần số thấp giảm suy hao nhưng làm búp sóng rộng hơn. Lựa chọn tần số cần dựa trên mục đích khảo sát, độ sâu và môi trường nước cụ thể.

  5. Phần mềm Matlab được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
    Matlab được sử dụng để mô phỏng các mô hình anten mảng, tính toán hệ số mảng, mô phỏng beamforming và thuật toán MUSIC. Phần mềm giúp trực quan hóa búp sóng và phân tích hiệu suất hệ thống, hỗ trợ tối ưu hóa thiết kế anten và thuật toán xử lý tín hiệu.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết kế và mô phỏng thành công hệ thống anten mảng pha 16 phần tử cho Sonar chủ động, sử dụng kỹ thuật beamforming để điều khiển búp sóng.
  • Thuật toán MUSIC được áp dụng hiệu quả trong việc xác định góc tới tín hiệu phản xạ với độ chính xác cao dưới 1°.
  • Kết quả mô phỏng cho thấy khoảng cách phần tử 0.5 bước sóng là tối ưu để giảm búp phụ và duy trì độ rộng búp sóng hẹp.
  • Nghiên cứu cung cấp giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao trong các hệ thống Sonar dân sự và quân sự, góp phần nâng cao hiệu quả dò tìm và xử lý tín hiệu dưới nước.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực nghiệm, tích hợp thuật toán trên phần cứng và phát triển phần mềm hỗ trợ vận hành hệ thống.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và đơn vị phát triển thiết bị Sonar nên áp dụng và tiếp tục hoàn thiện các giải pháp kỹ thuật được đề xuất để nâng cao hiệu quả và độ chính xác của hệ thống trong thực tế.