Nghiên cứu giải pháp đảm bảo khả năng làm việc ổn định của kênh liên lạc thủy âm.

 




L





nh 
 : 62 44 01 05




 



H- 2015

Công trình được hoàn thành tại:


Người hướng dẫn khoa học:
1. TS Chu Xuân Quang
 

Phản biện 1: 


Phản biện 2: 

Phản biện 3: 



-CN
 
  ngày tháng 7 15




Có thể tìm hiểu luận án tại:
- 
-  .
1

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của việc nghiên cứu đề tài luận án.
Trong những năm gần đây, nền khoa học và công nghệ thế giới đã có nhiều
bước phát triển vượt bậc. Trên mặt đất và trên không, hạ tầng thông tin liên lạc đã
có những bước phát triển. Tuy nhiên dưới nước, vấn đề thông tin liên lạc vẫn còn
khá mới mẻ và là thế mạnh của một số ít quốc gia phát triển.
Trong lĩnh vực dân sự, do không cần tính chất bí mật, bất ngờ nên có thể
lựa chọn kênh liên lạc, thời điểm và điều kiện truyền sóng tối ưu. Tuy nhiên trong
điều kiện tác chiến quân sự, không phải lúc nào kênh liên lạc cũng đặt trong điều
kiện truyền sóng thuận lợi nên độ bất định tiên nghiệm tín hiệu rất lớn và do đó

việc sử dụng máy liên lạc thủy âm thông thường (hệ đơn anten) là khó khả thi.
Vấn đề đặt ra đối với các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực thu-phát truyền tin cần
phải có những nghiên cứu để ứng dụng mạng anten thủy âm cho các trang bị
quân sự để có thể hoạt động được trong những điều kiện phức tạp mà vẫn đảm
được hoàn thành nhiệm vụ
Theo lý thuyết thủy âm, phân bố vùng sáng-tối âm trong trường thủy âm
phụ thuộc vào mặt cắt không gian bao quanh máy thu [41]. Tồn tại nhiều vùng
trong không gian là vùng sáng âm đối với mặt cắt này nhưng lại là vùng tối âm
đối với mặt cắt khác, gọi là những vùng mờ [78]. Việc tăng cường khả năng làm
việc của máy liên lạc ở vùng này hiện ít được quan tâm nghiên cứu cả trong và
ngoài nước. Vì vậy việc nghiên cứu giải pháp tăng cường khả năng thu nhận tín
hiệu máy liên lạc thủy âm tại các vùng tối âm và vùng mờ âm có giá trị khoa học
cao và ứng dụng to lớn cho các máy liên lạc thủy âm quân sự, góp phần tăng
cường khả năng ổn định kênh liên lạc thủy âm trong các điều kiện môi trường
phức tạp khác nhau, đảm bảo cho thông tin dưới nước được thông suốt.
2. Mục tiêu của luận án.
Nghiên cứu, xây dựng và giải quyết bài toán đảm bảo khả năng làm việc
ổn định của kênh liên lạc thủy âm trên cơ sở lý thuyết tia và các kỹ thuật về anten
mạng pha.
3. Nội dung nghiên cứu của luận án.
Luận án gồm 3 chương:
- Chương 1: Tổng quan về lý thuyết thủy âm biển và bài toán mất ổn định
của kênh liên lạc thủy âm.
2

Trình bày các vấn đề tổng quan về thủy âm biển, các thành tựu mới nhất
trong lĩnh vực thông tin thủy âm và vấn đề mất ổn định của kênh liên lạc thủy âm
khi điều kiện truyền sóng thay đổi.
- Chương 2: Giải pháp tăng cường cự ly kênh liên lạc thủy âm sử dụng
anten mạng pha.

Chương này đưa ra tính toán lý thuyết các dạng trường âm thường gặp và
nhận định tham số góc thoát, góc tới tia âm là yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến cự ly
liên lạc. Từ đó đề xuất giải pháp thay đổi góc thoát, góc tới tia âm bằng cách sử
dụng anten thủy âm mạng pha; đồng thời cũng trình bày thực nghiệm xây dựng
mô hình mạng anten thủy âm gốm áp điện 8 phần tử điều chỉnh được.
- Chương 3: Hiệu quả tăng cường tỷ số tín hiệu/tạp âm của kênh liên lạc
thủy âm sử dụng anten mạng pha.
Chương này đề xuất một mô hình kênh liên lạc thủy âm cố định từ điểm
đến điểm giữa hai thiết bị liên lạc thủy âm dựa theo tính toán lý thuyết. Các điều
kiện truyền âm và giới hạn biên được tính toán trên cơ sở bộ dữ liệu về trường
âm khu vực biển Quy Nhơn năm 2002 của trạm thủy hải văn thành phố Quy
Nhơn, từ đó tham chiếu thành mô hình tương đương trong môi trường MATLAB
để tính toán tỷ số S/N ở đầu ra máy thu trong hai trường hợp dùng anten vô
hướng và dùng anten mạng pha 8 phần tử.
Phương pháp:
- Phân tích lý thuyết: từ lý thuyết thuỷ âm xây dựng cơ sở khoa học cho
giải pháp đảm bảo khả năng làm việc ổn định thông qua tăng cường các tham số
cự ly và tỷ số S/N của kênh liên lạc thủy âm.
- Mô phỏng và khảo sát: đánh giá tác động của các tham số ảnh hưởng tới
khả năng làm việc ổn định của kênh liên lạc thủy âm.
- Tính toán mô phỏng để đánh giá hiệu quả giải pháp đối với một tuyến
kênh liên lạc thủy âm cơ bản.
Kết cấu luận án: Luận án được trình bày trong 135 trang khổ A4 bao gồm
mở đầu, 3 chương, kết luận, danh mục các bài báo đã công bố và tài liệu tham
khảo.

