tóm tắt luận án tiến sĩ Nghiên cứu phương pháp mạng nơ-ron hiệu chỉnh giản đồ hướng trong ra đa dùng anten mạng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

***********



LÊ DUY HIỆU


NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP MẠNG NƠ-RON
HIỆU CHỈNH GIẢN ĐỒ HƯỚNG TRONG RA ĐA
DÙNG ANTEN MẠNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Ra đa - dẫn đường
Mã số : 62 52 02 04

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT







HÀ NỘI - 2015
ii

Công trình được hoàn thành tại:
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG

Người hướng dẫn khoa học:
1. TS Nguyễn Đôn Nhân
2. TS Lê Đại Phong

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:


Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án Tiến sĩ cấp
Viện, họp tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự vào hồi
giờ ngày tháng năm 2015.




Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Th
ư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự
- Thư viện Quốc gia Việt Nam

1

MỞ ĐẦU

* Tính cấp thiết của đề tài:
Anten mạng rất hữu dụng trong các hệ truyền thông do độ linh
hoạt và dễ điều khiển giản đồ hướng (GĐH) của chúng. Ngày nay các
anten mạng được ứng dụng nhiều trong quân sự và thương mại. Trong

một số ứng dụng, anten mạng chứa một lượng lớn các phần tử hoặc
mạng con. Vì sự có mặt của lượng lớn phần tử, khả năng lớn xảy ra
hỏng hóc hay suy giảm chất lượng (sau đây gọi là phần tử lỗi) của một
hoặc nhiều phần tử trong mạng. Các phần tử lỗi trong mạng phá hủy
tính đối xứng và gây ra biến dạng GĐH có thể đến mức không chấp
nhận được, chủ yếu ở dạng tăng mức búp sóng phụ. Việc thay thế
những phần tử lỗi của anten mạng không phải lúc nào cũng thực hiện
được, ví dụ anten mạng pha trên vệ tinh có một vấn đề rất đặc trưng,
khi vệ tinh đã phóng thì không thể bảo dưỡng được các anten mạng
pha. Nhưng trong trường hợp anten chủ động, có thể phục hồi GĐH
với trả giá nhỏ nhất về chất lượng mà không cần thay thế phần tử hỏng,
bằng cách điều khiển các kích thích của các phần tử không bị lỗi trong
mạng. Điều này giảm đáng kể giá thành khi thay thế các phần tử lỗi và
bảo đảm GĐH luôn được hiệu chỉnh, sự suy thoái của anten mạng
chậm.
Như vậy cần thiết phải đưa ra một số kỹ thuật hiệu chỉnh để có
thể không cần thay thế các phần tử lỗi mà chỉ bằng tính toán lại các
tham số của GĐH với các phần tử không hỏng còn lại để tạo một GĐH
mới gần giống với GĐH ban đầu. Khả năng hiệu chỉnh GĐH anten
mạng có các phần tử lỗi của mạng nơ-ron là một giải pháp phù hợp. Đó
là c
ơ sở để nghiên cứu sinh thực hiện luận án “Nghiên cứu phương
pháp mạng nơ-ron hiệu chỉnh giản đồ hướng trong ra đa dùng anten
mạng”.
2




* Mục tiêu của luận án:

Nghiên cứu tìm một phương pháp hiệu chỉnh GĐH của anten
mạng pha tích cực khi xuất hiện lối của một hoặc nhiều phần tử.
Nghiên cứu này phát triển một phương pháp hiệu chỉnh nhanh GĐH
cho bất kì lỗi phần tử nào của anten mạng từ đó làm tăng tính năng của
anten mạng và các hệ thống phối hợp.
* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
GĐH anten mạng: Phương pháp tính toán bộ tham số của các
phần tử anten mạng với công cụ là mạng nơ-ron truyền thẳng có số lớp,
số nơ-ron tối ưu, các hàm truyền của nơ-ron và thuật toán luyện mạng
phù hợp. Khả năng hiệu chỉnh và giới hạn hiệu chỉnh GĐH anten mạng
của mạng nơ-ron khi anten mạng xuất hiện lỗi. Các tham số kỹ thuật
đặc trưng của anten mạng pha tích cực có 7; 13; 16 và 32 phần tử.
Mạng nơ-ron: Tìm cấu trúc tối ưu của mạng nơ-ron truyền thẳng
(số lớp ẩn, số nơ-ron trong lớp ẩn), thuật toán lan truyền ngược (mạng
nơ-ron thích nghi) theo tiêu chuẩn sai số trung bình bình phương nhỏ
nhất để hiệu chỉnh GĐH anten mạng tuyến tính chuẩn gồm hữu hạn
phần tử khi xuất hiện lỗi bất kỳ.
* Phương pháp nghiên cứu:
Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp mô phỏng:
Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các biểu thức toán học tính
toán, tổng hợp GĐH của anten mạng tuyến tính, các đặc trưng làm biến
dạng GĐH; Nghiên cứu cấu trúc mạng nơ-ron, số nơ-ron, số lớp trong
mạng nơ-ron ảnh hưởng đến tốc độ luyện mạng và khả năng hội tụ của
mạng; Nghiên cứu thuật toán lan truyền ngược theo tiêu chuẩn sai số
trung bình bình phương nhỏ nhất để khi luyện mạng luôn đạt được hội
t
ụ và hội tụ tại điểm mong muốn.
3

