Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng mảng cảm biến thu tín hiệu thủy âm trong vùng biển nông

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

PHAN HỒNG MINH

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG
MẢNG CẢM BIẾN THU TÍN HIỆU THỦY ÂM TRONG
VÙNG BIỂN NÔNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2020


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

PHAN HỒNG MINH

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG
MẢNG CẢM BIẾN THU TÍN HIỆU THỦY ÂM TRONG
VÙNG BIỂN NÔNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 9 52 02 03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. TS. PHAN TRỌNG HANH
2. TS. VŨ VĂN BINH

Hà Nội - 2020


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội, ngày

tháng 06 năm 2020

TÁC GIẢ

Phan Hồng Minh


ii

MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................... v
DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................. ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................................... x
MỞ ĐẦU........................................................................................................... 1
1 CHƢƠNG 1: MẢNG CẢM BIẾN THỦY ÂM VÀ VẤN ĐỀ NÂNG CAO

CHẤT LƢỢNG MẢNG Ở VÙNG BIỂN NÔNG ............................................ 5
1.1

Tổng quan mảng cảm biến thủy âm ................................................... 5

1.1.1 Mô hình mảng cảm biến.................................................................. 5
1.1.2 Mảng cảm biến và hệ thống sonar thủy âm thụ động ..................... 7
1.2

Vùng biển nông và các đặc trƣng cơ bản ......................................... 12

1.2.1 Khái niệm vùng biển nông ............................................................ 12
1.2.2 Hiệu ứng phản xạ đa đƣờng trong vùng biển nông....................... 12
1.2.3 Ảnh hƣởng tham số của biển nông đến chất lƣợng của hệ thống
sonar thủy âm thụ động............................................................................ 16
1.3

Một số giải pháp nâng cao chất lƣợng mảng cảm biến. ................... 17

1.3.1 Tối ƣu hóa cấu trúc hình học của mảng ........................................ 17
1.3.2 Kỹ thuật tạo búp sóng mảng cảm biến .......................................... 19
1.3.3 Xử lý tín hiệu mảng cảm biến ....................................................... 20
1.4

Vấn đề nâng cao chất lƣợng mảng cảm biến thủy âm và hƣớng

nghiên cứu của luận án ................................................................................ 22
1.4.1 Các nghiên cứu liên quan đã công bố ........................................... 22
1.4.2 Yêu cầu và hƣớng nghiên cứu của luận án ................................... 27
1.4.3 Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án ............................................... 29

1.5

Kết luận chƣơng 1 ............................................................................ 30


iii

2 CHƢƠNG 2: GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG TÍN HIỆU
TRÊN CƠ SỞ TẠO BÚP SÓNG MẢNG TÙY BIẾN................................... 31
2.1

Kỹ thuật tạo búp sóng mảng cảm biến ............................................. 31

2.1.1 Tạo búp sóng với mảng thẳng ....................................................... 33
2.1.2 Tạo búp sóng mảng cảm biến có cấu trúc hình học khác nhau .... 41
2.2

Tạo búp sóng thích nghi cho mảng cảm biến................................... 47

2.2.1 Mô hình và phƣơng pháp tạo búp sóng thích nghi ....................... 47
2.2.2 Tạo búp sóng thích nghi Frost....................................................... 49
2.3

Giải pháp xử lý đa đƣờng trên cơ sở tạo búp sóng mảng tùy biến .. 52

2.3.1 Tạo búp sóng tùy biến với mảng phẳng ........................................ 52
2.3.2 Tính toán và tùy biến mảng để giảm ảnh hƣởng đa đƣờng .......... 56
2.4

Đánh giá hiệu quả phƣơng pháp tạo búp sóng mảng tùy biến ......... 60

2.4.1 Triệt giảm tạp ồn của tín hiệu ....................................................... 60
2.4.2 Nâng cao độ lợi tín hiệu với mảng tùy biến .................................. 65
2.5

Kết luận chƣơng 2 ............................................................................ 66

3 CHƢƠNG 3: GIẢI PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU MẢNG CẢM BIẾN THỦY
ÂM TRONG VÙNG BIỂN NÔNG ................................................................ 68
3.1

Xây dựng giải pháp .......................................................................... 68

3.1.1 Mô hình xử lý tín hiệu ................................................................... 68
3.1.2 Đề xuất giải pháp xử lý tín hiệu .................................................... 69
3.2

Phân tích các phần tử độc lập ICA với mảng tùy biến..................... 72

3.2.1 Kỹ thuật phân tích các phần tử độc lập ICA ................................. 72
3.2.2 Xử lý tín hiệu ICA nâng cao chất lƣợng định vị mục tiêu ............ 76
3.3

Giải tích chập mù đa kênh ................................................................ 85

3.3.1 Mô hình giải tích chập mù đa kênh ............................................... 85
3.3.2 Điều kiện giải tích chập mù đa kênh cho mảng cảm biến ............ 88
3.3.3 Ứng dụng mạng nơ ron truyền thẳng để giải tích chập mù .......... 89

iv

3.3.4 Huấn luyện mạng FFNNs tách tín hiệu mong muốn .................... 92
3.3.5 Mô phỏng xử lý tín hiệu đa đƣờng với FFNNs ............................ 94
3.4

Đánh giá hiệu quả giải pháp xử lý tín hiệu phức hợp ...................... 98

3.4.1 Nâng cao tỷ số SNR và độ lợi sau xử lý ICA ............................... 98
3.4.2 Nâng cao SNR và độ lợi sau xử lý với mạng nơ ron FFNNs ....... 99
3.5

Kết luận chƣơng 3 .......................................................................... 100

KẾT LUẬN ................................................................................................... 101
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .............. 104
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 105


v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ thƣờng, in
nghiêng
Chữ thƣờng, in đậm
Chữ hoa, in đậm
[.]*
[.]H
A-1
⊗

{.}
E{.}
𝐱
GA
r, 𝑟
𝑧 𝑟, 𝑡
𝑥 𝑟, 𝑡
𝑦 𝑟, 𝑡
Ψ 𝑟, 𝑡
ω, 𝑘, t
δ, d
As(fi)
𝐷 𝑓, θ, ϕ
𝜎𝑛2 𝑓𝑖
S
R(fi )