3

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT THỦY ÂM BIỂN

VÀ BÀI TOÁN MẤT ỔN ĐỊNH CỦA KÊNH LIÊN LẠC THỦY ÂM

1.1. Lý thuyết thủy âm biển.
1.1.1. Các đặc trưng dẫn âm của môi trường biển.
Truyền âm trong môi trường đồng nhất không có hấp thụ được mô tả bằng
phương trình truyền âm [41]:

2
22
2
p
cp
t



. (1.1)
Trong đó: p - áp suất âm(Pa); c - vận tốc âm (m/s).
Khi nghiên cứu về mối quan hệ giữa vận tốc âm và một số tham số của
nước biển, người ta thường sử dụng công thức thực nghiệm đơn giản [78]:
3 2 2 2
2
1492,9 3( 10) 6 10 ( 10) 4 10 ( 18)
1,2( 35) 10 ( 18)( 35) / 61,
c T T T
S T S z


         
     

(1.2)
Trong đó: T - Nhiệt độ nước biển (
0
C); S - Độ mặn nước biển (‰);
z
- độ sâu
khảo sát (m).
1.1.2. Đặc tính suy giảm âm trong biển.
Hệ số suy giảm có thể được tính bằng công thức Marsh và M. Schulkin
[29]:
 
22
22
4
22
2,03 10
2,93 10
1 6,54 10
T
TT
Sf f
f
P
f f f







    



, (1.3)
Trong đó:

- hệ số suy giảm (dB/km);
S

- độ mặn của nước biển (‰);
f
- tần
số tín hiệu thủy âm (kHz);
P
- áp suất tĩnh của nước biển (atm);
T
f
- hàm nhiệt
độ
6 1520/( 273)
21,9 10
T
T
f


; T - nhiệt độ nước biển (
0
C).

1.1.3. Các phương pháp đánh giá mô hình truyền âm trong biển.
- Phương pháp âm học sóng: Cơ sở của phương pháp là giải phương trình
sóng (1.1) với các điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho trước [41], [42].

- Phương pháp sử dụng lý thuyết tia: Lý thuyết tia là giải pháp tiệm cận của
lý thuyết sóng và có kết quả chính xác khi
f 
(
0
), nghĩa là tần số càng
cao sẽ cho kết quả càng chính xác [78].
4

1.2. Các yếu tố tác động đến kênh liên lạc thủy âm.
1.2.1. Các yếu tố tác động đến kênh liên lạc thủy âm.
- Không gian truyền: Khi truyền âm trong vùng biển sâu luôn tồn tại các
vùng sáng âm và vùng tối âm. Khi vận tốc âm thay đổi thì vị trí các vùng tối âm
và vùng sáng âm cũng thay đổi, gây ra hiện tượng mất ổn định trong truyền âm
biển và đến nay vẫn chưa có giải pháp nào khắc phục cơ bản hiện tượng trên.
- Các yếu tố khác như nhiễu nội của thiết bị thu tín hiệu thuỷ âm, tạp âm
biển, nhiễu vang, hiện tượng xâm thực bọt khí, hiệu ứng Doppler
1.2.2. Phân chia dải tần-khoảng cách trong liên lạc thủy âm.
Bảng 1.1. Băng tần tín hiệu liên lạc thủy âm phân chia theo khoảng cách.
Khoảng cách liên lạc
Cự ly (Km)
Dải tần (kHz)
Rất xa
1000
<1
Xa

10-100
2-5
Vừa
1-10
≈ 10
Ngắn
0,1-1
20-50
Rất ngắn
<0,1
>100
1.3. Tình hình nghiên cứu tăng cƣờng khả năng ổn định kênh liên lạc thủy
âm trên thế giới và trong nƣớc.
1.3.1. Giải pháp sử dụng máy thu đa kênh.
Đặc trưng của hệ thống thủy âm đa kênh là sử dụng nhiều kênh thu phát tín
hiệu đồng thời. Các phần tử anten là các phần tử định hướng. Nghiên cứu [17] sử
dụng kỹ thuật IMED cho một máy thu 20 kênh, làm việc với tín hiệu điều chế
QPSK tốc độ 46,7 kbps tại tần số sóng mang 100 kHz trong kênh nước nông. Kết
quả đã cho khoảng cách truyền tối đa đo đạc được là 530 m với đường cong tỷ số
lỗi bít (Bit-Error-Rate: BER) như minh họa trong hình 1.1.








Hình 1.1. Đường cong BER ước lượng cho máy thu 20 kênh
sử dụng kỹ thuật IMED.