Mô phỏng thực nghiệm: Mô phỏng luyện mạng nơ-ron với các
phương pháp luyện khác nhau; Mô phỏng luyện mạng với các hàm
truyền của nơ-ron khác nhau; Mô phỏng đánh giá giá trị hàm sai số
trong mạng nơ-ron sử dụng hàm truyền khác nhau với lớp ẩn có số nơ-
ron khác nhau; Mô phỏng đánh giá khả năng đáp ứng và giới hạn đáp
ứng của mạng nơ-ron dưới tác động của các khả năng xảy ra lỗi ở một
hoặc nhiều phần tử.
* Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:
Ý nghĩa khoa học: Khẳng định mạng nơ-ron là một trong nhiều
công cụ để hiểu chỉnh GĐH khi xuất hiện lỗi ở các phần tử. Thiết kế tạo
các bộ dữ liệu phục vụ luyện mạng nơ-ron mang tính tổng quát, được
kiểm chứng để đánh giá độ tin cậy chính xác và khoa học.
Ý nghĩa thực tiễn: Bộ dữ liệu của GĐH chuẩn và bộ dữ liệu của
GĐH khi xuất hiện lỗi bất kỳ có ý nghĩa cao trong công tác dự báo
hỏng hóc cho anten mạng; Hoàn thiện phương pháp luyện trực tuyến,
điều này đồng nghĩa với hiệu chỉnh GĐH trong thời gian thực.
* Cấu trúc của luận án: Luận án bao gồm 108 trang thuyết minh;
trong đó có 8 bảng; 50 đồ thị, hình vẽ; 44 tài liệu tham khảo và 20 trang
phụ lục.
Chương 1: Tổng quan về anten mạng và đặc trưng giản đồ hướng
anten mạng pha tích cực tuyến tính đồng nhất. Trong chương này luận
án trình bày: Các tham số đặc trưng không gian của anten. Đặc điểm hệ
thống anten mạng pha và mạng pha tích cực. Cụ thể là: trình bày
phương pháp tổng hợp GĐH; các tham số đặc trưng của GĐH; các
phương pháp hiệu chỉnh GĐH với các tiêu chuẩn khác nhau; và các đặc
trưng hỏng hóc phần tử trong anten mạng tuyến tính; Xác định nội dung
nghiên cứu.
Ch

ương 2: Xây dựng mạng nơ-ron hiệu chỉnh GĐH anten mạng
pha tích cực. Trong chương 2 luận án đã khảo sát: Cấu trúc mạng nơ-
4




ron cho việc hiệu chỉnh GĐH, trong đó tập trung đi sâu khảo sát: Số lớp
và số nơ-ron của mạng nơ-ron truyền thẳng; Thuật toán luyện tập mạng
và các vấn đề trong thuật toán luyện mạng, bộ trọng số ban đầu và tỉ lệ
luyện trong quá trình luyện mạng, mô tả phương pháp cập nhật trọng số
các lớp đầu vào, lớp ẩn và lớp đầu ra của mạng nơ-ron và các vấn đề
cực tiểu hàm sai số; Phương pháp luyện mạng nơ-ron; Hàm hoạt động
của mạng nơ-ron.
Chương 3: Ứng dụng mạng nơ-ron hiệu chỉnh GĐH của anten
mạng pha tích cực. Trong chương này luận án trình bày các nội dung
sau: Cơ sở lý thuyết và phương pháp xây dựng bộ dữ liệu chuẩn GĐH
anten mạng tuyến tính đồng nhất với số phần tử hữu hạn phục vụ cho
quá trình luyện mạng. Trên cơ sở các đặc trưng hỏng hóc của anten
mạng xây dựng bộ dữ liệu đầu vào với cấu trúc anten mạng đã biết
phục vụ quá trình luyện mạng. Căn cứ vào kết quả luyện mạng với các
bộ tham số đã được xây dựng đánh giá khả năng hiệu chỉnh của mạng
nơ-ron đã được đưa ra và các giới hạn hiệu chỉnh GĐH của mạng nơ-
ron đó.
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ANTEN MẠNG VÀ ĐẶC TRƯNG GĐH
ANTEN MẠNG PHA TÍCH CỰC TUYẾN TÍNH ĐỒNG NHẤT
1.1. Những vấn đề chung về anten mạng pha
Những tham số chính của anten mạng pha cũng hoàn toàn không
khác gì so với các chủng loại anten khác. Đó là: GĐH anten; mức cánh

sóng phụ; hệ số khuếch đại; hệ số đặc trưng hướng; các đặc trưng tần số
v.v. Tuy nhiên, do có sự tồn tại của các phần tử tích cực nằm trên anten
và tham gia trực tiếp vào quá trình hình thành những đặc trưng đó, nên
cơ sở, và công cụ tính toán cũng có những cách tiếp cận khác. Trong
anten m
ạng pha tích cực tồn tại của hàng trăm, thậm chí hàng ngàn
phần tử là các mô đun thu - phát tích cực. Như vậy việc giải bài toán
5




"nghiên cứu đảm bảo các tham số đặc trưng không gian của hệ thống
anten mạng pha" đã được đề cập trong nhiều tài liệu. Nhưng ứng dụng
công cụ mạng nơ-ron là nội dung mới cần phải nghiên cứu tiếp. Mục
tiêu nghiên cứu của luận án "Nghiên cứu phương pháp mạng nơ ron
hiệu chỉnh giản đồ hướng trong ra đa dùng anten mạng" là: Bằng lý
thuyết anten và kỹ thuật siêu cao tần, lý thuyết điều khiển và sử dụng
công cụ mạng nơ-ron nhân tạo giải quyết bài toán đảm bảo GĐH anten
với các tham số xác định trong trường hợp một tập các phần tử tích cực
bị thay đổi tham số ở mức báo hỏng.
1.2. GĐH anten mạng pha tích cực
Hệ thống anten mạng thông minh được xây dựng đảm bảo giải
quyết hài hòa hay nói cách khác là tối ưu các đặc tính: Mức búp bên
thấp; Độ rộng búp chính hẹp; Khả năng mềm dẻo, linh hoạt trong điều
khiển các đặc tính điện học; Khả năng phát hiện lỗi trong hệ thống và
tự động hiệu chỉnh; Tối ưu trong kết cấu hình học anten.
1.3. Công thức tổng hợp GĐH trong anten mạng tuyến tính

Hình 1.1. Anten mạng tuyến tính

K phần tử, xắp xếp đều với
khoảng cách d trong trường hợp
các tia sóng tới hợp với mặt phẳng
chuẩn một góc


Tín hiệu thu tổng hợp của các phần tử anten được xác định theo
công thức sau:































(1.5)

6




Thành phần tổng trong (1.5) được gọi là hệ số mạng. Để tiện lợi
trong việc luận giải về các búp bên, độ rộng búp chính của GĐH, hệ số
mạng thường được viết theo dạng [5]:










































(1.6)

Về mặt biên độ, ta có :
!