Biến số (a, x, m,n, M, N)

 đt D 

Véc tơ (a, I, P)
Ma trận (A, X, S, H)
Toán tử liên hợp phức
Lấy chuyển vị
Phép lấy nghịch đảo ma trận
Phép nhân chập ( 𝑧 𝑟, 𝑡 ⊗ 𝑕 𝑟, 𝑡 )
Tập hợp giá trị một dãy số ( {xn (ti),n = 1,..., N} )
Phép lấy kỳ vọng (E{s} = A-1E{x} )
Làm trắng hóa ma trận x

Độ lợi mảng cảm biến
Khoảng cách tƣơng đối của cảm biến và nguồn âm
Trƣờng áp suất âm (đầu vào của bộ cảm biến)
Đáp ứng không gian thời gian tín hiệu đầu ra
Nguồn âm
Đáp ứng môi trƣờng nƣớc
Tần số, số sóng đến và thời gian
Khoảng cách giữa các cảm biến
Mật độ phổ công suất của s(ti)
Véc tơ quay của búp sóng chính
Mật độ phổ công suất của nhiễu
Ma trận tƣơng quan tín hiệu ( 𝑺 𝑓𝑖 , θ, ϕ )
Không gian ma trân tƣơng quan của nhiễu
( 𝑅𝑚𝑛 𝑓, 𝑑𝑛𝑚 . 𝑅𝜀 𝑓𝑖 = 𝜎𝑛2 𝑓𝑖 𝑅𝜀 𝑓𝑖 )
Thời gian trễ tín hiệu đến giữa các cảm biến
Góc phƣơng vị, góc ngẩng
Tốc độ, tần số, bƣớc sóng của âm trong nƣớc
Sai số truyền sóng âm

 mt D

Sai số thăng dáng mức âm

 tn D 

Sai số lệch tâm nguồn âm

τn(θ, ϕ)
θϕ
c, f, λ

vi

∆𝑓𝑚𝑡
H
aj1, aj2 , …, ajN
s1, s2,.., sN
pn
𝑎
k
𝐯𝐤 (𝐤)
𝐵𝜃 𝜃
𝑾
ϒ.𝜓 𝜓
NxM

Băng thông của máy thu
Độ sâu kênh âm
Hệ số suy giảm
Nguồn âm
Vị trí cảm biến thủy âm ( p1(x1,y1,z1) )
Véc tơ chỉ hƣớng sóng đến
Số sóng đến (𝜔𝜏𝑛 = 𝐤 𝑇 𝐩𝑛 )
Véc tơ đa tạp của mảng ( 𝑦(𝑡, 𝐤) = 𝒘𝐻 𝐯𝐤 (𝐤)𝑒 𝑗𝜔𝑡 )
Búp sóng trong không gian θ ( 𝐵𝜃 𝜃 = 𝐰 𝐻 𝐯𝜃 𝜃 )
Trọng số của mảng (𝒘𝐻 )
Hàm của tần số sóng trong không gian ψ
Số lƣợng hydrophone trong mảng

BWNN

Độ rộng búp tính từ điểm = 0 đến điểm = 0 của búp
chính (Beamwith Null to Null)

2D

Hai chiều

3D

Ba chiều

ADC

Chuyển đổi tƣơng tự số

A-NL

Tạp âm môi trƣờng xung quanh (Ambient - Noise
Level)

ATR

Kỹ thuật đảo thời gian nhân tạo (Artificial Time
Reversal)

BD

Giải tích chập mù (Blind Deconvolution)

DEMON

Giải điều chế tách sóng đƣờng bao (Demodulation
of Envelope Modulation On Noise)

DI

Chỉ số định hƣớng thu (Receiving Directivity
Index)

DSP

Xử lý tín hiệu số (Digital Sig nal Processing)

DT

Xác lập ngƣỡng phát hiện (Detection Threshold)

FFNWs
FFT

Mạng nơ ron đƣờng tiến, hoặc lan truyền tiến
(Feed-Forward Neural Networks)
Biến đổi Fourier nhanh


vii

FIR

Đáp ứng xung hữu hạn (Finite Impulse Response)

GSC

Triệt búp sóng phụ (Generalized sidelobe canceller)

HDPR

Đo xa thụ động trực tiếp theo phƣơng ngang
(Horizontal Direct Passive Ranging)

HPBW

Độ rộng nửa công suất (half-power beamwidth)

ICA

Phân tích các phần tử độc lập (Independent
Components Analysis)

IIR

Đáp ứng xung vô hạn (Infinite Impulse Response)

LCMV
LMS
LOFAR

Ràng buộc tuyến tính với phƣơng sai nhỏ nhất

(Linearly Constrained Minimum Variance)
Trung bình bình phƣơng tối thiểu
Phân tích và ghi âm tần số tín hiệu thủy âm (LowFrequency Analysis and Recording)

LTI

Tuyến tính bất biến theo thời gian (Linear Time
Invariant)

MBD

Giải tích chập mù đa kênh (Multi-Channel Blind
Deconvolution)

MISO

Nhiều đầu vào một đầu ra (Multi Input Single
Output)

MVDR

Đáp ứng không méo với phƣơng sai nhỏ nhất
(Minimum Variance Distortionless Response)

SIMO

Một đầu vào nhiều đầu ra (Single Input Multi
Output)

SINR

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng với tạp âm (Signal to
Interference plus Noise Ratio)

SL

Mức công suất phát của nguồn âm (Projector
Source Level)

SL

Mức công suất phát ra từ mục tiêu (Taget Source
Level)

S-NL

Mức tạp âm nội bộ của thiết bị (Seft - Noise Level)

SNR

Tỷ số tín hiệu tạp âm

STR

Kỹ thuật đồng bộ đảo thời gian (Synthetic Time
Reversal)


viii

TDOA

Thời điểm khác nhau của sóng tới (Time Diffirence
Of Arrivals)