5

1.3.2. Giải pháp sử dụng tín hiệu điều chế.
- Sử dụng tín hiệu điều chế không tương can NCM (Non-Coherent
Modulation).
- Sử dụng giải điều chế tương can pha PCD (Phase-Coherent Detection).
1.3.3. Giải pháp truyền đa kênh kết hợp với xử lý tín hiệu phức tạp.
Đây là giải pháp kết hợp ưu điểm của giải pháp sử dụng máy thu đa kênh
và giải pháp sử dụng tín hiệu điều chế.Các nghiên cứu [24], [28] theo giải pháp
này tại tần số mang 880 Hz, cho cự ly liên lạc theo tính toán tới 100 km. Kết quả
tính toán được tách riêng cho trường hợp vận tốc âm có gradient không đổi
(Invariable Sound Velocity Gradients: ISVG) và trường hợp vận tốc âm có
gradient âm (Negative Sound Velocity Gradients: NSVG). Đường cong BER cho
hai trường hợp này như minh họa trong hình 1.2.










Hình 1.2. Đường cong BER cho kênh liên lạc thủy âm
ISVG (a) và NSVG (b).
1.3.4. Giải pháp kết hợp pha
Giải pháp kết hợp pha PC(Phase – Conjugation) sử dụng mạng các máy
phát và mạng các máy thu cho kênh truyền tín hiệu thủy âm. Máy phát sử dụng

giải pháp pha chủ động APC (Active Phase – Conjugation), còn máy thu sử dụng
giải pháp pha thụ động PPC (Passive Phase – Conjugation).
Giải pháp PPC khi kết hợp với phương pháp thu tín hiệu đảo dạng TRM có
thể cho khoảng cách liên lạc rất xa, có thể đến 900 km[59].
1.4. Sự thay đổi vận tốc âm và tính bất ổn định của tín hiệu thủy âm.
1.4.1. Trường hợp kênh liên lạc được đặt trong sơ đồ truyền ống dẫn sóng.
a)

b)

6

Mô tả đường vận tốc âm đã tuyến tính hóa như trong hình 1.3a, biên giới
hạn kênh thủy âm như trong hình 1.3b.








Hình 1.3. Kênh liên lạc đặt trong sơ đồ truyền ống dẫn sóng.
1.4.2. Trường hợp kênh liên lạc được đặt trong sơ đồ truyền phản ống dẫn
sóng.
Đường cong vận tốc âm tuyến tính hóa và giới hạn kênh liên lạc thủy âm
như minh họa trong hình 1.4.

Hình 1.4. Kênh liên lạc đặt trong sơ đồ truyền phản ống dẫn sóng.

1.4.3. Tính mất ổn định của tín hiệu thủy âm khi đường cong vận tốc âm thay
đổi .

Biểu diễn cả hai sơ đồ hình 1.3 và 1.4 trên cùng trục tọa độ, ta được minh
họa của kênh liên lạc thủy âm trong trường hợp có sự thay đổi sơ đồ truyền âm
như trong hình 1.5.
Từ hình 1.5 ta thấy có 4 vùng có thể có hoặc không có tín hiệu âm tương
ứng với từng sơ đồ truyền âm: Vùng A (phần chấm): luôn có tín hiệu âm; Vùng B
(phần gạch chéo đứt nét): Chỉ có tín hiệu âm với sơ đồ truyền ống dẫn sóng;
Vùng C (phần lưới vuông): Không có tín hiệu âm; Vùng D (phần caro): Chỉ có
tín hiệu âm với sơ đồ truyền phản ống dẫn sóng; Như vậy vùng B và C có thể có
z
0
z

r
1
x

0

z
0

Vùng sáng âm

Vùng tối âm

c
1
c
0
0

r
2
c

α
1
α
2
r

z
0
z

r
1
x

0

z
0
Vùng sáng âm

Vùng tối âm

c
1
c
0
0

r
2
c

α
1
α
2
r

7

tín hiệu hoặc không tùy thuộc vào sơ đồ truyền nên được gọi là vùng xám. Và do
đó, cự ly của kênh liên lạc thủy âm có thể đạt tối đa đến hơn 8,74 km nhưng cũng
có thể chỉ đạt tối đa 2,13 km.

Hình 1.5. Kênh liên lạc thủy âm trong trường hợp
có sự thay đổi sơ đồ truyền âm.

CHƢƠNG 2
GIẢI PHÁP TĂNG CƢỜNG CỰ LY KÊNH LIÊN LẠC THỦY ÂM
SỬ DỤNG ANTEN MẠNG PHA

2.1. Mối quan hệ giữa cự ly liên lạc và góc thoát tia âm trong kênh âm sâu.
2.1.1. Quỹ đạo tia âm.







Hình 2.1. Quỹ đạo tia âm khi gradient vận tốc âm không đổi.
Giả sử có một nguồn phát âm đặt tại độ sâu
0
z
, có quỹ đạo tia âm và
đường cong vận tốc âm tương ứng như trong hình 2.1.Khi đó khoảng cách tia âm
được tính:

22
0 0 0
0
1
sin 1 1 ( ) cos
cos
r a z z a
a


      




. (2.1)
8,74
6,88
2,13
0,57 0,73
3,8
x(km)

0,2

0

z (km)
1,5

A
B
C

D
0

0

8

2.1.2. Khảo sát khoảng cách truyền âm theo góc thoát tia âm.
Luận án đã dựng được đường cong vận tốc âm đã tuyến tính hóa cho 3 sơ
đồ truyền âm thường gặp như trong hình 2.2.