!


"
#$%

&



'


&



'

"

(1.7)

1.4. Các tham số đặc trưng của GĐH anten mạng pha tuyến tính
1.4.1 Tạo búp sóng
Khi có sự tham gia của thành phần bù pha phục vụ sự điều chỉnh
góc quét, công thức (1.5) được viết lại thành:



(
)
























*












+








(1.8)

Rút gọn (1.8), ta có:




(
)










,

-








.
/





+
0

1
2
/


(1.9)

Trong đó: a
i
, φ
i
: Các trọng số biên độ và pha kích thích ban đầu
của các phần tử; k
0
: Số sóng 2π/λ
0
; X
i
: Các vị trí phát xạ trên mặt
ngang i x d;
1.4.2. Độ rộng búp sóng chính mức 1/2 công suất
Độ rộng búp sóng chính Θ
B
đo bằng radian:
3
4


5
*
667
'
8

9:#

3



;<=


(1.10)

7




Như vậy độ rộng búp sóng chính tại điểm nửa công suất phụ
thuộc vào góc quét, tần số và kết cấu hình học của mạng anten.
1.4.3. Búp sóng bên
Xuất phát từ công thức (1.7), các điểm cực trị (cực đại) không
chỉ xảy ra với búp sóng chính mà còn xảy ra khi:
&

'


#$%




>&


?
ớ
$

>

@
(

(
A
(
B


(1.11)

1.4.4. Cấu trúc và giới hạn trường quan sát của các anten mạng
Cấu trúc anten mạng chủ động (tích cực): Mỗi phần tử mảng có
modul phát/thu riêng (T/RM) hình 1.7. Mỗi T/RM chứa bộ khuếch đại
công suất nhỏ, khuếch đại công suất lớn ở nhánh phát và bộ hạn chế, bộ

khuếch đại tạp thấp (LNA), bộ khuếch đại với hệ số khuếch đại thay
đổi được và một bộ xoay pha. Cấu trúc T/RM trong hình 1.8. Mạng
cộng tín hiệu tuyến thu và phân chia tín hiệu tuyến phát tại mức công
suất thấp tới các T/RM. Các bộ xoay pha xác định hướng của GĐH. Bộ
LNA nằm gần anten, tổn hao ít và hệ số tạp thấp trên toàn hệ [41].


Hình 1.7. Cấu trúc của các anten
mạng pha tích cực
Hình 1.8. Cấu trúc của mô đun
phát/thu
Giới hạn trường quan sát: Anten mạng thường chỉ có một
trường quan sát hữu hạn, giới hạn trong khoảng ±60
0
[41]
1.5. Các phương pháp tạo và hiệu chỉnh GĐH anten mạng
1.5.1. Các phương pháp, tiêu chuẩn truyền thống: Phương pháp cố
định bộ trọng số; Tiêu chuẩn tỉ số tín hiệu/nhiễu gồm: Tiêu chuẩn cực
đại tỉ số tín hiệu/ nhiễu, tiêu chuẩn này có thể được áp dụng để tăng
8




cường tín hiệu thu giảm thiểu tín hiệu nhiễu và Thuật toán Chebyshev:
Thuật toán này được áp dụng nhằm duy trì mức búp phụ của GĐH dưới
một mức cho phép); Phương pháp, tiêu chuẩn hội tụ trong đó nghiên
cứu các phương pháp như: Phương pháp MSE, Thuật toán LMS, Thuật
toán RLS; Phương pháp nghịch đảo ma trận mẫu: Khi sử dụng phương
pháp này là có thể thiết lập GĐH có góc quét bất kì nhưng vẫn duy trì

được các tham số khác
1.5.2. Mô hình bù kích thích phần tử
Bù biên độ: Công thức bù được tiến hành cho hai phần tử lân
cận [43]: A
p-1
= A
p-1
+ N.Δ.A
p
; A
p+1
= A
p+1
+ N.Δ.A
p

Trong đó Δ là lượng tử bù, N là số lần bù cần thiết.
Bù pha: Tương tự như bù biên độ các bù pha sẽ tiến hành tương
tự với các phần tử lân cận, các giá trị bù pha sẽ được cập nhật vào thành
phần pha của các phần tử [43].
1.5.3. Mô hình thích nghi bộ trọng số kích thích các phần tử anten


Hình 1.11. Mô hình tổng hợp
GĐH anten mạng
Hình 1.12. Mô hình thích nghi
bộ trọng số kích thích các phần
tử anten mạng
1.6. Các đặc trưng hỏng hóc phần tử trong anten mạng tuyến tính
Hỏng hóc dẫn đến thay đổi tỉ lệ mức búp sóng bên cực đại so với

búp sóng chính; Hỏng hóc dẫn đến độ rộng mức 1/2 công suất của búp
sóng chính thay đổi.
1.7. Xây dựng bộ tham số GĐH anten mạng của một số đài ra đa
Trên c
ơ sở khảo sát các đài ra đa : RĐ1, ra đa RĐ2, ra đa RĐ4,
và ra đa nghiên cứu thiết kế chế tạo trong nước RĐ3 xây dựng bộ tham
số chuẩn về GĐH của các anten mạng trên các đài ra đa này ở bảng 1.1.
9




1.8. Kết luận chương 1
Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan về anten mạng pha cho thấy
anten mạng pha được ứng dụng nhiều trong thực tiễn và anten mạng
pha có khả năng thay đổi dạng GĐH linh hoạt, tốc độ quét GĐH nhanh.
Tuy nhiên anten mạng pha cũng dễ ràng biến dạng GĐH so với GĐH
được thiết kế ban đầu. Khi lỗi một hoặc nhiều phần tử của anten mạng
pha, sẽ rất khó khăn để tìm và thay thế các phần tử lỗi đó. Do đó nghiên
cứu tìm một phương pháp hiệu chỉnh nhanh GĐH của anten mạng pha
khi xuất hiện lỗi của một hoặc nhiều phần tử để đạt được GĐH theo yêu
cầu mà không cần thay thế các phần tử lỗi có tính cấp thiết cao.
Hiện nay trong trang bị của Quân đội Việt Nam, các khí tài ra
đa sử dụng anten mạng pha đã dần thay thế các ra đa sử dụng anten
truyền thống. Trong quá trình sử dụng các khí tài ra đa hiện đại này,
định kỳ hằng năm chúng ta phải tiến hành bảo dưỡng và sửa chữa,
trong khi đó chúng đều là những khí tài nhập ở nước ngoài cho nên
nghiên cứu tìm một phương pháp hiệu chỉnh nhanh GĐH của anten
mạng pha khi xuất hiện lỗi phần tử mà không cần thay thế các phần tử
lỗi, ngoài tính cấp thiết còn mang tính thời sự.

