PHẦN MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Trong các lĩnh vực dân sự Radar thƣờng đƣợc dùng để tránh va chạm cho tàu thuyền và xe cộ khi có thời tiết xấu hay dùng để giám sát giao thông hoặc dự báo khí tƣợng thuỷ văn. Trong quân sự Radar đƣợc dùng để quét và theo dõi các mục tiêu quân sự nhƣ máy bay, tàu chiến, xe cộ quân sự… Các hệ thống Radar đƣợc tích hợp trong hầu hết các thiết bị quân sự hiện đại nhƣ máy bay chiến đấu, hệ thống phòng thủ tên lửa, tàu chiến, xe tăng… Hệ thống Radar sử dụng sóng vô tuyến nên chủ yếu sử dụng để quét trên mặt đất do sóng điện từ bị suy hao rất lớn nên hầu nhƣ ko thể lan truyền đƣợc ở trong môi trƣờng nƣớc. Vì vậy để quét và dò tìm mục tiêu ở dƣới nƣớc, công nghệ Sonar đã ra đời. Sự ứng dụng rộng rãi của sóng Sonar (Sound Navigation and Ranging) trong các lĩnh vực dân sự và quân sự, đặc biệt trong thƣơng mại hóa ở các lĩnh vực nhƣ đánh bắt cá và cung cấp thông tin dƣới nƣớc đã thể hiện đƣợc vai trò của nó.
Hệ thống này sử dụng sóng siêu âm nhân tạo tƣơng tự nhƣ cá heo để truyền thông tin dƣới nƣớc. Một trong những yêu cầu cơ bản của khảo sát thủy văn là để phát hiện và nhận dạng các mục tiêu dƣới nƣớc hoặc chƣớng ngại vật. Nhằm mục tiêu nghiên cứu và làm chủ công nghệ hệ thống SONAR chủ động, cụ thể hơn là hệ thống sử dụng kỹ thuật điều khiển búp sóng Beamforming để tăng cƣờng khả năng phát hiện vật thể và xử lý hình ảnh của hệ thống. Các kết quả nghiên cứu của luận văn đƣợc thực hiện với mục đích áp dụng vào hệ thống Sonar hiện có của phòng LAB nghiên cứu.
Mục tiêu của đề tài Luận văn nghiên cứu đặc tính truyền sóng trong môi trƣờng nƣớc và trong hệ thống Sonar, nghiên cứu về kỹ thuật điều khiển búp sóng beamforming và các thuật toán xác định hƣớng góc tới. Luận văn đề xuất phƣơng án thiết kế hệ thống Anten mảng pha và kỹ thuật Beamforming cùng phƣơng pháp xác định góc tới của tín hiệu 12 phản xạ sử dụng trong hệ thống Sonar dƣới dạng lý thuyết đề xuất và đƣa ra kết quả mô phỏng. Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu của đề tài đƣợc thể hiện ở những mục sau: - Nghiên cứu kỹ thuật thực hiện beamforming và đề xuất phƣơng pháp thiết kế hệ thống anten mảng pha và phƣơng pháp xác định hƣớng sóng đến của hệ thống Sonar chủ động. - Mô phỏng, tối ƣu các tham số về thiết kế để đạt đƣợc các thông số tối ƣu cho hệ thống.
Cụ thể: 1) Tìm hiểu các loại anten mảng, các phƣơng pháp thực hiện kỹ thuật beamforming sử dụng anten mảng pha cho hệ thống Sonar. 2) Mô phỏng sự thay đổi về pha và đồ thị phƣơng hƣớng bức xạ của hệ thống Anten mảng. 3) Mô phỏng đề xuất phƣơng pháp thực hiện xác định góc tới của tín hiệu phản xạ trong hệ thống Sonar. Nội dung nghiên cứu và các kết quả mô phỏng đƣợc trình bày trong luận văn và đƣợc chia thành các chƣơng nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống Sonar Chƣơng 2: Anten mảng Chƣơng 3: Kỹ thuật beamforming trong anten mảng pha Chƣơng 4: Hệ thống Anten mảng pha đề xuất và mô phỏng Chƣơng 5: Kết luận chung Phƣơng pháp nghiên cứu (lý thuyết, mô phỏng, thực nghiệm, …) Nghiên cứu phân tích lý thuyết, mô phỏng kết quả các trƣờng hợp xảy ra từ đó tối ƣu các thông số để đƣa ra đƣợc kết quả tốt nhất nhằm mục đích áp dụng trong thực tế triển khai.
