(LUẬN án TIẾN sĩ) nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ QN SỰ

TRẦN CƠNG THÌN

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO
CHẤT LƯỢNG ĐỊNH VỊ NGUỒN ÂM
SỬ DỤNG NGUYÊN LÝ TDOA

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2022

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ QN SỰ

TRẦN CƠNG THÌN

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO
CHẤT LƯỢNG ĐỊNH VỊ NGUỒN ÂM
SỬ DỤNG NGUYÊN LÝ TDOA
Ngành : Kỹ thuật điện tử

Mã số : 9 52 02 03
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS Bùi Ngọc Mỹ
2. PGS. TS Nguyễn Huy Hoàng

Hà Nội – 2022

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Các số liệu,
kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được cơng bố trong
bất kỳ cơng trình nào khác.
Hà Nội, ngày

tháng 07 năm 2022
TÁC GIẢ

Trần Cơng Thìn

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


ii

LỜI CẢM ƠN
Trong q trình nghiên cứu và hồn thành Luận án, Nghiên cứu sinh đã
nhận được sự định hướng, giúp đỡ, các ý kiến đóng góp quý báu và những lời
động viên của các nhà khoa học, các thầy cơ giáo, đồng nghiệp và gia đình.
Trước hết, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy PGS.TS Bùi Ngọc
Mỹ, PGS.TS Nguyễn Huy Hồng đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tơi trong
q trình nghiên cứu.
Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn Ban Giám đốc Viện KH-CN quân sự,
thủ trưởng và cán bộ, nhân viên Phòng Đào tạo đã tạo điều kiện thuận lợi để tơi
hồn thành nhiệm vụ nghiên cứu.
Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các nhà khoa học
của Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Viện Điện tử . . . đã có các góp ý quý
báu cho nghiên cứu sinh trong quá trình thực hiện Luận án này.
Cuối cùng xin bày tỏ lời cảm ơn tới các đồng nghiệp, gia đình, bạn bè đã
ln động viên, chia sẻ, ủng hộ và giúp đỡ tơi vượt qua khó khăn để đạt được
những kết quả nghiên cứu trong Luận án này.

NCS Trần Cơng Thìn

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


iii

MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT . . . . . . . . . .

vi

DANH MỤC CÁC BẢNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ix

DANH MỤC CÁC HÌNH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ix

MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ NGUỒN ÂM SỬ DỤNG
NGUYÊN LÝ TDOA

1.1

6

Sự phát triển và khả năng ứng dụng của các kỹ thuật định vị nguồn
âm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

1.1.1

Sự phát triển của kỹ thuật định vị nguồn âm thanh . . . . . . .

6

1.1.2

Khả năng ứng dụng của kỹ thuật định vị nguồn âm . . . . . .

7

1.2

Mơ hình hệ thống định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA . . . 13

1.2.1

Phân loại các kỹ thuật định vị nguồn âm . . . . . . . . . . . . 13

1.2.2

Mơ hình hệ thống định vị nguồn âm . . . . . . . . . . . . . . 16

1.2.3

Định vị nguồn âm dựa trên nguyên lý TDOA . . . . . . . . . . 19

1.3

Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng định vị nguồn âm sử dụng
nguyên lý TDOA

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.3.1

Các bước thực hiện định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA 20

1.3.2

Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng định vị nguồn âm sử dụng
nguyên lý TDOA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.4

Một số kết quả nghiên cứu về định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý
TDOA hiện nay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

1.4.1

Các nghiên cứu liên quan tới phát hiện sự kiện âm thanh . . . . 24

1.4.2

Các nghiên cứu liên quan tới ước tính khác biệt thời gian đến . 25

1.4.3

Các nghiên cứu liên quan tới tính tốn vị trí nguồn âm . . . . . 27

LUAN VAN CHAT LUONG download : add

iv
1.5

Xây dựng bài toán nâng cao chất lượng định vị nguồn âm sử dụng
nguyên lý TDOA

1.5.1

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Đặt bài toán nâng cao chất lượng định vị nguồn âm sử dụng
nguyên lý TDOA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

1.5.2

Đối tượng, phạm vi nghiên cứu và giới hạn của bài tốn . . . . 29

1.5.3

Mơ hình thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

1.6

Kết luận chương 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

CHƯƠNG 2.

ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP PHÁT HIỆN SỰ KIỆN ÂM
THANH VÀ NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ƯỚC LƯỢNG
KHÁC BIỆT THỜI GIAN ĐẾN

2.1

Đề xuất giải pháp phát hiện sự kiện âm thanh

35
. . . . . . . . . . . 35

2.1.1

Một số giải pháp phát hiện sự kiện âm thanh . . . . . . . . . . 35

2.1.2

Mô phỏng đánh giá khả năng phát hiện sự kiện âm thanh . . . 40

2.1.3

Đề xuất giải pháp tiền xử lý tín hiệu kết hợp bộ lọc tương quan

2.2

46

Đề xuất giải pháp nâng cao độ chính xác ước tính khác biệt thời
gian đến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

2.2.1

Ước tính khác biệt thời gian đến sử dụng phương pháp tương

quan chéo tổng quát

2.2.2

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

Đề xuất giải pháp nâng cao chất lượng ước tính khác biệt thời
gian đến sử dụng trọng số thích nghi . . . . . . . . . . . . . . 63

2.2.3

Mô phỏng đánh giá giải pháp nâng cao chất lượng ước tính
khác biệt thời gian đến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

2.3

Kết luận chương 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

CHƯƠNG 3.

XÂY DỰNG GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ NGUỒN ÂM VỚI
VẬN TỐC ÂM THANH LÀ BIẾN SỐ

3.1

75

Các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc lan truyền âm thanh trong khơng
khí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


v
3.2

Đề xuất phương pháp giải bài toán định vị nguồn âm với vận tốc
âm thanh là biến số . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

3.2.1

Phương pháp chia nhỏ không gian định vị để giải bài toán định
vị nguồn âm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

3.2.2

Mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của vận tốc âm thanh tới sai số
định vị nguồn âm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

3.2.3

Phương pháp định vị nguồn âm coi vận tốc âm thanh là biến số

84

3.2.4

Kết quả mô phỏng của giải pháp . . . . . . . . . . . . . . . . 88

3.3

Định vị nguồn âm sử dụng nhiều cụm cảm biến . . . . . . . . . . . 89

3.4

Tổng hợp mơ hình hệ thống định vị nguồn âm . . . . . . . . . . . . 92

3.4.1

Mơ hình giải pháp tổng thể hệ thống định vị nguồn âm . . . . 92

3.4.2

Một số nhận xét khuyến nghị . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

3.5

Kết luận chương 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

KẾT LUẬN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ

101

TÀI LIỆU THAM KHẢO

102

LUAN VAN CHAT LUONG download : add

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

αi

Hệ số suy giảm công suất

β

Hệ số loại bỏ thành phần biên độ

γ

Hằng số đặc trưng môi trường truyền âm

Φ(f )

Hàm trọng số trong miền tần số

cov(X, Y ) Hiệp phương sai của hai biến X&Y
τij
(m)

Trễ thời gian tới của hai cảm biến i&j

τi

Thời gian âm thanh truyền từ nguồn tới cảm biến thứ i

h

đáp ứng xung của kênh truyền

δX

Độ lệch chuẩn của hai biến X

ετ

Sai số trễ thời gian tới

xs

Vị trí của nguồn âm trong khơng gian

qm

Vị trí của mỗi cụm cảm biến

mi

Vị trí của các cảm biến

(m)

ri

Khoảng cách từ vị trí của cảm biến tới nguồn âm

st

Tín hiệu phát ra từ nguồn âm

xi (t)

Tín hiệu thu được tại cảm biến thứ i

τij

Trễ thời gian tới của hai cảm biến i&j

v

Vận tốc âm thanh

L(z)