Nghiên cứu hiệu chỉnh GĐH anten mạng pha có nhiều phương
pháp khác nhau đã được công bố. Tuy nhiên với sự xuất hiện của máy
tính, sự xuất hiện những tổ hợp vi mạch điện tử thông minh có dung
lượng vô cùng lớn và tốc độ rất cao. Mạng nơ-ron có khả năng xấp xỉ
với hàm bất kỳ và với sai số bất kỳ. Do vậy nghiên cứu phương pháp
mạng nơ-ron hiệu chỉnh GĐH anten mạng pha là hợp lý và có tính khả
thi cao.
Để đạt được mục tiêu hiệu chỉnh nhanh GĐH của anten mạng
pha khi xuất hiện lỗi của một hoặc nhiều phần tử để đạt được GĐH theo
yêu cầu mà không cần thay thế các phần tử lỗi, cần tập trung nghiên
cứu các nội dung:
- Các tham s
ố kỹ thuật đặc trưng của anten mạng pha tích cực;
10




- Cấu trúc mạng nơ-ron cho việc hiệu chỉnh GĐH, trong đó tập
trung đi sâu nghiên cứu các tham số mạng nơ-ron như: Số lớp và số nơ-
ron của mạng nơ-ron truyền thẳng; Thuật toán luyện tập mạng; Phương
pháp luyện mạng nơ-ron; Hàm hoạt động của mạng nơ-ron;
- Xây dựng bộ dữ liệu chuẩn GĐH anten mạng phục vụ cho quá
trình luyện mạng. Xây dựng bộ dữ liệu đầu vào với cấu trúc anten mạng
đã biết phục vụ quá trình luyện mạng. Đánh giá khả năng hiệu chỉnh
của mạng nơ-ron đã được đưa ra và các giới hạn hiệu chỉnh GĐH của
mạng nơ-ron đó.
Để đáp ứng được các yêu cầu trong công tác đảm bảo kỹ thuật và
kết quả nghiên cứu có tính ứng dụng cao trong thực tiễn đơn vị. Trong
quá trình thực hiện luận án cần nghiên cứu anten mạng pha có số phần

tử đủ lớn, sau đó thực nghiệm bằng những anten mạng pha tích cực có
số phần tử là 7; 13; 16 và 32 đã và đang được trang bị.
Chương 2
XÂY DỰNG MẠNG NƠ-RON HIỆU CHỈNH GIẢN ĐỒ HƯỚNG
ANTEN MẠNG PHA TÍCH CỰC
2.1. Đặt vấn đề
Hiệu chỉnh GĐH anten mạng pha là một vấn đề khó của xử lý tín
hiệu. Xây dựng mạng nơ-ron để hiệu chỉnh GĐH anten mạng pha tích
cực là cần thiết.
2.2. Cấu trúc một số mạng nơ-ron cơ bản
Mạng nơ-ron nhiều lớp perceptron; Mạng nơ-ron Hopfield;
Mạng nơ-ron hàm radial cơ bản; Mạng phân tích các thành phần cơ
bản; Mạng nơ-ron mờ; Mạng nơ-ron truyền thẳng.
2.3. Cấu trúc mạng nơ-ron hiệu chỉnh GĐH
Mô hình thực hiện việc hiệu chỉnh này
được đưa ra ở hình 1.12. Mạng nơ-ron
cũng là một công cụ để hiệu chỉnh
G
ĐH. Khi ứng dụng mạng nơ-ron để
hiệu chỉnh GĐH thì mô hình hiệu chỉnh
Ph
ương án tối ưu tốc độ của
mạng và tính toàn vẹn của
tín hiệu nhờ quá trình tách
tín hi
ệu thành hai phần trực
giao I, Q.
11

như hình 1.12 có thể cấu trúc lại:


Hình 2.1.Mô hình tích hợp anten mạng
và mạng nơ-ron nhân tạo
Hình 2.2: Tích hợp anten
mạng và ANN thực hiện
theo I,Q
2.3.1. Mạng nơ-ron truyền thẳng nhiều lớp
Lớp thấp nhất của MFNN là lớp đầu vào trong đó các phần tử xử
lý nhận được tất cả các trọng số nơ-ron đầu vào, và cung cấp kết quả
đầu ra của chúng để xử lý các phần tử của lớp ẩn đầu tiên.
2.3.2. Các điều kiện tối ưu của MFNN
Vấn đề tối ưu hóa các tham số cho công việc cụ thể mong muốn
có thể được mô tả như sau đối với tiêu chuẩn cực tiểu hàm sai số [27]:
C$%
D
E


@

C$%
D

F



G
H


I

J


K




(2.3)

2.3.3. Mạng nơ-ron truyền thẳng 3 lớp
Mạng truyền thẳng 3 lớp phi tuyến giúp cho mạng nơ-ron có thể
thực hiện thao tác hiệu chỉnh trong giới hạn thời gian cho phép.
2.3.4. Thuật toán luyện tập lan truyền ngược
BP tạo thành một
ánh xạ phi tuyến từ
một tập hợp các kích
thích đầu vào và cho
một tập hợp các kết
quả đầu ra bằng cách
s
ử dụng các tính năng
lấy từ các mô hình đầu