Các kết quả mô phỏng đƣợc thực hiện trên phần mềm Matlab để minh họa kết quả đạt đƣợc từ công thức lý thuyết. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 13 Luận văn nghiên cứu những vấn đề có tính mới, tính thực tiễn, ý nghĩa khoa học và có khả năng áp dụng trong thực tế cao. Đó là nghiên cứu mảng anten đƣợc thiết kế dùng cho hệ thống Sonar chủ động. Các kết quả mô phỏng và hƣớng đề xuất sử dụng thuật toán MUSIC kết hợp điều khiển búp sóng của mảng anten đang đƣợc đề xuất là mới.
Những nghiên cứu và kết quả của luận văn giúp đƣa ra những phƣơng pháp mô phỏng lý thuyết nhằm chứng minh và áp dụng thực tế với mục đích nâng cao hiệu quả ứng dụng trong hệ thống Sonar. 14 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SONAR Sonar là công nghệ quan trọng đƣợc sử dụng và ứng dụng trong việc dò tìm và định vị trong môi trƣờng nƣớc. Công nghệ Sonar hiện đã và đang đƣợc ứng dụng rất nhiều trong các sản phẩm dân sự và quân sự và chứng tỏ đƣợc tính hiệu quả và khả năng của nó. Trong chƣơng này trình bày một cách ngắn ngọn lý thuyết về Sonar, các thành phần cơ bản trong kỹ thuật Sonar và những ứng dụng của Sonar trong thực thế sử dụng.
Khái niệm về Sonar Sonar là từ viết tắt của SOund Navigation And Ranging là kỹ thuật sử dụng sự lan truyền của âm thanh (thƣờng sử dụng trong môi trƣờng dƣới nƣớc) để điều hƣớng, đo khoảng cách (phạm vi), liên lạc hoặc phát hiện các đối tƣợng trên hoặc dƣới mặt nƣớc chẳng hạn nhƣ các tàu bè, vật thể trôi nổi trên mặt nƣớc hay các vật thể chìm, trôi nổi trong nƣớc; công nghệ Sonar tƣơng tự nhƣ công nghệ Radar (Radio Detection And Ranging) sử dụng trong môi trƣờng truyền dẫn sóng điện từ trong không gian. Với nguyên tắc sử dụng sự lan truyền của sóng âm, hệ thống Sonar đƣợc sử dụng nhƣ một phƣơng tiện dùng để xác định vị trí nguồn âm thanh dựa vào việc đo đặc tính tiếng vọng của mục tiêu cần xác định trong nƣớc. Sonar sử dụng các transducer và hydrophones là các thiết bị chuyển đổi tín hiệu âm thanh thành tín hiệu điện, sử dụng để xác định và thu lại các âm thanh dƣới nƣớc từ mọi hƣớng. Hệ thống Sonar đƣợc chia làm hai loại: - Sonar chủ động: Hệ thống sử dụng phƣơng pháp phát ra các xung của sóng âm và lắng nghe các sự phản hồi từ các xung phản xạ.
- Sonar thụ động: Hệ thống chỉ lắng nghe các sóng âm gây ra bởi các đối tƣợng cần quan sát nhƣ tàu bè, sinh vật biển hoặc các vật thể khác gây ra. Sonar chủ động 15 Sonar chủ động là hệ thống sử dụng các máy phát sóng âm (sound transmitter) và các máy thu tín hiệu sóng âm (sound receiver) để thực hiện việc phát và thu tín hiệu. Vị trí đặt máy phát và máy thu trong Sonar chủ động xác định dạng hoạt động của hệ thống gồm: - Khi cả hai máy phát và máy thu cùng ở một nơi, khi đó hệ thống hoạt động đơn tĩnh (monostatic operation). - Khi máy phát và máy thu đƣợc tách rời nhau, khi đó hệ thống hoạt động tĩnh (bistatic operation).