TL(PL)

Suy hao đƣờng truyền kênh âm (Transmission Loss/
Propagation Loss)

ULA

Mảng thẳng cách đều (Uniform Linear Arrays)


ix

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1: Các kỹ thuật tạo búp sóng thông thường. ..................................... 33
Bảng 2.2: Tính HPBW trong các không gian khác nhau................................ 41
Bảng 2.3: Các kỹ thuật tạo búp sóng thích nghi. ........................................... 47
Bảng 2.4: Độ lợi GA tại các góc hướng của mảng phẳng tùy biến. ............... 58
Bảng 2.5: Độ lợi của mảng thường ULA theo 3 góc tới của tín hiệu. ............ 66
Bảng 2.6: Độ lợi của mảng phẳng tùy biến theo 3 góc tới của tín hiệu. ........ 66
Bảng 3.1: Vị trí các cụm hydrophone. ............................................................ 83
Bảng 3.2: Tính toán định vị mục tiêu 1. .......................................................... 84
Bảng 3.3: Tính toán định vị mục tiêu 2. .......................................................... 84
Bảng 3.4: Tính toán định vị mục tiêu 3. .......................................................... 85
Bảng 3.5: Tính toán tỷ số SNR để xác định độ lợi sau xử lý ICA. .................. 99

x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1: Mô hình thu tín hiệu không gian thời gian của mảng cảm biến. ...... 6
Hình 1.2: Mô hình cấu trúc hệ thống sonar thủy âm thụ động......................... 8
Hình 1.3: Hiệu ứng đa đường ở vùng biển nông. ........................................... 13
Hình 1.4: Mô phỏng hiệu ứng đa đường với 5 tia âm. ................................... 15
Hình 1.5: Tín hiệu xung bị ảnh hưởng đa đường. .......................................... 15
Hình 1.6: Búp sóng mảng thẳng có 5 phần tử. ............................................... 19
Hình 1.7: Sơ đồ khối hệ thống xử lý tín hiệu mảng cảm biến. ........................ 20
Hình 1.8: Mô hình giải tích chập mù sử dụng mạng nơ ron. ......................... 21
Hình 1.9: Mô hình xử lý tín hiệu nâng cao chất lượng mảng cảm biến. ........ 29
Hình 2.1: Mảng cảm biến và tạo búp sóng cho mảng. ................................... 31
Hình 2.2: Mảng thẳng bố trí theo trục z. ........................................................ 33
Hình 2.3: Búp sóng mảng thẳng ϒ(ψ): ψ = 2𝜋𝜆𝑑. 𝑐𝑜𝑠𝜃, 𝑁 = 11. ................ 37
Hình 2.4: Búp sóng mảng thẳng |ϒ(ψ)| theo dB. ........................................... 38
Hình 2.5: Búp sóng mảng thẳng |ϒ(ψ)| tính theo hàm loga (dB). ................. 38
Hình 2.6: Búp sóng mảng thẳng ϒ(ψ) vẽ trong tọa độ cực (dB). ................... 39
Hình 2.7: Búp sóng mảng thẳng ϒ(ψ) vẽ trong không gian 3D. .................... 39
Hình 2.8: Độ rộng búp sóng chính. ................................................................ 40
Hình 2.9: Búp sóng mảng tròn khi quay 0o. .................................................... 43
Hình 2.10: Búp sóng mảng tròn khi quay 45o. ................................................ 43
Hình 2.11: Búp sóng mảng phẳng 5x5 quay 0o............................................... 44
Hình 2.12: Búp sóng mảng phẳng 5x5 quay 45o............................................. 44
Hình 2.13: Búp sóng mảng trụ tròn 5x10 quay 0o. ......................................... 45
Hình 2.14: Búp sóng mảng trụ tròn 5x10 quay 30o. ....................................... 45
Hình 2.15: Búp sóng mảng cầu 42 phần tử quay [0,0] o. ................................ 46

Hình 2.16: Búp sóng mảng cầu 42 phần tử quay [30,25] o. ............................ 46


xi

Hình 2.17: Mô hình tạo búp sóng thích nghi của B. Widrow [39]. ................ 48
Hình 2.18: Thuật toán tạo búp sóng Frost. .................................................... 49
Hình 2.19: Tạo búp sóng thích nghi với thuật toán Frost. ............................. 52
Hình 2.20: Cấu trúc hình học và chùm búp sóng mảng phẳng 5x7. .............. 53
Hình 2.21: Búp sóng mảng thẳng 1x5. ........................................................... 54
Hình 2.22: Búp sóng mảng phẳng đường tròn. .............................................. 55
Hình 2.23: Búp sóng mảng phẳng hình thang. ............................................... 55
Hình 2.24: Cấu trúc hình học của một số mảng phẳng. ................................. 56
Hình 2.25: Búp sóng mảng thẳng 30 hydrophone. ......................................... 56
Hình 2.26: Tạo búp sóng với 3 mảng thẳng độc lập 10 hydrophone. ............ 57
Hình 2.27: Tạo búp sóng với 1 mảng thẳng và 2 mảng xoay 10o ................... 57
Hình 2.28: Tùy biến thành 3 mảng và búp sóng mảng phẳng 4x6. ................ 60
Hình 2.29: Búp sóng mảng thẳng 1x6 quay 180o và 1x5 quay 25o. ............... 60
Hình 2.30: Một số tín hiệu âm thanh dưới nước sử dụng để mô phỏng. ........ 61
Hình 2.31: Mảng thường ULA và mảng phẳng tùy biến. ............................... 62
Hình 2.32: Tín hiệu hỗn hợp thu tại cảm biến bất kỳ. .................................... 62
Hình 2.33: Tạo búp sóng Delay and Time mảng ULA góc S1 [-30O, 0O]. ...... 63
Hình 2.34: Tạo búp sóng Delay and Time mảng tùy biến góc S1 [-30O, 0O]. . 63
Hình 2.35: Tạo búp sóng thích nghi Frost mảng ULA góc S1 [-30O, 0O]. ...... 64
Hình 2.36: Tạo búp sóng thích nghi Frost mảng tùy biến góc S1 [-30O, 0O].. 64
Hình 3.1:Mô hình giải pháp xử lý tín hiệu mảng cảm biến. ........................... 68
Hình 3.2: Lưu đồ thuật giải thuật xử lý tín hiệu. ............................................ 70
Hình 3.3: Lưu đồ giải thuật tạo búp sóng mảng tùy biến. .............................. 71
Hình 3.4: Phân tách hỗn hợp âm thành các nguồn âm riêng biệt. ................. 75
Hình 3.5: Mảng cảm biến định vị mục tiêu. .................................................... 78