Hình 2.4. Thuật toán lan truyền ngược điều
chỉnh trọng số
L
M

N

của nơ-ron(i,j)
12




vào
2.4. Xử lý trọng số trong quá trình luyện tập mạng 3 lớp
Các nội dung trong mục này: Công thức cập nhật trọng số; Cập
nhật trọng số; Cập nhật trọng số cho các lớp đầu vào; Cập nhật trọng số
cho các lớp đầu ra; Cập nhật trọng số cho lớp ẩn. Trong đó phương
pháp cập nhật, các bước cập nhận đều được mô tả bằng các lưu đồ thuật
toán.
2.5. Số các lớp ẩn và nơ-ron
Khả năng cấu trúc của một MFNN để thực hiện ánh xạ phi tuyến,
khả năng này có thể được đảm bảo bởi cấu trúc mạng nơ-ron đầy đủ số
lượng lớp nơ-ron ẩn và các nơ-ron ẩn [27]. Từ sự tính toán, luôn luôn
đòi hỏi số lớp ẩn nhỏ, số đầu vào và số các nơ-ron ẩn nhỏ. Như vậy,
cấu trúc tối ưu được định nghĩa ở đây là mạng có số lớp ẩn, đầu vào và
nơ-ron ẩn ít nhất, nhưng có khả năng thực hiện yêu cầu xác định trước.
2.6. Ước lượng số nơ-ron trong lớp ẩn
Số nơ-ron lớp ẩn tối ưu với ứng dụng là việc cần tìm để ổn định
khả năng làm việc cũng như độ chính xác của mạng nơ-ron. Trong công

trình [8] đã công bố cho thấy số nơ-ron trong lớp ẩn từ 16 đến 55.
2.7. Cực tiểu cục bộ
Một kỹ thuật luyện lý tưởng cho các trọng số của một MFNN nên
tìm một tập tối ưu của trọng số tương ứng với một điểm nhỏ nhất của
hàm sai số trong toàn bộ không gian trọng số. Trong thực tế, hàm sai số
có thể chứa nhiều cực tiểu trong toàn bộ không gian trọng số, với các
bộ trọng số hoán vị khác nhau cho một MFNN có thể có các thuộc tính
đầu ra tương tự.
2.8. Phương pháp luyện mạng nơ-ron
Dựa trên cơ sở những thực hiện chung đối với phương pháp
luy
ện mạng nơ-ron, thuật toán thực hiện hội tụ nhanh nhằm áp dụng
mạng nơ-ron vào thực tế được phát triển theo hai hướng, đó là thuật
toán Gradient chuyển vị (Conjugate Gradient) và thuật toán Quasi-
13




Newton. Trong đó cấu trúc, tham số mạng nơ-ron, tham số đầu vào đầu
ra của quá trình luyện đã được đưa ra và kết quả đã được tổng hợp
trong bảng 2.3.
2.9. Khảo sát hàm hoạt động của mạng nơ-ron
Qua quá trình khảo sát với cùng cấu trúc và tham số mạng nơ-
ron, kết quả mô phỏng đối với hai loại hàm phù hợp dạng sigmoid đó là
hàm hoạt động tansig và hàm hoạt động logsig, có thể thấy với cùng
một số lần lặp mức lỗi của hàm logsig thường thấp hơn đối với hàm
tansig, tuy nhiên Gradient của hàm logsig đã giảm hơn hàm tansig gấp
hơn 10 lần. Điều này cho thấy khả năng giới hạn sửa lỗi của hàm logsig
với những mức nhiễu lớn là hạn chế. Với độ giảm dốc Gradient quá

nhanh sau một lượng nhỏ lần lặp giữ liệu có thể gây mất ổn định đối
với quá trình luyện. Như vậy với ứng dụng đang thực hiện hàm hoạt
động tansig là ổn định và phù hợp hơn cả.
2.10. Kết luận chương 2
Trong chương này đã nghiên cứu các cấu trúc của mạng nơ-ron
và đưa ra các kết quả về mạng nơ-ron:
- Cấu trúc mạng: Mạng nơ-ron lan truyền thẳng 3 lớp (lớp đầu
vào, lớp ẩn và lớp ra);
- Số nơ-ron tối thiểu trong lớp ẩn thường nhỏ hơn số đầu là 1,
theo kết quả tính toán và mô phỏng trong quá trình nghiên cứu, mục
2.10. Kết luận này sẽ là cơ sở khi luyện mạng với số phần tử anten
mạng hữu hạn trong chương 3;
- Đưa ra phương pháp luyện mạng: trước tiên luyện mạng theo
phương pháp cơ bản nhằm đảm bảo hiệu chỉnh theo hướng giảm sai số
có giám sát. Sau đó áp dụng thuật toán thực hiện hội tụ nhanh quá trình
luy
ện, đó là thuật toán Gradient chuyển vị (Conjugate Gradient) và
thuật toán Quasi-Newton và đi đến kết luận: Phương pháp Quasi-
Newton có số lần lặp rất ít so với phương pháp chuyển vị ; Thời gian
14




luyện của 2 phương pháp không cách nhau quá xa, do đó phương pháp
thuật toán Quasi-Newton mất thời gian trong quá trình giải các bài toán
tối ưu đối với các ma trận; Giá trị Gradient tại điểm hội tụ của phương
pháp thuật toán Quasi-Newton lớn hơn nhiều so với phương pháp thuật
toán chuyển vị Gradent do đó có thể tục mở rộng mạng nơ-ron và độ
giảm mức lỗi tối thiểu của phương pháp thuật toán Quasi-Newton. Đối

với quy trình luyện mạng đã lập luận và đưa ra lưu đồ thuật toán để tính
toán bộ trọng số ban đầu, tỉ lệ luyện và số gia thay đổi độ dốc để tránh
hội tụ tại điểm cực tiểu cục bộ (không phải điểm có sai số phản hồi nhỏ
nhất) trong quá trình luyện mạng.
- Xác định chính xác loại hàm hoạt động của nơ-ron trong mạng,
quá trình nghiên cứu tính toán và mô phỏng đi đến kết luận: Có hai loại
hàm phù hợp dạng sigmoid đó là hàm hoạt động tansig và hàm hoạt
động logsig. Mô phỏng với cùng một số lần lặp thì mức lỗi của hàm
logsig thấp hơn đối với hàm tansig, tuy nhiên Gradient của hàm logsig
đã giảm hơn hàm tansig gấp hơn 10 lần.
Chương 3
ỨNG DỤNG MẠNG NƠ-RON HIỆU CHỈNH GIẢN ĐỒ HƯỚNG
ANTEN MẠNG PHA TÍCH CỰC
3.1. Những nội dung của bài toán ứng dụng mạng nơ-ron hiệu
chỉnh giản đồ hướng anten mạng pha tích cực
Chương này cần thực hiện những nội dung:
1. Thiết kế bộ dữ liệu chuẩn phục vụ luyện mạng nơ-ron;
2. Thiết kế các bộ dữ liệu đầu vào của tất cả các trường hợp lỗi có
thể xảy ra (các trường hợp lỗi có thể xảy ra đã được nghiên cứu ở mục
1.6) phục vụ luyện mạng nơ-ron.
3. Xác
định giới hạn hiệu chỉnh của mạng đối với mức độ hỏng
hóc.
15




