Về một phương pháp thiết kế hệ thống định vị thủy âm chủ động kiểu USBL sử dụng mảng bốn hydrophone

Nghiên cứu khoa học công nghệ

VỀ MỘT PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ HỆ THỐNG
ĐỊNH VỊ THỦY ÂM CHỦ ĐỘNG KIỂU USBL
SỬ DỤNG MẢNG BỐN HYDROPHONE
Trần Quang Giang*, Vũ Hải Lăng, Nguyễn Thị Nga, Bạch Nhật Hoàng
Tóm tắt: Nội dung bài báo đề xuất một giải pháp thiết kế hệ thống định vị thủy
âm chủ động sử dụng hệ thống đường cơ sở cực ngắn (USBL) với mảng bốn
hydrophone. Để đánh giá độ chính xác cho hệ thống USBL với bài toán phát hiện
mục tiêu ở phạm vi xa, nhóm nghiên cứu đề xuất sử dụng thuật toán ước lượng thời
gian trễ tại đỉnh tương quan cho mô hình mảng bốn phần tử. Thông qua mô hình
thống kê Monte Carlo, kết quả mô phỏng của thuật toán đề xuất cho thấy, độ chính
xác của kết quả định vị phụ thuộc vào tỉ số tín trên tạp và khoảng cách đường cơ sở
trong mảng hydrophone.
Từ khóa: USBL; Ước lượng thời gian trễ; SNR; Hydrophone.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hệ thống định vị thủy âm sử dụng đường cơ sở cực ngắn USBL (Ultra Short
Baseline system) hiện được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng âm học đại dương
do khẩu độ nhỏ và dễ lắp đặt. Tuy nhiên, ở Việt Nam hệ thống USBL mới bắt đầu
được nghiên cứu trong những năm gần đây và bước đầu đạt một số kết quả. Bài
báo trình bày các kết quả nghiên cứu hệ thống định vị thủy âm chủ động USBL sử
dụng mảng 4 hydrophone bố trí hình chữ thập có khả năng hiện thực hóa trong
thực tế. Hệ thống sử dụng thuật toán ước lượng thời gian trễ của phép toán tương
quan cho hệ thu chủ động. Kết quả mô phỏng cho thấy, hệ thống có thể ước tính vị
trí và độ chính xác trên cơ sở phụ thuộc tỷ số tín trên tạp cũng như đường cơ sở
mảng hydrophone.
2. HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ THỦY ÂM CHỦ ĐỘNG USBL SỬ DỤNG
MẢNG BỐN HYDROPHONE
2.1. Tổng quan về hệ thống định vị thủy âm USBL
Hệ thống định vị thủy âm USBL [1] được phát tiển từ những năm 1970 với mục

đích giảm sự phức tạp của hệ thống định vị nguồn âm dưới nước. USBL được đặc
trưng bởi các mảng đầu thu cỡ nhỏ có thể được sử dụng trên những vật mang kích
thước còn nhỏ hơn. Kích thước giữa các đầu thu của hệ thường từ vài cm đến vài
chục cm. Ưu điểm vượt trội của hệ thống USBL dễ thấy là sự linh hoạt và thuận
tiện, dễ dàng cài đặt hoặc tích hợp vào các hệ đặc thù. Hệ thống định vị thủy âm
chủ động USBL có hai thành phần chính:
- Thiết bị trên tàu: gồm mảng hydrophone thủy âm và các mạch điện tử với
chức năng phát và thu xử lý tín hiệu, tính toán kết quả định vị mục tiêu.
- Thiết bị dưới nước: gồm một hydrophone thủy âm và các mạch điện tử thu xử
lý tín hiệu và phát lại các thông tin cần thiết cho thiết bị trên tàu. Có thể có nhiều
thiết bị dưới nước, được cài đặt trên các mục tiêu khác nhau (hình 1).
Bài báo trình bày các kết quả nghiên cứu hệ thống định vị thủy âm chủ động
USBL sử dụng mảng bốn hydrophone bố trí hình chữ thập. Vì là hệ thống chủ
động nên các thông tin về khoảng cách nhìn thẳng và thông tin độ sâu có thể dễ

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 9 - 2020

133


Kỹ thuật điện tử

dàng nhận được bằng cách phát đi một tín hiệu hỏi và thu xử lý thông tin được
truyền về từ thiết bị dưới nước. Bài báo dựa vào các thông tin đã biết về khoảng
cách nhìn thẳng và độ sâu để tính toán vị trí của mục tiêu. Kết quả mô phỏng cho
thấy, độ chính xác của phép đo phụ thuộc khoảng cách giữa các phần tử mảng, tỷ
số tín trên tạp SNR.