Tỉ lệ khả năng xảy ra sự kiện âm thanh

Hp0

Giả thuyết khơng có sự kiện âm thanh

Hp1

Giả thuyết có sự kiện âm thanh

cov(X, Y ) Hiệp phương sai của hai biến X&Y

rM AX

Hệ số tương quan cực trị

rng

Ngưỡng phát hiện sự kiện âm thanh

A

Ma trận chứa hệ số trộn

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


vii

y

Vector tín hiệu sau quy tâm

z

Vector tín hiệu sau trắng hóa

J(z)

Khoảng cách thơng tín tới tín hiệu có phâ bố chuẩn

Gi

Hàm đối tượng Negentropy

Sxi xj (f )

Hàm Cross Spectrum

γ

Hằng số đặc trưng mơi trường truyền âm

R

Hằng số khí phổ

T

Nhiệt độ khơng khí

M

Khối lượng phân tử trung bình

ASLS

Hệ thống định vị tiếng nổ súng (Acoustic Shooter Locating System)

BP F

Lọc dải thông (Band Pass Filter)

CCC

Tương quan chéo kinh điển (Classical Cross Correlation)

CN N

Mạng Neural tích chập (Convolutional Neural Networks)

DOA

Góc đến (Direction of Arrival)

GN SS

Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu (Global Navigation Satellite System)

GCC

Tương quan chéo tổng quát (Generalized Cross Correlation)

GCF

Trường phối hợp toàn cục (Global Coherence Field)

EBL

Định vị dựa trên đặc trưng năng lượng (Energy Based Localization)

ER

Tỉ lệ năng lượng (Energy Ratio)

FFT

Biến đổi Fourier nhanh (Fast Fourier Transform)

F IR

Đáp ứng xung hữu hạn (Finite Impulse Response)

ICA

Phân tích thành phần độc lập (Independent Component Analysis)

IF F T

Biến đổi Fourier ngược nhanh (Inverse Fast Fourier Transform)

M EM S

Cảm biến vi cơ (Micro Electro Mechanical Systems)

ML

Học máy (Machine Learning)

M U SIC

Phân lớp nhiều tín hiệu (MUltiple SIgnal Classification)

P HAT

Biến đổi pha (Phase Transform)

RN N

Mạng Neural hồi tiếp (Recurrent Neural Networks)

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


viii

SCOT

Làm trơn tín hiệu (Smoothed Coherence Transform)

SSL

Định vị nguồn âm thanh (Sound Source Localization)

SN R

Tỉ số tín trên tạp (Signal to Noise Ratio)

SRP

Định hướng phản hồi năng lượng (Steered Response Power)

SKAT

Sự kiện âm thanh

T BL

Định vị theo đặc trưng thời gian (Time Based Locaclization)

T DOA

Khác biệt thời gian đến (Time Difference of Arrival)

T DE

Ước tính thời gian trễ (Time Delay Estimation)

T OA

Thời gian đến (Time of Arrival)

WF

Lọc băng con (Wavelet Filter)

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


ix

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang
Bảng 2.1

Hệ số tương quan trung bình tại các cự ly khác nhau . . . 43

Bảng 2.2

Hệ số tương quan trung bình sau bộ lọc thơng dải . . . . . 48

Bảng 2.3

Hệ số tương quan trung bình sau bộ ICA . . . . . . . . . 56

Bảng 2.4

Sai số sai khác biệt thời gian đến cự ly 100m . . . . . . . 71

Bảng 2.5

Sai số sai khác biệt thời gian đến cự ly 500m . . . . . . . 73

Bảng 3.1

Sai số định vị trung bình tại các cự ly . . . . . . . . . . . 83

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


x

DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1

Bảng mạch của hệ thống SoundCompass . . . . . . . . .

8

Hình 1.2

Thiết bị SoundCam của hãng CAE . . . . . . . . . . . .