3.2. Mô tả chung mô hình thiết kế các bộ dữ liệu
Thiết kế các bộ dữ liệu đảm bảo các tiêu chí cần thiết chỉ có thể

thực hiện trên một hệ thống với những tham số cụ thể đã được đưa ra ở
mục 1.7. Mục 3.2 sẽ liệt kê lại đối tượng thực hiện mà trên đó các giải
pháp kỹ thuật cụ thể được áp dụng.
3.2.1. Mô hình tổng hợp GĐH
GĐH trong anten mạng tuyến tính được tổng hợp sử dụng công
thức (1.9). Tuy nhiên thành phần phát xạ vô hướng của mỗi phần tử là
cố định và độc lập với các tham số khác, trong quá trình chuẩn hóa
thành phần này cũng tự được triệt tiêu do đó (1.9) được viết lại như sau:
OP


,

-








.
/

+


+
0


1
2
/


(3.1)

Trong đó: a
i
, φ
i
- Các trọng số biên độ và pha kích thích ban đầu
của các phần tử; k
0
- Số sóng 2π/λ
0
; X
i
- Các vị trí phát xạ trên mặt
ngang X
i
=i x d; N- Số phần tử anten; d- Khoảng cách giữa các phần tử
liền kề;
θ- Góc chiếu mặt phẳng chuẩn ( G
Q

R)RS
Q


);
θ
n
- Góc quét búp sóng chính (G
Q
T
R)

RS
Q
T
).
3.2.2. Tham số anten mạng được xây dựng trong luận án
Đó là các tham số của hệ thống anten nghiên cứu thiết kế chế tạo
trong nước đã được tính toán trong mục 1.7.
3.2.3. Cấu trúc mạng nơ-ron

Hình 3.1.
C
ấu trúc
mạng nơ-ron
trong anten
m
ạng thích
nghi
16

3.3. Thiết kế bộ dữ liệu chuẩn
Tại một góc quét dữ liệu cung cấp cho khối tổng hợp GĐH là một
mảng hai chiều [16,180/độ phân giải]. Dữ liệu chuẩn được tách thành
hai thành phần trực giao I, Q để phù hợp với hệ thống được diễn giải tại
hình 2.2 theo công thức (3.2).
U
V
W
V
X
OPY

>



9:#



Z



)
I
G




)


S
[


-

OP\

>



#$%



Z



)
I
G

)



S
[


-



 (3.2)
Trong đó : m = 1, 2, ,181 ; θ
m
= m.π/180.
Góc chiếu
Giản đồ hướng(dB)

Hình 3.3. GĐH khôi phục với bộ dữ
liệu chuẩn
GĐH sau khi được khôi phục
từ bộ dữ liệu chuẩn có độ rộng
búp sóng chính mức 3dB ở góc
chiếu 25
0
là 8
0
và chênh lệch
mức búp chính với mức búp
phụ lớn nhất là 13,3dB. Các
tham số này phù hợp với tính
toán lý thuyết
3.4. Tạo bộ dữ liệu vào phục vụ quá trình luyện mạng nơ-ron

3.4.1. Các dạng dữ liệu lỗi và ảnh hưởng
Như đã nghiên cứu ở mục 1.5. GĐH anten mạng pha tích cực
chịu tác động không mong muốn từ các trường hợp sau:
- Trường hợp 1: Giá trị các tham số kỹ thuật của các phần tử tích
cực sau khi chế tạo sai lệch so với giá trị của chúng khi tính toán thiết
kế (bao gồm cả pha và biên độ);
- Tr
ường hợp 2: Hỏng hóc các phần tử anten (phần tử hỏng
không tham gia vào quá trình tổng hợp GĐH), trường hợp này có thể
17




coi phần tử hỏng luôn có các kích thích pha và biên độ đều bằng 0.
Trường hợp này xảy ra theo hai hướng: Các phần tử hỏng ngẫu nhiên
không ảnh hưởng đến kích thước anten mạng (không thay đổi độ rộng
búp sóng chính, thay đổi mức búp phụ); Các phần tử hỏng làm thay đổi
kích thước anten mạng (thay đổi độ rộng búp sóng chính);
- Trường hợp 3: Tác động bởi mức công suất tín hiệu ở đầu vào
các phần tử tích cực vượt quá dải động của chúng (đối với tín hiệu thu).
Các ảnh hưởng trên được xem xét một cách độc lập nhằm xác
định những biến dạng đặc trưng tương ứng của GĐH.
3.4.2. Phương pháp tạo các bộ dữ liệu đầu vào mạng nơ-ron và
đánh giá
3.4.2.1. Phương pháp tạo bộ dữ liệu do sai lệch so với tham số
chuẩn
Giả sử trong anten mạng đồng nhất các tham số kích thích về biên
độ và pha lần lượt là:
AE = [1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1];

PE = [0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0].
Khi chịu tác động của sai số ngẫu nhiên các đại lượng này sẽ được
cộng hoặc trừ đi một lượng ngẫu nhiên.
AE(i) = AE(i) ± random(ka) i = 1,…,16 (3.3)

PE(i) = PE(i) ± random(ki) i = 1, ,16 (3.4)