Hình 2.2. Đường cong vận tốc âm tuyến tính hóa với các sơ đồ truyền âm khác
nhau:Truyền âm bề mặt (a); Truyền âm ống dẫn sóng (b); Truyền âm phản ống
dẫn sóng(c)
2.1.3. Kết quả khảo sát.
a) Sơ đồ truyền âm bề mặt (hình 2.3)
b) Sơ đồ truyền âm ống dẫn sóng
- Trường hợp điểm phát và điểm thu nằm phía trên trục kênh âm (hình 2.4);

- Trường hợp điểm phát và điểm thu nằm phía dưới trục kênh âm(hình 2.5);
c) Sơ đồ truyền âm phản ống dẫn sóng(hình 2.6):









Hình 2.3. Cự ly liên lạc phụ thuộc
góc thoát của tia âm trong sơ đồ
truyền âm bề mặt:

Hình 2.4. Cự ly liên lạc phụ thuộc góc
thoát của tia âm trong sơ đồ truyền âm
ống dẫn sóng khi điểm phát và điểm
thu nằm trên trục kênh âm.

a)

b)

c)

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
1000
1020
1040

1060
1080
1100
1120
1140
1160
1180
1200
Goc thoat (rad)
Cu ly (m)
Su phu thuoc cua cu ly truyen vao goc thoat
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
0.98
1
1.02
1.04
1.06
1.08
1.1
1.12
1.14
1.16
1.18
x 10
4
Goc thoat (rad)
Cu ly (m)
Su phu thuoc cua cu ly truyen vao goc thoat
9

Hình 2.5. Cự ly liên lạc phụ thuộc góc
thoát của tia âm trong sơ đồ truyền âm
ống dẫn sóng khi điểm phát và điểm
thu nằm dưới trục kênh âm.

Hình 2.6. Cự ly liên lạc phụ thuộc góc
thoát của tia âm trong sơ đồ truyền
âm phản ống dẫn sóng.
2.2. Mạng anten thủy âm và phƣơng pháp điều khiển giản đồ hƣớng không
gian.
2.2.1. Anten thủy âm và đặc trưng hướng trong không gian.
Xét theo tính định hướng, tham số đặc trưng anten là giản đồ hướng không
gian, được biểu diễn bằng công thức:

max
( , )
( , )
A
R
A

  

, (2.2)
Trong đó:
,
- góc tà và góc phương vị trong không gian biểu diễn giản đồ
hướng;
( , )R 
- giản đồ hướng chuẩn hoá;
( , )A 
- giá trị đo được tại hướng
có tọa độ
( , )
;
2.2.2. Mạng anten thủy âm và khả năng điều chỉnh đặc trưng hướng không
gian bằng phương pháp điều chỉnh pha các phần tử.







Hình 2.7. Cấu trúc của một mạng anten thủy âm tuyến tính phẳng
điều khiển giản đồ hướng theo nguyên tắc điều chỉnh pha các phần tử
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8

3.9
4
x 10
4
Goc thoat (rad)
Cu ly (m)
Su phu thuoc cua cu ly truyen vao goc thoat
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
7
7.2
7.4
7.6
7.8
8
8.2
8.4
x 10
4
Goc thoat (rad)
Cu ly (m)
Su phu thuoc cua cu ly truyen vao goc thoat
z

x

……….

1

2

3

i

n

( 1).L n d



b


d

10

Cấu trúc của một mạng anten thủy âm tuyến tính phẳng điều khiển giản đồ
hướng theo nguyên tắc điều chỉnh pha từng phần tử như minh họa trong hình 2.7.
2.3. Điều khiển góc thoát tia âm khỏi nguồn phát và góc tới tia âm tại điểm
thu thông qua điều khiển giản đồ hƣớng không gian anten thủy âm.
2.3.1. Quan hệ giữa góc thoát tia âm (hoặc góc tới máy thu thủy âm) và góc
cực đại chính trong giản đồ hướng không gian của mạng anten thủy âm.
Khi
2
d


và

b

= 0, vị trí cực đại chính sẽ là:

()
ax
21
arcsin
i
m
i
n


  


(2.3)
Góc thoát và góc tới tia âm

trong các kết quả khảo sát ở mục 2.2 sẽ đổi
thành giá trị

khi sử dụng tính toán trong mạng anten:

2

  
(2.4)
2.3.2. Khảo sát khả năng điều khiển góc thoát, góc tới tia âm thông qua điều

khiển pha đặt vào từng phần tử mạng anten thủy âm.
a. Khảo sát sự phụ thuộc của giản đồ hướng không gian mạng anten thủy âm vào
số phần tử anten.
Luận án đã tiến hành khảo sát mạng anten thủy âm theo số phần tử anten
để tìm hiểu ảnh hưởng của chúng tới giản đồ hướng không gian của mạng ở một
số điều kiện nhất định như hình 2.8.