9

Hình 1.3

Một hình ảnh hoạt động của SoundCam

9

Hình 1.4

Hệ thống trinh sát máy bay của Mỹ năm 1921 . . . . . . . 10

Hình 1.5

Sản phẩm ASLS của hãng Rheinmetall . . . . . . . . . . 11

Hình 1.6

Thiết bị Bionic XS-56 Array của hãng CAE . . . . . . . . 12

Hình 1.7

Phân loại các phương pháp định vị nguồn âm thanh . . . . 14

Hình 1.8

Mơ hình định vị nguồn âm . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

Hình 1.9

Sơ đồ khối chức năng hệ thống định vị nguồn âm . . . . . 21

. . . . . . . . .

Hình 1.10 Cảm biến âm thanh INMP401 . . . . . . . . . . . . . . . 30
Hình 1.11 Cụm 08 cảm biến âm thanh . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Hình 1.12 Tín hiệu phát ra từ nguồn âm . . . . . . . . . . . . . . . 31
Hình 1.13 Tín hiệu âm thanh thu được tại các cự ly khác nhau . . . . 32
Hình 2.1

Phát hiện tiếng nổ đầu nòng của súng AK47 theo biên độ . 36

Hình 2.2

Các bước phát hiện sự kiện âm thanh theo biên độ . . . . 36

Hình 2.3

Lưu đồ thuật toán phát hiện SKAT dùng lọc tương quan . 39

Hình 2.4

Mơ phỏng phát hiện sự kiên âm thanh . . . . . . . . . . . 40

Hình 2.5

Xác suất phát hiện sự kiện âm thanh . . . . . . . . . . . . 41

Hình 2.6

Phát hiện sự kiện âm thanh theo biên độ cự ly 100m . . . 42

Hình 2.7

Phát hiện sự kiện âm thanh theo biên độ cự ly 300m . . . 42

Hình 2.8

Phát hiện SKAT dùng bộ lọc tương quan cự ly 100m . . . 43

Hình 2.9

Phát hiện SKAT dùng bộ lọc tương quan cự ly 200m . . . 44

Hình 2.10 Phát hiện SKAT dùng bộ lọc tương quan cự ly 300m . . . 44
Hình 2.11 Phát hiện SKAT dùng bộ lọc tương quan cự ly 400m . . . 45

LUAN VAN CHAT LUONG download : add

xi
Hình 2.12 Tín hiệu âm thanh sau lọc thơng dải . . . . . . . . . . . . 47
Hình 2.13 Xác suất phát hiện sự kiện âm thanh sau bộ lọc BPF . . . 48
Hình 2.14 Hệ số tương quan ở cự ly 100m sử dụng bộ lọc thơng dải . 49
Hình 2.15 Hệ số tương quan ở cự ly 500m sử dụng bộ lọc thơng dải . 49
Hình 2.16 Mơ hình hai nguồn âm trộn lẫn . . . . . . . . . . . . . . 50
Hình 2.17 Lưu đồ thuật toán phát hiện SKAT sử dụng ICA . . . . . 54
Hình 2.18 Tín hiệu âm thanh sau bộ phân tích âm thành phần độc lập

55

Hình 2.19 Xác suất phát hiện sự kiện âm thanh sau bộ lọc ICA . . . 56
Hình 2.20 So sánh hệ số tương quan cự ly 100m . . . . . . . . . . . 57
Hình 2.21 So sánh hệ số tương quan cự ly 500m . . . . . . . . . . . 57
Hình 2.22 Giá trị GCC-PHAT trên cảm biến thứ i và thứ j . . . . . . 61
Hình 2.23 Sai số ước tính khác biệt thời gian đến với hệ số β

. . . . 64

Hình 2.24 Lưu đồ thuật tốn ước tính khác biệt thời gian đến . . . . 67
Hình 2.25 Các bước thực hiện thuật tốn GCC-PHAT . . . . . . . . 69
Hình 2.26 Sai số ước tính khác biệt thời gian đến với hệ số β
Hình 2.27 Giá trị hàm GCC-PHAT ở cự ly 500m