- Khi sử dụng nhiều máy phát hơn (hoặc nhiều máy thu hơn) và bị tách biệt về mặt không gian, khi đó hệ thống hoạt động đa tĩnh (multistatic operation). Hầu hết các hệ thống Sonar đƣợc sử dụng chế độ đơn tĩnh (máy phát và thu cùng đặt một nơi) với cùng một mảng các tranducer/ hydrophone đƣợc sử dụng cho việc truyền và nhận. Bằng cách sử dụng kết hợp thành mảng, các sóng âm đƣợc tập trung tạo thành một chùm tia định hƣớng với công suất tập trung (kỹ thuật beamforming) nhằm gia tăng khoảng cách và tăng độ chính xác cho hệ thống. Sonar chủ động tạo ra một xung sóng âm, thƣờng đƣợc gọi là “ping” và sau đó lắng nghe các sự phản hồi (gọi là “echo” hay tiếng vang) của xung.
Xung âm thanh đƣợc tạo ra bằng cách sử dụng một máy phát Sonar bao gồm bộ tạo tín hiệu, bộ khuếch đại công suất và bộ chuyển đổi âm thanh từ điện thành sóng cơ học, thiết bị chuyển đổi thƣờng đƣợc sử dụng là các tranducer. Tranducer là thiết bị có khả năng truyền và nhận các tín hiệu âm thanh (“ping”). Để tăng độ định hƣớng cho chùm tia phát, kỹ thuật beamforming đƣợc sử dụng để tập trung công suất âm học vào trong một chùm tia, chùm tia này có thể đƣợc quét để bao phủ hết các góc cần tìm kiếm.1 Mô hình hệ thống SONAR chủ động [1] Khoảng cách đến đối tƣợng đƣợc xác định bằng cách đo khoảng thời gian từ khi truyền xung đến đi nhận đƣợc xung phản hồi. Để xác định vị trí phƣơng hƣớng của đối tƣợng, nhiều hydrophones khác nhau đƣợc sử dụng bằng cách đo thời gian đến tƣơng ứng tới mỗi đầu thu hoặc sử dụng mảng các hydrophones và đo biên độ tƣơng đối trong các chùm tia đƣợc hình thành thông qua một quá trình đƣợc gọi là beamforming.
Việc sử dụng một mảng anten cho phép giảm các hiệu ứng không gian do đó cung cấp một hệ thống đa tia bao phủ rộng đƣợc sử dụng. Sonar chủ động cũng đƣợc sử dụng để đo khoảng cách qua môi trƣờng nƣớc giữa hai đầu dò Sonar (transducers) hoặc kết hợp với một hydrophone (micro âm thanh dƣới nƣớc). Khi một cặp hydrophones/ transducer nhận một tín hiệu hỏi dò nó sẽ phản hồi lại tín hiệu đó bằng một tín hiệu phản hồi của cặp hydrophones/transducer kia. Để đo khoảng cách, một transducer hay một máy phát sẽ truyền đi tín hiệu hỏi dò và đo thời gian giữa quá trình truyền này đến khi nhận đƣợc phản hồi của transducer/hydrophone phản hồi, chênh lệch thời gian tính theo tốc độ âm thanh truyền trong nƣớc, khoảng thời gian này đƣợc chia hai cho ta khoảng cách cần tìm.Với phƣơng pháp này, khi đƣợc sử dụng với nhiều transducer/hydrophone có thể tính toán vị trí tƣơng đối của các đối tƣợng tĩnh và động trong nƣớc.
Xung phát tín hiệu Sonar có thể hoạt động ở tần số không đổi (CW) hoặc tần số thay đổi (để cho phép nén xung tại đầu thu - FM). Các hệ thống Sonar đơn giản thƣờng sử dụng với một bộ lọc đủ rộng để có thể bao phủ toàn bộ sự thay đổi của 17 hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động của mục tiêu. Khi hệ thống sử dụng truyền tín hiệu ở tần số đơn không đổi, hiệu ứng Doppler có thể đƣợc sử dụng để đo tốc độ xuyên âm của mục tiêu, sự khác biệt về tần số giữa tín hiệu truyền và nhận đƣợc đo và chuyển đổi thành giá trị vận tốc. Hệ thống Sonar quân sự thƣờng sử dụng nhiều chùm tia kết hợp bằng kỹ thuật beamforming để tăng cƣờng búp sóng nhằm cung cấp khả năng bao phủ toàn diện trong khi những hệ thống đơn giản chỉ bao phủ đƣợc một vòng cung hẹp mặc dù chùm tia có thể quay đƣợc nhƣng tƣơng đối chậm bằng cách quét cơ học.