Hình 2.8. Đặc trưng hướng không gian của mạng anten thủy âm
với số phần tử khác nhau: a)
4n 
; b)
8n 
; c)
12n 
.
b. Khảo sát khả năng điều khiển giản đồ hướng không gian mạng anten thủy âm
8 phần tử.
0.2
0.4
0.6
0.8
1

30
210
60
240
90
270
120
300
150
330
180
0
Gian do huong mang anten thuy am tuyen tinh 8 phan tu
0.2
0.4
0.6
0.8
1
30
210
60
240
90
270
120
300
150
330
180
0

Gian do huong mang anten thuy am tuyen tinh 4 phan tu
0.2
0.4
0.6
0.8
1
30
210
60
240
90
270
120
300
150
330
180
0
Gian do huong mang anten thuy am tuyen tinh 12 phan tu
a)

b)

c)


11

Luận án đã lựa chọn mạng anten thủy âm 8 phần tử làm đối tượng khảo sát
và việc khảo sát chỉ thực hiện trong mặt phẳng tà hoặc hoặc phương vị. Một vài

kết quả với
00
10 30  
như trong hình 2.9









Hình 2.9. Đặc trưng hướng không gian của mạng anten thủy âm 8 phần tử khi vị
trí góc cực đại 1 thay đổi.
2.4. Tín hiệu truyền trên kênh liên lạc thủy âm.
2.4.1. Tín hiệu băng gốc.
- Tín hiệu thoại.
- Tín hiệu điều chế số.
2.4.2. Tín hiệu băng thông.
Tín hiệu băng gốc cần phải được điều chế với sóng mang có tần số phù
hợp với anten thủy âm để truyền ra môi trường. Dạng tín hiệu này được gọi là tín
hiệu băng thông (Bandpass Signals: BP).
2.4.3. Tín hiệu tương đương băng gốc.
Tín hiệu tương đương băng gốc là tín hiệu thu được sau quá trình giải điều
chế sóng mang tại máy thu trong kênh liên lạc thủy âm.
2.4.4. Băng tần tín hiệu trong kênh liên lạc thủy âm.
Quá trình truyền tín hiệu từ nơi phát đến nơi thu sử dụng kênh liên lạc thủy
âm làm thay đổi băng tần tín hiệu. Hình 2.10 mô tả quá trình chuyển đổi tần số
của tín hiệu băng gốc trong quá trình liên lạc.

0.2
0.4
0.6
0.8
1
30
210
60
240
90
270
120
300
150
330
180
0
Gian do huong mang anten thuy am tuyen tinh 8 phan tu, goc bu pha 10 do
0.2
0.4
0.6
0.8
1
30
210

60
240
90
270
120
300
150
330
180
0
Gian do huong mang anten thuy am tuyen tinh 8 phan tu, 30 do
0.2
0.4
0.6
0.8
1
30
210
60
240
90
270
120
300
150
330
180
0
Gian do huong mang anten thuy am tuyen tinh 8 phan tu, goc bu pha 20 do
12

Hình 2.10. Minh họa biến đổi băng tần tín hiệu trong kênh liên lạc thủy âm.
2.4.5. Yêu cầu đối với dải thông anten thủy âm.
Giả sử tần số tối đa tín hiệu băng gốc cần truyền là
0
f
thì khi có điều chế
sóng mang, tần số tối đa tín hiệu băng thông có thể được điều chế theo định lý
Nyquist-Shannon[31]:

0
2
c
ff
(2.5)
2.5. Thực nghiệm thiết kế chế tạo mạng anten thủy âm 8 phần tử điều khiển
giản đồ hƣớng theo pha.
2.5.1. Thiết kế mạng anten thủy âm gốm áp điện 8 phần tử.
a. Phần tử anten thủy âm.

Hình 2.11. Hình dạng và đáp ứng tần số hai mẫu anten gốm áp điện:
loại TCA-35 (a) và loại P3 (b).
Điều chế
sóng mang

Anten
thủy
âm
phát

Bit nguồn

Lọc dải
thông



Tín hiệu
băng gốc

Tín hiệu
băng
thông




Tín hiệu
băng
thông
f

x(f)


f
c


Anten
thủy
âm
thu

Máy phát

Kênh truyền

f

x(f)


f
c


Lọc dải
thông



Tín hiệu
băng
thông
Giải điều
chế

Tín hiệu
băng
thông


f

x(f)


f

c


Bit đích



Tín hiệu
tương
đương
băng gốc
Máy thu

f

|S(f)|



f

|x(f)|


f
c


-f
c

f
S


-f
S






f

|S*(f)|


f
S


-f
S


f

|x(f)|

f
c


-f
c






b)
a)
anten thủy âm gốm áp điện
Dây
đo
13

Tại Việt Nam hiện nay có hai loại anten thủy âm gốm áp điện là loại do
Z181/Tổng cục CNQP sản xuất và loại nhập ngoại sử dụng cho các mục đích
khác nhau như anten máy điện thoại dưới nước, anten SONAR Luận án đã
chọn mẫu anten thủy âm gốm áp điện loại miếng vuông P3 làm phần tử để xây
dựng mạng anten thủy âm. Đặc trưng hướng của phần tử anten gốm áp điện tại
tần số
33f kHz
như sau:

Hình 2.12. Giản đồ hướng phần tử anten gốm áp điện: a) Biểu diễn trong mặt
phẳng tà; b) Biểu diễn trong mặt phẳng phương vị
b. Mạng anten thủy âm gốm áp điện 8 phần tử.
Luận án đã thiết kế được một mô hình mạng anten thủy âm 8 phần tử. như
minh họa trong hình 2.13.