Hình 3.6: Xác định TDOA của tín hiệu thuỷ âm đến các hydrophone. .......... 81
Hình 3.7: Mô hình ICA để định vị đa mục tiêu. .............................................. 82


xii

Hình 3.8: Cấu hình mảng cảm biến. ............................................................... 83
Hình 3.9: Tách hỗn hợp âm thanh mục tiêu thành các nguồn âm độc lập. .... 84
Hình 3.10: Mô hình minh họa giải tích chập mù đa kênh. ............................. 87
Hình 3.11: Cấu trúc hình học mạng nơ ron FFNWs. ..................................... 90
Hình 3.12: Hướng của hai luồng tín hiệu trong một lớp tri giác. .................. 91
Hình 3.13: Biểu đồ tín hiệu thuật toán truyền có phản hồi. ........................... 93
Hình 3.14: Tín hiệu đa đường với 10 tia trong kênh thủy âm. ....................... 95
Hình 3.15: Tín hiệu xung phát. ....................................................................... 96
Hình 3.16:Tín hiệu ảnh hưởng bởi hiệu ứng đa đường. ................................. 96
Hình 3.17: Các mẫu huấn luyện và mẫu tín hiệu đưa vào mạng nơ ron. ....... 97
Hình 3.18: Tín hiệu sau khi xử lý bằng mạng nơ ron. .................................... 97
Hình 3.19: Tín hiệu miền tần số. ..................................................................... 99


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Biển đặc biệt quan trọng đối với quốc phòng an ninh, với phát triển
kinh tế xã hội và hội nhập với thế giới. Tất cả các quốc gia có biển đều phải
có phƣơng án và giải pháp bảo vệ an toàn vùng biển, vùng đảo, vùng lãnh hải
hợp pháp của mình. Bảo vệ an toàn các căn cứ quân sự ven biển và các quần
đảo trên biển, phát hiện nhận dạng mục tiêu để phòng chống các mục tiêu
dƣới nƣớc xâm nhập từ biển là rất cấp thiết.
Đất nƣớc Việt Nam là một nƣớc đang phát triển và yêu chuộng hoà

bình, vũ khí khí tài trang bị cho quân đội chủ yếu để phòng thủ và bảo vệ chủ
quyền. Việc phát hiện và cảnh giới bờ biển từ xa nhằm chống xâm nhập của
các mục tiêu dƣới nƣớc bảo vệ các căn cứ quân sự ven biển, phục vụ tác chiến
cho ngƣời chỉ huy là rất quan trọng và phù hợp với chủ trƣơng chung của
Đảng và Nhà Nƣớc ta. Phát hiện và cảnh báo sớm các mục tiêu dƣới nƣớc
nhằm bảo vệ vùng biển là một chiến lƣợc quân sự cần thiết, các quốc gia có
biển thƣờng bố trí các hệ thống thu thuỷ âm riêng biệt hoặc bố trí nhiều hệ
thống các sonar thụ động và chủ động trên toàn bộ khu vực cần bảo vệ thuộc
lãnh hải của mình.
Vùng biển Việt Nam phần lớn là vùng biển nƣớc nông, do vậy chịu
nhiều sự tác động của môi trƣờng đến chất lƣợng thu tín hiệu thủy âm của các
hệ thống sonar, điển hình là hiệu ứng đa đƣờng do tín hiệu bị phản xạ nhiều
lần giữa tầng đáy và bề mặt đại dƣơng trƣớc khi đến bộ thu, một đặc trƣng
nữa là tạp ồn của vùng biển nông cũng cao do chịu nhiều tác động của các
nguồn gây nhiễu tự nhiên và nhân tạo. Do vậy, việc nghiên cứu các giải pháp
nâng cao chất lƣợng tín hiệu thu đƣợc từ các hệ thống sonar có ý nghĩa quan
trọng trong việc phát hiện mục tiêu, nó quyết định đến khả năng quan sát và
cảnh báo sớm các nguy cơ tiềm ẩn dƣới nƣớc.
Các hệ thống quan trắc cảnh giới và phòng thủ bờ biển, các giải pháp
chống xâm nhập từ biển, phát hiện tàu ngầm, tàu nổi và cảnh báo sớm mục


2
tiêu dƣới nƣớc của các quốc gia trên thế giới đều tuyệt mật, không bao giờ
đƣợc công bố, không bao giờ chuyển giao.
Trên thế giới có rất nhiều hệ thống trinh sát thuỷ âm hiện đại sử dụng
trong quân sự đƣợc phát triển bởi nhiều hãng khác nhau. Tuy nhiên việc
thƣơng mại hóa và chuyển giao công nghệ là một việc vô cùng khó khăn bởi
bị ràng buộc bởi nhiều yếu tố nhƣ chính trị, ngoại giao và nhiều vấn đề nhạy
cảm khác. Bên cạnh đó các kết quả nghiên cứu về công nghệ thuỷ âm, sonar