. . . . 70

. . . . . . . . . . 71

Hình 2.28 Giá trị hàm GCC-PHAT-β -TN ở cự ly 500m . . . . . . . 72
Hình 3.1

Ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm, áp suất tới vận tốc âm thanh 77

Hình 3.2

Ảnh hưởng của gió tới hướng truyền âm thanh . . . . . . 77

Hình 3.3

Bố trí khơng gian định vị và trí cảm biến . . . . . . . . . 78

Hình 3.4

Chia nhỏ khơng gian định vị . . . . . . . . . . . . . . . . 79

Hình 3.5

Mơ hình mơ phỏng đánh giá độ chính xác định vị . . . . . 81

Hình 3.6

Sai số định vị theo cự ly . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

Hình 3.7

Sai số định vị theo vận tốc âm thanh . . . . . . . . . . . . 84

Hình 3.8

Lưu đồ thuật tốn giải pháp giải pháp định vị nguồn âm . 87

Hình 3.9

Sai số vận tốc âm thanh . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

Hình 3.10 Sai số định vị nguồn âm khi vận tốc âm thanh là biến số . 88
Hình 3.11 Định vị nguồn âm sử dụng 04 cụm cảm biến . . . . . . . 90

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


xii
Hình 3.12 Sai số định vị theo cự ly với 1, 2 và 4 cụm cảm biến . . . . 92
Hình 3.13 Mơ hình hệ thống định vị nguồn âm đề xuất . . . . . . . . 93
Hình 3.14 Cấu trúc các cụm cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Hình 3.15 Cấu trúc cụm trung tâm . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án
Định vị nguồn âm thanh là bài toán kỹ thuật quen thuộc, có lịch sử phát
triển lâu dài và được ứng dụng thực tế rộng rãi trong quân sự cũng như dân sự.
Trong các ứng dụng phục vụ mục đích dân sự, các hệ thống định vị nguồn âm
được sử dụng để cảnh báo động đất, tìm kiếm cứu nạn, xác định nguồn ơ nhiễm

tiếng ồn, xác định vị trí hỏng hóc của máy móc... Trong quân sự, hệ thống định
vị nguồn âm có nhiều ứng dụng quan trọng như trinh sát phát hiện đối tượng
xâm nhập, xác định vị trí nguồn hỏa lực, xác định điểm nổ, định vị hỏa lực bắn
tỉa...
Hiện nay, TDOA (Khác biệt thời gian đến - Time Difference Of Arrival)
là nguyên lý được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống định vị nguồn âm cho
nhiều ứng dụng đa dạng. Cùng với sự phát triển của kỹ thuật điện tử, nguyên lý
TDOA được áp dụng, tích hợp trên các phần cứng tiên tiến mang lại hiệu quả
định vị với độ chính xác cao. Định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA có
các lợi thế như: số lượng cảm biến âm thanh nhỏ, độ chính xác định vị cao, thời
gian triển khai nhanh... Do đó rất phù hợp để xây dựng các hệ thống định vị
ngoài trời có cự ly định vị xa như phát hiện định vị hỏa lực, trinh sát cảnh giới
phát hiện xâm nhập... [22].
Tuy nhiên bản thân kỹ thuật định vị nguồn âm bằng TDOA cũng tồn tại
một số nhược điểm như: chịu tác động lớn bởi các điều kiện môi trường, nhiễu
và tạp âm, độ chính xác định vị suy giảm khi tỉ số SNR (Signal to Noise Ratio)
nhỏ. Bên cạnh đó việc sử dụng ngun lý TDOA cũng địi hỏi tính đồng bộ rất
cao về thời gian xử lý và tính tốn giữa các cặp cảm biến. Do đó hiện nay có rất
nhiều nghiên cứu tập trung vào nâng cao độ chính xác định vị nguồn âm bằng
cách cải tiến phương pháp định vị dựa trên nguyên lý TDOA. Mặt khác, do liên