Hình 2.13. Mô hình mạng anten thủy âm gốm áp điện 8 phần tử.
2.5.2. Thiết kế bộ điều khiển pha cho anten thủy âm gốm áp điện 8 phần tử.
- Mạch điều khiển pha ở chế độ phát:
Sơ đồ chức năng mạch điều khiển pha ở chế độ phát được minh họa trong
hình 2.14.
Các phần tử transducer
U(V)

U(V)

b)
a)
14















Hình 2.14. Sơ đồ khối chức năng mạch điều khiển dịch pha
dùng cho chế độ phát.
- Mạch điều khiển pha ở chế độ thu:
Sơ đồ chức năng mạch điều khiển pha ở chế độ thu như minh họa trong
hình 2.15.

Hình 2.15. Sơ đồ khối chức năng mạch điều khiển dịch pha
dùng cho chế độ thu.
Khối điều khiển pha tín hiệu thu
Khối khuếch đại thuật
toán và AD

Điều
khiển pha

Lệnh
điều
khiển

Tín hiệu thu
(số)

Dịch
pha số
1


Dịch
pha số
2



Dịch
pha số
8




ADC
1


ADC
2




ADC
8



KĐTT

1


KĐTT
2




KĐTT
8


Mạng anten
thủy âm

Phần tử
1


Phần tử
2




Phần tử
8

Tổng hợp
tín hiệu

Tín
hiệu
đồng
bộ

Khối điều khiển pha tín hiệu phát





Điều
khiển pha

Lệnh
điều
khiển

Tín hiệu
phát (số)

Dịch
pha số
1


Dịch
pha số
2



Dịch
pha số
8




DAC
1


DAC
2




DAC
8


Khối khuếch
đại công suất

KĐCS
1


KĐCS
2




KĐCS
8


Mạng anten
thủy âm

Phần tử
1


Phần tử
2




Phần tử
8

Tín
hiệu
đồng
bộ

15

Bộ điều khiển dịch pha và dịch pha số cho cả hai chế độ thu và phát được
tích hợp chung trên một bo mạch FPGA. Lưu đồ thuật toán hình 2.16 thực hiện
chức năng dịch pha tín hiệu ra theo địa chỉ đặt sẵn trong ROM với số lượng đầu
ra là 8 và bước dịch pha là 10
0
trong khoảng (0-π).

Hình 2.16. Lưu đồ thuật toán mạch điều khiển dịch pha mạng anten thủy âm.
2.5.3. Khảo sát giản đồ hướng không gian mô hình anten thủy âm mạng pha.
a. Khảo sát với tín hiệu điều hòa.
Kết quả đo đạc giản đồ hướng mô hình mạng anten thủy âm gốm áp điện 8
phần tử đã chế tạo khi độ lệch pha đặt vào các phần tử lần lượt là 0
0
và 30
0
như
trong hình 2.17 và 2.18.


Dịch pha số dữ liệu tại bộ đệm
kênh i theo giá trị tại Add
i=i+1

Bắt đầu

i=8

Đẩy dữ liệu ra mạng anten phát
(hoặc vào bộ tổng hợp tín hiệu thu)
Dừng chương

trình ?

Kết thúc

Sai

Đúng

Sai

Đúng

Cho phép dữ liệu vào/ra bộ
đệm kênh i

Nhận lệnh truy cập mảng
ROM theo địa chỉ Add;
i=1

16

Hình 2.17. Giản đồ hướng mạng anten thủy âm gốm áp điện 8 phần tử trong
trường hợp tín hiệu đặt vào các phần tử đồng pha:
a) Giản đồ hướng trong mặt phẳng tà (đo tại hướng 0
0
trong mặt phẳng
phương vị);
b) Giản đồ hướng trong mặt phẳng phương vị.










Hình 2.18. Giản đồ hướng mạng anten thủy âm gốm áp điện 8 phần tử trong
trường hợp tín hiệu đặt vào các phần tử dịch pha 30
0
:
a) Giản đồ hướng trong mặt phẳng tà (đo tại hướng 0
0
trong mặt phẳng
phương vị);
b) Giản đồ hướng trong mặt phẳng phương vị.
b. Khảo sát với tín hiệu điều chế QPSK.
Từ các kết quả thu được, biểu diễn tỷ số SNR tại anten thủy âm thu trên
mặt phẳng phương vị, ta được các kết quả như trong hình 2.19.

a)

b)

U(V)

U(V)

a)

b)

U(V)

U(V)

17











Hình 2.19. Biểu diễn tỷ số SNR của kênh thủy âm trên mặt phẳng phương vị.

a) Trường hợp góc lệch pha 0
0

b) Trường hợp góc lệch pha 30
0



CHƢƠNG 3
HIỆU QUẢ TĂNG CƢỜNG TỶ SỐ TÍN HIỆU/TẠP ÂM
CỦA KÊNH LIÊN LẠC THỦY ÂM SỬ DỤNG ANTEN MẠNG PHA

3.1. Kênh liên lạc thủy âm.
3.1.1. Mô hình không gian kênh liên lạc thủy âm.
Mô hình kênh liên lạc thủy âm đã minh họa trong hình 3.1








Hình 3.1. Mô hình không gian kênh liên lạc thủy âm.
Máy phát

A

z
0

z
1
B

h

α
1
α
2
0

x

x
0
x
1
Máy thu

r
a)

b)

SNR(dB)

SNR(dB)

18

3.1.2. Sơ đồ khối chức năng máy phát.
Để phục vụ tính toán, trong phần này luận án sử dụng máy phát điều chế
tín hiệu QPSK có sơ đồ chức năng [2], [7] như trong hình 3.2.