dƣới nƣớc có liên quan đến vũ khí quân sự, liên quan đến kỹ thuật phòng thủ
cảnh giới cũng nhƣ tấn công các mục tiêu dƣới nƣớc đều đƣợc giữ bí mật,
không đƣợc công bố.
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
Nghiên cứu các giải pháp mới nhằm giảm thiểu ảnh hƣởng của hiệu
ứng đa đƣờng, tạp nhiễu của môi trƣờng lên mảng cảm biến của hệ thống
sonar thụ động theo dõi đồng thời nhiều mục tiêu trong vùng biển nông: Giải
pháp tùy biến cấu hình hình học của mảng cảm biến nhằm tăng độ lợi của
mảng trên các hƣớng quan tâm; giải pháp khử đa đƣờng bằng kỹ thuật giải
tích chập mù; giải pháp phân tích tín hiệu thu đƣợc thành các thành phần độc
lập ứng với các mục tiêu khác nhau, từ đó nâng cao chất lƣợng phát hiện, định
vị mục tiêu.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu của luận án là cấu trúc và phƣơng pháp xử lý tín
hiệu mảng cảm biến thuỷ âm trong các tổ hợp khí tài sonar thụ động gắn cố
định trên tàu hoặc các hệ sonar phát hiện định vị mục tiêu dạng phao thủy âm
thụ động dùng trong vùng biển nông.
Phạm vi nghiên cứu bao gồm: Nghiên cứu đặc tính của vùng biển nông
và ảnh hƣởng của hiệu ứng đa đƣờng đến tín hiệu thu của hệ thống định vị
thủy âm thụ động; Nghiên cứu xây dựng các giải pháp nâng cao chất lƣợng
tín hiệu thu của mảng cảm biến thuỷ âm trên cơ sở lựa chọn mô hình cấu trúc
phù hợp kết hợp với kỹ thuật tạo búp sóng tùy biến thích nghi, làm tăng độ lợi
của mảng cảm biến thủy âm; Nghiên cứu xây dựng giải pháp giảm thiểu ảnh


3
hƣởng đa đƣờng và tạp âm môi trƣờng đến tín hiệu thu, làm tăng tỷ số SNR
của tín hiệu, từ đó nâng cao chất lƣợng phát hiện mục tiêu trong vùng biển
nông.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu

Phƣơng pháp nghiên cứu đã đƣợc sử dụng bao gồm: phân tích lý
thuyết, xây dựng các mô hình toán học, sử dụng các công cụ mô phỏng
Matlab, Simulink và thiết bị phòng thí nghiệm để kiểm chứng và thực nghiệm
các giải pháp đề xuất.
5. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của luận án
Việc nghiên cứu nâng cao chất lƣợng của mảng cảm biến thủy âm dùng
cho hệ thống và thiết bị định vị thụ đồng các mục tiêu phát xạ thủy âm dƣới
nƣớc đƣợc thực hiện trên cơ sở giải pháp về cấu trúc và xử lý tín hiệu thủy âm
đối với vùng biển nông là giải quyết yêu cầu khoa học và yêu cầu thực tiễn
hiện nay.
Kết quả nghiên cứu của luận án với việc đề xuất một giải pháp về cấu
trúc mảng và tạo búp sóng tùy biến thích nghi và một giải pháp xử lý tín hiệu
thủy âm phức hợp trên cơ sở kết hợp hai kỹ thuật xử lý tín hiệu ICA và MBD
sẽ đóng góp thêm về mặt lý luận đối với lĩnh vực định vị thủy âm. Đồng thời
các kết quả nghiên cứu này đã gắn với những điều kiện và đặc điểm của vùng
biển Việt Nam, do vậy sẽ là cơ sở và định hƣớng tốt khi thiết kế hệ thống
hoặc thiết bị định vị thủy âm tại vùng biển Việt Nam phục vụ an ninh quốc
phòng.
6. Nội dung nghiên cứu của luận án
Theo nhƣ hiểu biết của NCS thì hiện nay có rất nhiều các đề tài, luận án
nghiên cứu cải tiến vũ khí dƣới nƣớc, nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị thuỷ
âm. Nhƣng chƣa có công trình nghiên cứu chuyên sâu nào liên quan đến nâng
cao chất lƣợng mảng cảm biến thuỷ âm trong vùng biển nông theo giải pháp
kết hợp thay đổi cấu trúc hình học và xử lý tín hiệu thủy âm. Trong tƣơng lai,
việc xây dựng đƣợc các phƣơng pháp đo lƣờng thủy âm và kết hợp xử lý
mảng cảm biến trong vùng biển Đông của Việt Nam có ý nghĩa quan trọng


4
trong phát triển khoa học công nghệ biển. Do đó, việc nghiên cứu các giải

pháp xử lý mảng đang là vấn đề thách thức đã và đang đƣợc nhà khoa học
trong nƣớc quan tâm. Vì vậy, nghiên cứu xây dựng các giải pháp và thuật
toán nâng cao độ lợi của mảng, tỷ số SNR của tín hiệu kết hợp với mô phỏng
thực nghiệm là những nội dung chính của luận án tiến sĩ kỹ thuật “Nghiên
cứu giải pháp nâng cao chất lượng mảng cảm biến thu tín hiệu thủy âm
trong vùng biển nông”.
7. Bố cục của luận án
Luận án đƣợc bố cục gồm phần mở đầu, phần nội dung trình bày thành
3 chƣơng; chƣơng 1 tổng quan và 2 chƣơng nội dung kết quả nghiên cứu
chính và phần kết luận.
Chƣơng 1 của luận án giới thiệu tổng quan về mảng cảm biến thủy âm,
mô hình hệ sonar thủy âm thụ động và một số các tham số tác động vào độ
chính xác phát hiện, định vị, các tham số ảnh hƣởng đến chất lƣợng mảng
cảm biến. Nêu đặc trƣng của biển nông ảnh hƣởng đến truyền sóng âm nhƣ
hiệu ứng đa đƣờng tác động vào mảng cảm biến, các nghiên cứu trong và
ngoài nƣớc liên quan đến hƣớng nghiên cứu; từ đó đề ra hƣớng nghiên cứu
của luận án.
Chƣơng 2 đề xuất cấu trúc hình học mảng cảm biến và giải pháp tạo
búp sóng tùy biến. Đƣa ra cơ sở toán học và mô hình của mảng, xử lý tín hiệu
tạo búp sóng tùy biến kết hợp điều khiển quay búp sóng chính mảng cảm biến
để nâng cao độ lợi của mảng, đây là cơ sở để tính toán mô phỏng thực nghiệm
và đánh giá kết quả.
Chƣơng 3 của luận án là một đề xuất giải pháp tổng thể mô hình xử lý
tín hiệu thủy âm kết hợp phƣơng pháp phân tích các nguồn âm độc lập (ICA),
xử lý thích nghi búp sóng mảng tùy biến và sử dụng mô hình mạng nơ ron để
giải tích chập mù đa kênh ƣớc lƣợng khôi phục tái tạo lại tín hiệu ban đầu.