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


2
quan nhiều tới những ứng dụng quân sự, những kết quả nghiên cứu và giải pháp
kỹ thuật chi tiết cho các hệ thống định vị nguồn âm thường ít được cơng bố rộng
rãi, nguồn tài liệu khó tiếp cận. Do đó, nghiên cứu nâng cao chất lượng định
vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA nhằm đáp ứng các yêu cầu hiện nay và
trong tương lai cho các hệ thống trinh sát, cảnh giới sử dụng cảm biến âm thanh

là cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn.
Xuất phát từ những lý do trên, luận án tiến sĩ “Nghiên cứu giải pháp nâng
cao chất lượng định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA” được đặt ra. Kết
quả nghiên cứu của luận án sẽ đóng góp thêm cơ sở khoa học trong tính tốn
thiết kế, làm cơ sở để mở ra một số hướng nghiên cứu tiếp theo, tiến tới làm chủ
giải pháp kỹ thuật, phát triển ứng dụng các hệ thống định vị nguồn âm thanh.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu của luận án tập trung vào việc xây dựng các thuật
tốn xử lý tín hiệu nhằm nâng cao chất lượng định vị nguồn âm thanh sử dụng
nguyên lý TDOA, trong điều kiện ngoài trời, cự ly định vị xa, cụ thể như sau:
• Nghiên cứu, xây dựng thuật toán phát hiện sự kiện âm thanh trong bài tốn
định vị nguồn âm theo ngun lý TDOA;
• Nghiên cứu, xây dựng thuật tốn nâng cao độ chính xác ước lượng khác
biệt thời gian tới;
• Nghiên cứu, xây dựng thuật tốn giải phương trình định vị nguồn âm trong
điều kiên vận tốc âm thanh là một biến số;
• Nghiên cứu, xây dựng mơ hình hệ thống định vị nguồn âm thanh ngoài trời,
cự ly định vị xa, theo nguyên lý TDOA.
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của luận án
Đối tượng nghiên cứu của luận án tập trung vào giải pháp định vị nguồn âm
thanh dựa trên nguyên lý TDOA. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc định vị

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


3
nguồn âm thanh cho lớp đối tượng ngoài trời, chịu ảnh hưởng của các điều kiện
môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, gió, cự ly định vị xa. Hiệu quả của các giải
pháp đề xuất được đánh giá thông qua phương pháp mô phỏng Monte-Carlo
trên Matlab, kết hợp với dữ liệu được thu thập trong điều kiện thực tế.

4. Phương pháp nghiên cứu của luận án
Vận dụng nguyên lý truyền âm TDOA, xác suất thống kê và giải tích để
xây dựng các mối liên hệ toán học, đề xuất một số giải pháp trong bài toán định
vị nguồn âm. Đánh giá kết quả bằng mô phỏng thống kê trên máy tính và thử
nghiệm trên dữ liệu thu thập được trong điều kiện thực tế.
5. Nội dung nghiên cứu của luận án
• Nghiên cứu tổng quan vấn đề định vị nguồn âm, trong đó trọng tâm là giải
pháp định vị nguồn âm dựa trên nguyên lý TDOA.
• Xây dựng các giải pháp kỹ thuật phát hiện sự kiện âm thanh cần định vị,
xây dựng chương trình mơ phỏng đánh giá hiệu quả của giải pháp.
• Xây dựng các giải pháp kỹ thuật nâng cao chất lượng ước tính khác biệt thời
gian đến giữa các cặp cảm biến, xây dựng chương trình mơ phỏng đánh giá
hiệu quả của giải pháp.
• Xây dựng các giải pháp định vị nguồn âm trong điều kiện vận tốc âm thanh
biến đổi, xây dựng chương trình mơ phỏng đánh giá hiệu quả của giải pháp.
• Xây dựng một cụm cảm biến âm thanh nhằm thu thập dữ liệu thực tế làm
cơ sở cho các tính tốn thử nghiệm.
• Xây dựng mơ hình hệ thống định vị nguồn âm tích hợp các giải pháp đã
nghiên cứu nhằm nâng cao độ chính xác định vị nguồn âm.