Hình 3.2. Sơ đồ chức năng máy phát tín hiệu QPSK
3.1.3. Sơ đồ khối chức năng máy thu.
Sơ đồ chức năng máy thu được minh họa trong hình 3.3.





Hình 3.3. Sơ đồ chức năng máy thu
3.1.4. Mạng transducer gốm áp điện.
a. Phương pháp điều khiển tối ưu mạng transducer gốm áp điện.
Việc điều khiển mạng transducer thông qua khối điều khiển giản đồ hướng
transducer. Phương pháp tính toán được thực hiện theo công thức:
1
2 ax 1 ax
0
()
os cos .
()

mm
cz
c
cz
  

(3.1)
Trong đó:
1 axm

- góc thoát tối ưu tại transducer phát;
2 axm

- góc tới tối ưu tại
transducer thu ;
b. Thuật toán điều khiển máy liên lạc thủy âm có giản đồ hướng mạng transducer
điều khiển được
- Thuật toán điều khiển phía máy chủ động (hình 3.4);
- Thuật toán điều khiển phía máy bị động (hình 3.5):



Điều chế QPSK
Điều
chế
sóng
mang

Chuỗi bit
nhị phân

Mã hóa
xung
QPSK

Mạng
transducer
gốm áp điện

Lọc dải
thông

Bộ lọc
cosin
nâng

Lọc dải
thông

Giải mã
tín hiệu
QPSK

Lấy mẫu tín
hiệu và lọc
kết hợp

Mạng
transducer
gốm áp điện

Tách
sóng
mang


Chuỗi bit
nhị phân
19

Hình 3.4. Lưu đồ thuật toán điều
khiển thu phát phía máy chủ động.

Hình 3.5. Lưu đồ thuật toán điều
khiển thu phát phía máy bị động.

3.1.5. Mô hình kênh truyền.
Mô hình kênh truyền được xây dựng như trong hình 3.6.


Thu chuỗi xung
phản hồi

Bắt đầu

Ước lượng vận tốc c(z
0
)
Kết thúc

Không

có

Điều khiển góc cực đại
giản đồ hướng mạng
transducer theo góc 0
0
Phát chuỗi xung kiểm tra

Trễ thời
gian
t


Ước lượng vận tốc c(z
1
)
Thu giá trị
2 axm


Tính
1 axm

từ công thức (3.4)

Điều khiển góc cực đại giản đồ hướng mạng
transducer theo góc
1 axm


Cho phép máy thu phát chủ động làm việc
Bắt đầu

i=8

Kết thúc

Đúng

Sai

Thu chuỗi xung kiểm tra
đưa về từ kênh i


Tổng hợp, xác định tín hiệu chuẩn
Phát giá trị
2 axm

về máy chủ động

Tính giá trị pha cần điều chỉnh từ tín hiệu
đưa đến từ các transducer
1

,
2

,…
8


Ghi chuỗi xung
i=i+1
Cho phép máy thu phát bị động làm việc

i=1


Tính giá trị
2 axm

từ tập giá trị
1

,
2

,…
8



20

Hình 3.6. Mô hình kênh truyền.
3.2. Các tham số kênh truyền.
3.2.1. Đường cong vận tốc âm.
Sử dụng các thông số trong Phụ lục 2, luận án đã vẽ được đường cong vận
tốc âm tham khảo cho khu vực biển Quy Nhơn.
3.2.2. Quan hệ giữa góc thoát tia âm và cự ly liên lạc cho trường âm đặc trưng
trong khu vực biển Quy Nhơn .











Hình 3.7. Cự ly liên lạc phụ thuộc vào góc thoát trong khu vực biển Quy Nhơn.
Luận án đã tính toán quan hệ giữa góc thoát và cự ly liên lạc tại vùng biển
Quy Nhơn với 4 trường hợp: không có nhiễu tạp, máy thu có độ nhạy là -60 dB, -
90 dB và -120 dB
3.2.3. Thời gian truyền của tia âm trong môi trƣờng.
Luận án đã vẽ được đường cong biểu diễn thời gian truyền tín hiệu phụ
thuộc vào độ sâu của kênh liên lạc thủy âm.