5

1

CHƢƠNG 1: MẢNG CẢM BIẾN THỦY ÂM VÀ VẤN ĐỀ NÂNG
CAO CHẤT LƢỢNG MẢNG Ở VÙNG BIỂN NÔNG

1.1 Tổng quan mảng cảm biến thủy âm
Mô hình cơ bản của mảng cảm biến đƣợc thể hiện trong Hình 1.1, trong
đó xử lý tín hiệu mảng đƣợc minh họa hai chiều (2D) liên quan đến phân tích
phổ thời gian và không gian. Việc xử lý thời gian cung cấp các đặc tính phổ
tần số đƣợc sử dụng để phát hiện phân loại mục tiêu, quá trình xử lý không
gian cung cấp các thông tin về đặc tính định hƣớng (hƣớng, khoảng cách…)
của một tín hiệu đƣợc phát hiện. Do đó, xử lý không gian - thời gian là khái
niệm xử lý cơ bản trong hệ thống sonar và siêu âm dƣới nƣớc [33].
1.1.1 Mô hình mảng cảm biến
Nguồn âm đƣợc quan tâm trong sonar và siêu âm là các ứng dụng băng
hẹp và băng rộng thỏa mãn phƣơng trình truyền sóng trong [31],[37], hơn nữa
các thuộc tính không gian thời gian của chúng có thể tách rời độc lập đƣợc.
Bởi vậy việc đo trƣờng áp 𝑧 𝑟, 𝑡 đƣợc kích thích bởi các nguồn âm có thể
xác định đáp ứng không gian thời gian 𝑥 𝑟, 𝑡 . Véc tơ 𝑟 là vị trí tƣơng đối của
cảm biến và nguồn âm, t là thời gian.
Đáp ứng đầu ra 𝑥 𝑟, 𝑡 là tích chập của 𝑧 𝑟, 𝑡 và đáp ứng của mảng
cảm biến 𝑕 𝑟, 𝑡 .
𝑥 𝑟 , 𝑡 = 𝑧 𝑟 , 𝑡 ⊗ 𝑕 𝑟, 𝑡

(1.1)

Trong đó 𝑧 𝑟, 𝑡 đƣợc định nghĩa là đầu vào của bộ thu và là tích chập của các
thuộc tính nguồn âm 𝑦 𝑟, 𝑡 và đáp ứng của môi trƣờng dƣới nƣớc Ψ 𝑟, 𝑡 .
𝑧 𝑟, 𝑡 = 𝑦 𝑟 , 𝑡 ⊗ Ψ 𝑟, 𝑡

(1.2)

Biến đổi Fourier phƣơng trình (1.1) ta đƣợc:
𝑋 𝜔, 𝑘 = 𝑌 𝜔, 𝑘 . Ψ 𝜔, 𝑘 𝐻 𝜔, 𝑘

(1.3)

Ở đây ω, 𝑘 là tần số và số sóng đến trong phổ không gian thời gian của
phép biến đổi trong công thức (1.1)(1.2). Xử lý tín hiệu tạo búp sóng ở phía


6
mảng thu có thể ƣớc lƣợng đƣợc góc quan sát của mảng (bearing) và khoảng
cách đến nguồn âm.
𝑦 𝑟, 𝑡
Không gian

Ψ 𝑟, 𝑡

Nguồn
Môi
trường

𝑧 𝑟, 𝑡
𝑥𝑁 𝑟, 𝑡
θ

Sóng phẳng
δ

𝑥𝑛 +1 𝑟, 𝑡

𝑧 𝑟, 𝑡 = 𝑦 𝑟 , 𝑡 ⊗ Ψ 𝑟, 𝑡

𝑥𝑛 𝑟, 𝑡
𝑥1 𝑟, 𝑡
Mảng cảm biến

Thời gian
𝜏=0

Thời gian trễ của tín hiệu
đến các cảm biến

𝜏𝑛+1

𝜏𝑁

𝜏𝑛 𝜃 = 𝑛 − 1 𝛿𝑐𝑜𝑠𝜃/𝑐

Hình 1.1: Mô hình thu tín hiệu không gian thời gian của mảng cảm biến.
Xét một mảng đa chiều gồm nhiều cảm biến có khoảng cách đều nhau
là δ. Đầu ra của bộ cảm biến thứ n là một chuỗi thời gian biểu thị bởi xn (ti),
trong đó (i = 1, ..., Ms) là các mẫu thời gian cho mỗi chuỗi thời gian cảm biến.
X* là véc tơ chuyển vị liên hợp phức của x, do đó là vector hàng của chuỗi tín
hiệu thời gian cảm biến nhận đƣợc {xn (ti), n = 1, 2, ..., N}, xn (ti) = sn(ti) +
εn(ti), ở đây sn(ti) và εn(ti) là tín hiệu và các thành phần tạp nhiễu thu đƣợc theo
thời gian của cảm biến. 𝑺 và 𝜺 là các véc tơ cột của tín hiệu và các thành phần
tạp nhiễu của véc tơ 𝑿 của đầu ra cảm biến, (𝑥 = 𝑠 + 𝜀 ).
𝑀𝑠

𝑋𝑛 𝑓 =

𝑥𝑛 𝑡𝑖 exp −𝑗2𝜋𝑓𝑡𝑖
𝑖=1

(1.4)