Trong đó ka, ki là vùng giá trị ngẫu nhiên cần xác định phù hợp
với đáp ứng của các T/RM.
Các hệ số ngẫu nhiên trong giới hạn cho phép và độ phân giải
tương tự như bộ dữ liệu chuẩn sẽ được tách thành hai thành phần trực
giao với công thức tương tự như (3.2).
18




U
V
W
V
X
OP

Y

>




O
E
′



*
]^



Z



)
I
G

)


S
_E
′


-

OP\


>



OE
′



*




Z



)
I
G

)


S
_E
′



-





(3.5)

3.4.2.2. Phương pháp tạo bộ dữ liệu do hỏng hóc phần tử
Dữ liệu lỗi do sai lệch (AFHI, AFHQ) so với tham số chuẩn cho
mạng nơ-ron hiệu chỉnh được lấy lấy từ 16 đường tín hiệu biên độ-pha
của 16 phần tử anten mạng chỉ khác là một số ngẫu nhiên các phần tử
tại các vị trí ngẫu nhiên có các kích thích biên độ và pha được qui 0.
Công thức tạo bộ dữ liệu tương tự như (3.5) như sau:
AE’ = [0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1];
PE’ = [0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0].
Bộ dữ liệu do 4 phần tử tại 4 vị trí 1, 6, 7, 14 không tham gia vào
quá trình tổng hợp GĐH
3.4.2.3. Phương pháp tạo bộ dữ liệu khi bão hòa máy thu
Với những diễn giải nêu trên việc tạo ra bộ dữ liệu do nhiễu tác
động được thực hiện theo qui trình như sau:
Bước 1: Tạo bộ dữ liệu chuẩn lí tưởng (mục 3.3)
Bước 2: Tạo các thành phần ngẫu nhiên theo các mức biên độ
thay đổi vào hai thành phần I và Q của bộ dữ liệu có được từ bước 1.
Công thức tạo dữ liệu bước 1 được tiến hành theo công thức
(3.2). Các thành phần công suất nhiễu được thêm vào theo công thức
sau:
`
OPaY


>


OPY

>

b
aP
*

@
OPa\

>


OP\

>

b
aP
*





(3.6)

19




Trong đó: m là độ phân giải (m = 1, 2, …, 181); NF là giá trị của
nhiễu theo hàm phân bố nhiễu; k1, k2 là các hệ số điều chỉnh công suất
nhiễu.

Hình 3.8. Vùng
hiệu chỉnh GĐH
khi khi bão hòa
máy thu
3.4.2.4. Phương pháp tạo bộ dữ liệu lỗi kết hợp
Sự kết hợp của các sai lệch hỏng hóc tác động lên GĐH vô cùng
đa dạng, để tạo được bộ dữ liệu cho trường hợp này thứ nhất phải xuất
phát từ các bộ dữ liệu lỗi riêng biệt sau đó kết hợp lại với nhau theo
một qui ước thống nhất. Qui ước này phải đảm bảo thể hiện được toàn
bộ các tác động như các lỗi riêng biệt.
ERDI(m) = F(AFSI(m),AFNI(m),AFHI(m)) (3.7)

ERDQ(m) = F(AFSQ(m),AFNQ(m),AFHQ(m)) (3.8)


Hình 3.9. Qui trình tạo bộ dữ liệu lỗi kết hợp
20

3.4.3. Kiểm tra các bộ dữ liệu đầu vào mạng nơ-ron
Phương pháp kiểm tra là khôi phục GĐH từ bộ dữ liệu được tạo
ra và đánh giá các tham số sai lệch dựa trên các đánh giá ảnh hưởng
như trong mục 3.4.1.
3.4.3.1. Các tiêu chuẩn đối với GĐH anten
Các tham số này tuân theo các lý giải tại mục 1.2 và được thể
hiện trong các giản đồ ở hình 3.10 và 3.11, bao gồm :
Tỉ lệ giữa năng lượng búp sóng chính và năng lượng mức búp
bên cực đại : -13,3dB; Độ rộng búp sóng chính 7,2
0
đến 14,4
0
tương
ứng với dải góc quét búp sóng chính -60
0
đến +60
0
(Độ rộng tính ở mức
nửa công suất). Như vậy phù hợp với tham số ở bảng 1.1.


Hình 3.10. GĐH tại góc quét 0
0
Hình 3.11 GĐH tại góc quét 60
0

3.4.3.2. Thực hiện của mạng nơ-ron đối với các bộ dữ liệu vào.
Đầu tiên sẽ kiểm tra mạng nơ-ron trong thực hiện hiệu chỉnh

GĐH khi các phần tử sai lệch so với chuẩn. Các thực hiện được minh
họa tại góc quét búp sóng chính -25
0
.


Hình 3.12. GĐH chuẩn (a)
và GĐH bị biến dạng (b)
Hình 3.13. GĐH chuẩn (a)
và GĐH khôi phục (b)
Hình 3.14. GĐH chuẩn (a) và
GĐH bị biến dạng (b)
Hình 3.15. GĐH chuẩn (a)
và GĐH khôi phục(b)
21





Hình 3.16. GĐH chuẩn (a)
và GĐH bị biến dạng (b)
Hình 3.17. GĐH chuẩn (a)
và GĐH khôi phục (b)
3.5. Phương pháp đánh giá hiệu quả, giới hạn của mạng nơ-ron
Khả năng đáp ứng của mạng nơ-ron theo phạm vi điều chỉnh các
trọng số, phần này đưa ra một chỉ tiêu đánh giá khả năng đáp ứng thực
tế của mạng nơ-ron khi số lượng phần tử lỗi, vị trí phần tử lỗi, công
suất nhiễu là ngẫu nhiên nhằm: Khẳng định khả năng của ứng dụng
trong phạm vi cho phép; Đưa ra giới hạn cứng đối với ứng dụng; Cảnh

báo giới hạn.
Khả năng của mạng nơ-ron khôi phục GĐH khi xuất hiện các
phần tử hỏng: phần này thống kê khả năng khôi phục GĐH của anten
khi xuất hiện hỏng hóc các phần tử, sự hỏng hóc ở đây được qui định là
hỏng hoàn toàn. Việc thống kê dựa trên quá trình luyện với tất cả các
trường hợp hỏng hóc khác nhau. Quá trình luyện được thực hiện trên
công cụ Matlab, kết quả mối lần luyện được lưu giữ và được đưa ra như
một tham khảo về khả năng thực hiện thích nghi của mạng nơ-ron.
Bảng 3.8. Khảo sát khả năng khôi phục GĐH anten.
STT
Số phần tử
hỏng trong
anten m
ạng