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


4
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu của luận án bổ sung thêm cơ sở lý
thuyết và giải pháp kỹ thuật liên quan tới việc định vị nguồn âm thanh sử dụng
nguyên lý TDOA, trong đó nhấn mạnh việc giảm nhẹ ảnh hưởng của điều kiện
môi trường trong bài tốn định vị nguồn âm ngồi trời, cự ly định vị xa, tỉ số
SNR nhỏ.

Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án có thể áp dụng vào các
bài toán thực tế trong lĩnh vực quân sự cũng như dân sự như: định vị hỏa lực
bắn tỉa, định vị hỏa lực pháo binh, xác định vị trí điểm nổ, định vị Flycam, phát
hiện nguồn ô nhiễm tiếng ồn...
7. Bố cục của luận án
Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục các cơng trình đã cơng bố của tác
giả, tài liệu tham khảo và phụ lục, nội dung của luận án gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA.
Trình bày tổng quan về sự phát triển, phân tích phương pháp định vị nguồn
âm dựa trên nguyên lý TDOA nói riêng, từ đó đặt ra bài tốn nâng cao chất
lượng định vị nguồn âm.
Chương 2: Đề xuất giải pháp phát hiện sự kiện âm thanh và nâng cao độ
chính xác ước lượng khác biệt thời gian đến.
Xây dựng giải pháp phát hiện sự kiện âm thanh sử dụng bộ lọc tương quan
kết hợp với giải pháp phân tích tín hiệu thành phần độc lập. Xây dựng giải
pháp nâng cao chất lượng ước tính khác biệt thời gian đến sử dụng giải thuật
GCC-PHAT-β -TN.
Chương 3: Xây dựng giải pháp định vị nguồn âm với vận tốc âm thanh là
biến số.
Đánh giá ảnh hưởng của điều kiện môi trường tới vận tốc âm thanh và sai số

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


5
định vị nguồn âm, từ đó đưa ra giải pháp nâng cao chất lượng định vị nguồn
âm thanh trong trường hợp coi vận tốc âm thanh là một biến số. Xây dựng mơ
hình hệ thống định vị nguồn âm với các giải pháp nâng cao chất lượng định
vị được nghiên cứu trong luận án.
Các nội dung và kết quả nghiên cứu chính của luận án đã được cơng bố

trên 5 cơng trình khoa học tại các tạp chí, hội nghị bao gồm 03 bài tạp chí trong
nước, 02 báo cáo hội nghị quốc gia và 01 báo cáo tại hội nghị khoa học quốc tế
có phản biện.

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


6

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ NGUỒN ÂM
SỬ DỤNG NGUYÊN LÝ TDOA
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 mơ 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 cơng 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.
1.1. Sự phát triển và khả năng ứng dụng của các kỹ thuật định vị nguồn
âm
1.1.1. 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

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


7
Thompson, trong đó ơng 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 cơng bố năm 1920,
trong đó đề xuất rằng sự sai lệch thời gian đến của âm thanh có thể được tính
tốn 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.

1.1.2. 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.
1.1.2.1. 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

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


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 thơng 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.
Cơng nghệ định vị nguồn âm thanh cịn 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 ơ 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 ơ
nhiễm tiếng ồn [60].

Hình 1.1. Bảng mạch của hệ thống SoundCompass
Cơng 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

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


9

Hình 1.2. 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 ơ tơ [26].

Hình 1.3. Một hình ảnh hoạt động của SoundCam
Cơng nghệ định vị nguồn âm thanh cịn 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 thơng
minh có khả năng tự động hiển thị hình ảnh người nói đồng thời tối ưu chất

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


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.
1.1.2.2. 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 1.4
[51].

Hình 1.4. 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 cơng 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

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


11
định vị nguồn âm thanh có thể được thực hiện trong thời gian thực, với độ chính
xác cao. Ngồi 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 tốn 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.

Hình 1.5. 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 thơng tin về vị trí bắn của đối
phương được tính tốn và hiển thị ngay cả khi xe đang vận động. ASLS cũng

LUAN VAN CHAT LUONG download : add