7
là biến đổi Fourier của xn(ti) tại tín hiệu có tần số f, c = f.λ là tốc độ âm thanh
trong nƣớc, λ là bƣớc sóng của tần số f. 𝑆 = 𝐸 𝑆, 𝑆 ∗ là không gian ma trận
tƣơng quan của véc tơ tín hiệu 𝑆 có thành phần thứ n đƣợc biểu diễn bởi
𝑠𝑛 𝑡𝑖 = 𝑠𝑛 𝑡𝑖 + 𝜏𝑛 θ, ϕ

(1.5)

Trong đó E{….} là toán tử kỳ vọng và τn(θ, ϕ) là thời gian trễ giữa cảm
biến thứ (n - 1) và thứ n của mạng với sóng đến có đặc trƣng hƣớng thể hiện
bởi góc phƣơng vị θ và góc ngẩng ϕ nhƣ thể hiện ở Hình 1.1. Trong miền tần
số, không gian ma trận tƣơng quan S của tín hiệu sóng âm sn(ti ) đƣợc định
nghĩa bởi:
𝑺 𝑓𝑖 , θ, ϕ = 𝐴𝑠 𝑓𝑖 𝐷 𝑓𝑖 , θ, ϕ 𝐷∗ 𝑓𝑖 , θ, ϕ

(1.6)

ở đây As(fi) là mật độ phổ công suất của s(ti) cho tần số thứ i và 𝐷 𝑓, θ, ϕ là
véc tơ quay của búp sóng chính (steering vector) với thành phần thứ n đƣợc
định nghĩa bởi 𝑑𝑛 𝑓, θ, ϕ . Ma trận 𝑺 𝑓𝑖 , θ, ϕ có phần tử ở hàng thứ n và cột
∗

thứ m là 𝑆𝑛𝑚 𝑓𝑖 , θ, ϕ = 𝐴𝑠 𝑓𝑖 𝑑𝑛 𝑓𝑖 , θ, ϕ 𝑑𝑚
𝑓𝑖 , θ, ϕ .

Ngoài ra còn có thành phần của nhiễu thể hiện bởi R(fi ); là không gian ma
trận tƣơng quan của nhiễu thu đƣợc theo thời gian từ cảm biến của thành phần
tần số thứ i đƣợc biểu diễn bởi 𝑅𝑚𝑛 𝑓, 𝑑𝑛𝑚 . 𝑅𝜀 𝑓𝑖 = 𝜎𝑛2 𝑓𝑖 𝑅𝜀 𝑓𝑖

với

𝜎𝑛2 𝑓𝑖 là mật độ phổ công suất của nhiễu εn(ti ).
1.1.2 Mảng cảm biến và hệ thống sonar thủy âm thụ động
Mô hình cấu trúc hệ thống:
Hệ thống sonar định vị thủy âm dƣới biển là hệ thống thiết bị có chức
năng xác định vị trí nguồn âm trong vùng không gian quan sát dƣới mặt nƣớc
biển. Tùy theo ứng dụng và đặc tính khác nhau mà hệ thống có dạng: di động
hoặc cố định. Mô hình cấu trúc cơ bản của hệ thống sonar thủy âm thụ động
cố định có N cảm biến có thể đƣợc mô tả theo diễn tiến của thông tin phát
hiện nhận dạng nhƣ sau (Hình 1.2):


8

Hình 1.2: Mô hình cấu trúc hệ thống sonar thủy âm thụ động.
Theo đó, hệ thống có thể đƣợc khái quát gồm 4 khâu cơ bản, đó là:
+ Không gian quan sát:
Khâu không gian quan sát trong trƣờng hợp này là vùng không gian
nƣớc biển nằm trong miền quan sát đƣợc của hệ thống, đƣợc giới hạn bởi bề
mặt biển và đáy biển – kênh truyền âm. Trong không gian quan sát có thể
chứa các nguồn âm (cần định vị) và các nguồn nhiễu âm (do tự nhiên hoặc
nhân tạo).

Các dao động âm phát ra từ các loại nguồn âm này đƣợc truyền trong
kênh truyền âm và đi tới các phần tử cảm biến.
+ Mảng cảm biến thủy âm:
Nhƣ đã nói ở trên, mảng gồm N phần tử cảm biến có nhiệm vụ nhƣ
những anten thu tín hiệu thủy âm và những nguồn tạp ồn khác trong môi
trƣờng dƣới nƣớc ở không gian xung quanh cảm biến. Trong khuôn khổ của
luận án này, các nghiên cứu tập trung vào giải pháp và các kỹ thuật nâng cao
chất lƣợng mảng, nâng cao tỷ số SNR của tín hiệu thu, từ đó nâng cao khả
năng phát hiện định vị mục tiêu.


9
+ Xử lý cấp 1:
Khâu xử lý cấp 1 là khâu xử lý tín hiệu và thực hiện các bài toán định
vị (phát hiện, đo lƣờng) và nhận dạng nguồn âm. Các véc tơ tín hiệu lấy từ
mảng cảm biến thủy âm đƣợc sử dụng cho phép phát hiện và đo lƣờng các
tham số tín hiệu định vị, tính toán xác định các tham số định vị và giải bài
toán định vị để xác định vị trí nguồn âm theo các nguyên lý, phƣơng pháp và
thuật toán cụ thể. Tùy theo nguyên lý xây dựng hệ thống mà có các bài toán
Đồng thời trong một số trƣờng hợp khâu này thực hiện bài toán nhận
dạng hay phân loại để xác định dạng nguồn âm. Cũng tùy theo mục đích và
yêu cầu sử dụng mà bài toán nhận dạng có thể có ở dạng khác nhau.
+ Xử lý cấp 2:
Khâu xử lý cấp 2 là khâu thực hiện các bài toán chỉ thị và giám sát (hợp
nhất thông tin định vị), quản lý và lƣu trữ các kết quả định vị nhận đƣợc từ bài
toán cấp 1. Và cũng tùy theo mục đích và yêu cầu sử dụng mà khâu bài toán
cấp 2 này có thể có hoặc không và hoặc ở các dạng khác nhau.
Nhƣ vậy, trong hệ thống định vị nguồn âm dƣới biển mảng cảm biến
thủy âm là khâu quan trọng có ảnh hƣởng nhiều đến chất lƣợng nói chung và
độ chính xác nói riêng của hệ thống. Theo đó, với tác động của vùng biển