Khối pha đinh mô tả nhiễu vang (8 tia)
Tín hiệu
phát

h
1
(t)

h
2
(t)

h
8
(t)

β

β

β

Nhiễu biển và
tạp âm máy thu
Tín hiệu thu
21

3.2.4. Xác định hệ số suy giảm tia âm trong môi trường.
Bảng 3.1. Hệ số suy giảm âm theo độ sâu tại khu vực biển Quy Nhơn.
Độ
sâu
(z,m)
Nhiệt độ

trung bình
(T,
0
C)
Độ mặn
trung bình (S,‰)
Áp suất
trung bình
(P,atm)
Hệ số suy
giảm âm
(dB/km)
300
10,09
34,42
302
0,81
400
9,11
34,40
402
0,68
402
8,55
34,41
404
0,64
493
7,96
34,41

496
0,56
500
7,51
34,42
503
0,53
600
6,67
34,44
604
0,43
700
5,87
34,45
705
0,34
800
5,49
34,46
806
0,29
806
4,97
34,49
812
0,26
988
4,42
34,52

996
0,18
1000
3,99
34,54
1008
0,16
1200
3,57
34,56
1210
0,09
1206
3,29
34,57
1217
0,08
1446
3,39
33,71
1460
0,02
3.2.5. Góc thoát của tia âm tại điểm phát và góc tới của tia âm tại điểm thu khi
cự ly liên lạc tối đa.
Bảng 3.2. Góc tới tia âm khi cự ly liên lạc đạt tối đa.
Vị trí máy thu
Góc tới tia âm (Rad)
Máy thu đặt tại gần mặt biển (
0z 
)

1,095
Máy thu đặt tại đáy biển (
1440zm
)
1.096
3.3. Hiệu quả nâng cao tỷ số tín/tạp (SNR) của thiết bị liên lạc thủy âm sử
dụng mạng transducer gốm áp điện.
3.3.1. Sơ đồ tính toán tỷ số tín/tạp đầu ra máy thu.
Sơ đồ khối mô phỏng phục vụ tính toán tỷ số S/N đầu ra máy thu của kênh
liên lạc thủy âm được minh họa trong hình 3.10.
Nguồn dữ liệu Điều chế QPSK
Tạo nhiễu vang
Tạo tạp âm
AWGN
Quyết định
Tách lỗi & Tính
BER/SER
k
s
ˆ
k
g
k
g

ˆ
k
y
 
ˆˆ

kk
s Q y
ˆ
k
s
k
s
k
s
k
b
k
g
k
g
k
z
Tạo hệ số
suy giảm âm
L
k
y

Hình 3.8. Sơ đồ tính toán hiệu quả nâng cao SNR của kênh liên lạc thủy âm với
máy phát, máy thu sử dụng mạng transducer gốm áp điện.
22

3.3.2. Kết quả tính toán SNR đầu ra máy thu của kênh liên lạc thủy âm.
Với những dữ liệu và giả thiết đầu vào như đã phân tích ở trên, luận án đã
tính toán, ước lượng SNR đầu ra máy thu máy liên lạc thủy âm như trong hình

3.9.










Hình 3.9. Tỷ số tín hiệu/tạp âm ở đầu ra máy thu máy liên lạc thủy âm sử dụng
transducer mạng pha với các khoảng cách khác nhau.
3.3.3. So sánh SNR đầu ra máy thu của kênh liên lạc thủy âm trong trường
hợp sử dụng mạng transducer và sử dụng phần tử đơn.
Tính toán bằng công cụ MATLAB với hai trường hợp máy thu sử dụng
transducer đơn và mạng transducer ở cự ly
4
13.10 m
khi góc cực đại đạt tối ưu,
luận án đã thu được đường BER và tỉ SER như trong hình 3.10.

Hình 3.10. Tỷ số BER và tỉ số SER trong hai trường hợp
sử dụng phần tử transducer đơn và transducer mạng pha 8 phần tử.
23

3.4. Lựa chọn số lƣợng phần tử cho mạng transducer điều khiển pha.

Với mạng transducer tuyến tính N phần tử có phân bố thẳng đều với
khoảng cách giữa các phần tử bằng nửa bước sóng (
2
d


) thì số lượng phần tử
được tính bằng công thức
:

2
22
ar
2
22
()
/
()
ray
tn
element
SNR
uu

N
SNR
nn

(3.2)

3.5. So sánh hiệu quả cải thiện chất lƣợng kênh liên lạc của giải pháp dùng
mạng transducer và một số giải pháp thế giới đã tiến hành.

Từ kết quả đánh giá chất lượng kênh liên lạc thông qua đường cong BER
tại hình 3.15, luận án đã so sánh các kết quả đạt được theo tính toán của luận án
với các kết quả đã công bố ở các công trình [17] và [24] như trong hình 3.11











Hình 3.11. So sánh chất lượng kênh liên lạc thủy âm
sử dụng 3 giải pháp ổn định kênh.


KẾT LUẬN

Những kết quả đạt đƣợc của luận án.

1. Luận án đã áp dụng những kiến thức cơ bản về thủy âm học và lý thuyết
tia trong truyền sóng thủy âm để xây dựng và giải quyết bài toán mất ổn định của
một tuyến kênh liên lạc thủy âm cố định từ điểm đến điểm khi đặt trong các sơ đồ
truyền âm khác nhau.
2. Luận án đã tìm ra có bốn yếu tố quy định hình dạng của vùng sáng âm
(vùng luôn có tín hiệu thủy âm): độ sâu đặt máy phát thủy âm; góc giới hạn vùng
mở của anten thủy âm; độ sâu của khu vực biển có kênh liên lạc và đường cong
3
1
2