Số trường
hợp hỏng có
th
ể xảy ra

Số trường hợp
hiệu chỉnh
GĐH

Số trường
hợp không
s
ửa đ
ư
ợc

1 1 16 1.936 0
2

2

120

14.520

0

3 3 560 67.760 0
4

4

1820

220.220

0

5 5 4368 528.528 238
6

6

8008

968.968

1.893

7 7 11440 138.4240 8.004
8

8

12870

1.557.270

11.099

9 9 11440 1.384.240 11.440
10

≥10

Không th
ực hiện
th
ống k
ê

22

Phương pháp thực hiện được tiến hành theo phương pháp xác
xuất trung bình. Từ bảng 3.8 có thể nhận thấy khả năng áp dụng của
mạng nơ-ron có được độ tin cậy cần thiết với số phần tử hỏng không
vượt quá 4 phần tử
3.6. Hiệu chỉnh GĐH anten mạng của các ra đa RĐ1; ra đa RĐ2;
và ra đa RĐ4
3.7. Kết luận chương 3
Chương 3 đã hoàn thành các nội dung khoa học:
1. Hoàn thành thiết kế bộ dữ liệu chuẩn phục vụ luyện mạng: bộ
dữ chuẩn được thiết kế ra đảm bảo được tính chính xác, khoa học, tuân
thủ chặt chẽ các nguyên tắc toán học. Bộ dữ liệu còn được kiểm chứng
một cách trực quan nhờ công cụ mô phỏng Matlab để chứng minh tính
đúng đắn và tin cậy.
2. Hoàn thành thiết kế các bộ dữ liệu đầu vào: Bộ dữ liệu đầu vào
đã được thiết kế với các trường hợp, mỗi trường hợp được coi là bộ dữ
liệu nhỏ đầu vào
3. Đã xác định khả năng hiệu chỉnh và giới hạn hiệu chỉnh GĐH
của mạng đối với mức độ hỏng hóc khác nhau (Bảng 3.8)
4. Kết quả đưa ra tại các bảng từ 3.1 đến 3.7 cho biết số gia trọng
số khi số phần tử hỏng tăng từ 5 đến 8 phần tử, kết quả này có ý nghĩa
đối với các kỹ sự thiết kế anten mạng trong việc lựa chọn linh kiện điện
tử để chế tạo.
5. Kết quả hiệu chỉnh GĐH anten mạng của các ra đa RĐ1; ra đa
RĐ2; và ra đa RĐ4 được trình bày ở phụ lục của luận án.
KẾT LUẬN
A. Những kết quả chính của luận án
Từ những kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm luận án
rút ra được các kết luận sau:
Các kết quả liên quan tới anten mạng pha tích cực: “Mô hình

thích nghi b
ộ trọng số kích thích các phần tử anten mạng” thực hiện
trong thời gian thực cho phép thay đổi thông minh các tham số của
anten mạng nhằm có được những bộ tham số GĐH theo yêu cầu. Mô
23




hình thích nghi trên phù hợp với hiệu chỉnh GĐH anten mạng pha tích
cực đồng nhất khi chúng xuất hiện lỗi các phần tử sẽ dẫn tới các sự thay
đổi: Mức búp sóng bên cực đại so với búp sóng chính; Độ rộng mức 1/2
công suất của búp sóng chính; Phân bố năng lượng trong GĐH.
Các kết quả liên quan tới mạng nơ-ron: Mạng nơ-ron lan truyền
thẳng 3 lớp (lớp đầu vào, lớp ẩn và lớp ra); Số nơ-ron trong lớp ẩn từ
15 đến 55; Luyện mạng theo thuật toán Gradient chuyển vị (Conjugate
Gradient) và thuật toán Quasi-Newton đều phù hợp nhưng trong cùng
một thời gian luyện nên sử dụng thuật toán Quasi-Newton. Hàm truyền
nơ-ron dạng sigmoid loại tansig phù hợp với cấu trúc mạng nơ-ron ba
lớp.
Các kết quả liên quan đến bộ dữ liệu phục vụ luyện mạng nơ-ron:
Xây dựng được bộ dữ liệu chuẩn của anten mạng có số phần tử khác
nhau (7; 13; 16 và 32); Xây dựng được bộ dữ liệu đầu vào (bộ dữ liệu
của anten mạng khi xuất hiện phần tử bị lỗi) tương ứng với anten mạng
có số phần tử khác nhau ở trên trong các trường hợp:
- Bộ dữ liệu ứng với giá trị các tham số kỹ thuật của các phần tử
tích cực sau khi chế tạo sai lệch so với giá trị của chúng khi tính toán
thiết kế (bao gồm cả pha và biên độ);
- Bộ dữ liệu ứng với các phần tử anten hỏng ngẫu nhiên (phần tử
hỏng không tham gia vào quá trình tổng hợp GĐH).

- Bộ dữ liệu tương ứng với sự tác động bởi mức công suất tín
hiệu đưa đến đầu vào các phần tử tích cực để đầu ra của chúng bão hòa.
- Đã xây dựng mô hình thiết kế bộ dữ liệu đầu vào trong trường
hợp các hỏng hóc xảy ra đồng thời được gọi là dữ liệu hỗn hợp.
Với cùng cấu trúc mạng nơ-ron, thời gian luyện mạng 1s và sai
số giữa GĐH sau hiệu chỉnh so với GĐH chuẩn là 10
-3
, khi số phần tử
hỏng trong anten mạng nhỏ hơn 5, mạng nơ-ron có khả năng hiệu chỉnh
thành công với bất kỳ lần luyện nào. Khi số phần tử hỏng tăng lên từ 5
ph
ần tử, với thời gian và sai số giữ nguyên số lần luyện mạng không
thành công tăng từ 238 lên, số lần luyện không thành công tăng đột