nông việc nâng cao tỷ số SNR, khả năng tách hoặc chế áp nhiễu là yêu cầu đặt
ra cao hơn.
Độ chính xác định vị nguồn âm:
Cũng nhƣ các hệ thống định vị vô tuyến khác, hệ thống định vị thủy âm
cũng tuân theo các đặc tính của các hệ định vị, trong đó có sai số định vị.
Theo lý thuyết định vị, sai số định vị đƣợc phân thành sai số hệ thống và
sai số ngẫu nhiên. Trong đó, sai số hệ thống có trong kết quả định vị đƣợc quy
ƣớc là có quy luật đã biết hoặc giữ nguyên không đổi từ bƣớc định vị này đến
bƣớc định vị khác. Ví dụ về sai số nhƣ thế khi xác định cự ly là sự giữ chậm
tín hiệu diễn ra ở bên trong hệ thống. Và sau khi hiệu chuẩn, sai số này sẽ
đƣợc bù khử.


10
Theo vị trí phát sinh sai số xác định toạ độ nguồn âm đƣợc phân tách
thành sai số ngoài và sai số thiết bị. Sai số ngoài gây nên bởi sự không ổn
định của điều kiện truyền sóng âm và sai khác vị trí trung tâm phát xạ sóng
âm của nguồn âm. Sai số thiết bị lại đƣợc phân nhỏ thành các sai số gây nên
bởi sự thăng giáng của tín hiệu phát xạ, bởi tạp âm nội bộ hoặc các nhiễu bên
ngoài khác, và sai số gây nên bởi sự không hoàn thiện của phƣơng tiện đo sai số dụng cụ (sai số tính toán, hiệu chuẩn,…).Khi dạng tín hiệu và tỷ số SNR
đã cho, việc xử lý tối ƣu cho phép đảm bảo sai số nhỏ nhất do tạp âm đƣợc
gọi là độ chính xác giới hạn đặc trƣng hay tiềm năng khi các điều kiện hầu
nhƣ lý tƣởng.
Cũng theo lý thuyết sai số, sai số ngẫu nhiên có nguồn gốc khác nhau
đƣợc coi là độc lập. Và vì vậy, phƣơng sai của nó đƣợc tính bằng tổng các
phƣơng sai của các sai số thành phần. Ví dụ đối với phép đo cự ly, sai số đầu
ra có thể viết là
𝜎𝑝 𝐷 =

2

2
2
𝜎đ𝑡
𝐷 + 𝜎𝑚𝑡
𝐷 + 𝜎𝑡𝑛
𝐷

𝜎𝑖2 𝐷

(1.7)

𝑖

ở đây  đt D  - sai số liên quan đến điều kiện truyền sóng âm;  mt D sai số do thăng giáng mức âm và sai lệch tâm nguồn âm biểu kiến;  tn D  sai số tiềm năng hay sai số giới hạn;  i D  - sai số dụng cụ phát sinh từ khâu
thứ i của hệ thống.
Trong trƣờng hợp này, sai số tiềm năng hay sai số giới hạn đƣợc quy định bởi
sự dịch chuyển thời gian gây ra do nhiễu và tạp âm.
a) Sai số ngoài:
Sai số tƣơng đối của phép đo cự ly đƣợc quy định bởi độ không ổn định
của vận tốc truyền lan sóng âm:
𝜎𝑡𝑟𝑛 𝐷
𝜎 𝑐
=
𝐷
𝑐

(1.8)


11

ở đây 𝜎𝑡𝑟𝑛 𝐷 - sai số quy định bởi hệ số truyền âm, phụ thuộc vào độ chính
xác xác định ảnh hƣởng của nhiết độ, áp suất, độ mặn,…
và vận tốc truyền âm thay đổi theo độ sâu của Del-Gross có quy luật ở dạng:
𝑐 = 1448,6 + 4,618𝑡 − 0,00523𝑡 2 + 0,00023𝑡 3
+ 1,25 𝑆 − 35 − 0,011 𝑆 − 35 𝑡
+ 2,7. 10−8 𝑆 − 35 𝑡 4 − 2. 10−7 𝑆 − 35
1 + 0.577𝑡 − 0,0027𝑡 2

4

(1.9)

𝑚/𝑠

Để tính tới ảnh hƣởng của áp suất lên tốc độ âm cần tính hiệu chỉnh ∆𝑐𝑝 theo
công thức:
∆𝑐𝑝 = 0,0175𝑝,

(1.10)

trong đó: p áp suất (dbar) và độ sâu (m) [8].
b) Sai số tiềm năng:
Nhƣ đã nói ở trên, sai số tiềm năng hay sai số giới hạn gây ra bởi ảnh
hƣởng của nhiễu và tạp âm khi dạng tín hiệu và tỷ số SNR đã cho trong trƣờng
hợp xử lý tối ƣu. Nó quy định độ chính xác giới hạn lý thuyết của phép đo
định vị. Để đơn giản mà không mất đi tính khái quát xét trong bài toán xác
định cự ly. Từ sai số đo cự ly tiềm năng:
𝜎𝑡𝑛 𝐷 =

𝑐

1
2 ∆𝑓𝑚𝑡 2𝐸𝑐 /𝑁0

(1.11)

trong đó: c – vận tốc truyền lan trong kênh truyền âm; ∆𝑓𝑚𝑡 - băng thông của
máy thu; Ec/N0 – tỷ số SNR.
Khi chọn ∆𝑓𝑚𝑡 = ∆𝑓𝑐 ta có:
𝜎𝑡𝑛 𝐷 =

𝑐
1
2 ∆𝑓𝑐 2𝐸𝑐 /𝑁0

(1.12)

Từ (1.11) và (1.12) có thể đƣa ra kết luận:
Công thức (1.11) chỉ ra rằng, để nâng cao độ chính xác đạt đƣợc bằng cách
mở rộng dải thông hoặc tăng tỷ số SNR.