Hình 1. Mô hình hệ thống định vị USBL.
2.2. Sơ đồ cấu trúc của mảng hydrophone bốn phần tử

Sơ đồ cấu trúc của mảng hydrophone bốn phần tử được mô tả trong hình 2. Với
1, 2, 3, 4 là vị trí bốn hydrophone. 1 và 2, 3 và 4 đặt cách nhau khoảng cách L,
mục tiêu được đặt tại S(x, y, z), bán kính vectơ đích là OS, R là khoảng cách giữa
tâm mục tiêu và mảng, S' là hình chiếu trong mặt phẳng ngang xoy, góc θ là góc
định hướng ngang, θmx, θmy là góc riêng giữa bán kính vectơ OS và trục x, trục y.
τ12 là độ trễ thời gian của tín hiệu từ mục tiêu giữa 1 và 2, τ34 là độ trễ thời gian của
tín hiệu từ mục tiêu giữa 3 và 4.

Hình 2. Sơ đồ cấu trúc của mảng hydrophone bốn phần tử.
Khi vị trí mục tiêu đáp ứng điều kiện của mô hình sóng phẳng ta có:
xL  R cos  mx  c 12 R / L, yL  R cos  my  c 34 R / L

(1)

trong đó, c là vận tốc âm trong nước. Do đó, độ chính xác của vị trí phụ thuộc vào
134

T. Q. Giang, …, B. N. Hoàng, “Về một phương pháp thiết kế … mảng bốn hydrophone.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

độ chính xác đo được của độ trễ thời gian τ, khoảng cách nhìn thẳng R, nếu R đo
được thì phép đo chính xác độ trễ thời gian là điểm quan trọng nhất để cải thiện độ
chính xác của bài toán định vị.
2.3. Thuật toán nội suy ƣớc lƣợng thời gian trễ trong đỉnh tƣơng quan
Bài toán nội suy ước lượng thời gian trễ sử dụng thuật toán phát hiện đỉnh
tương quan [2] được dùng phổ biến trong trường hợp này. Việc sử dụng bộ lọc
phối hợp để thu được tín hiệu công suất đầu ra cực đại cho tỉ số tín trên tạp (SNR)
ở nền nhiễu trắng trong hệ thống định vị USBL. Đầu ra của bộ lọc phối hợp này

thực chất là một bộ tương quan chéo trên miền thời gian [3], như trong hình 3.
Tín hiệu đầu vào

Bộ Lọc Phối hợp

Đầu ra

Phát hiện đỉnh

Tín hiệu Mẫu
Hình 3. Bộ tương quan chéo trên miền thời gian.
Tín hiệu đầu vào của bộ tương quan là tín hiệu thu (có nhiễu), đầu còn lại là tín
hiệu mẫu được truyền đi. Tại mỗi khoảng thời gian lấy mẫu, tín hiệu tham chiếu sẽ
lấy tương quan với tín hiệu đầu vào. Ví dụ, ta có thể quan sát đầu ra của bộ lọc
phối hợp bằng cách phát đi một tín hiệu điều tần tuyến tính (LMF) trên kênh
truyền lý tưởng. Nếu thời gian trễ của tín hiệu thu là t0, thì tín hiệu đầu vào là Si(t)
và tín hiệu tham chiếu là Sr(t) như sau:

si (t )  A sin( w(t  t0 )   (t  t0 ) 2 ), t0  t  T  t0 ;
sr (t )  A sin( wt   t 2 ), t  0;

(2)

trong đó, β=B/T là tỷ số điều tần FM, B là băng thông, T là độ rộng xung tín hiệu.
Đầu ra của bộ tương quan là:

Rout (t )  A2T / [ (t  t0 )]sin[ (t  t0 )(1  t  t0 ) / T ]

(3)

Khi t = t0, đầu ra của bộ tương quan đạt cực đại. Nếu chúng ta có thể phát hiện
đỉnh đầu ra của bộ tương quan thì ta có thể ước lượng được t0. Vì trong mỗi khoảng
thời gian lấy mẫu, đầu ra của bộ tương quan là một mẫu riêng biệt của chuỗi tương
quan và do đó, đầu ra cực đại không đồng nghĩa với vị trí chính xác tương ứng của
đỉnh tương quan, do đó dẫn đến sai số về giá trị thời gian trễ. Độ chính xác của thời
gian trễ phụ thuộc vào tần số lấy mẫu và khoảng cách L giữa các cặp hydrophone.
Do đó, để có được độ chính xác theo từng bài toán cụ thể ta phải khảo sát L và tần
số lấy mẫu từ đó xác định được thiết kế phù hợp cho hệ thống.
3. MÔ PHỎNG, TÍNH TOÁN VÀ THẢO LUẬN
3.1. Thuật toán mô phỏng hệ thống định vị thủy âm USBL sử dụng mảng bốn
hydrophone
Quá trình mô phỏng (hình 4) sẽ bao gồm bốn bước:
- Bước đầu tiên là khởi tạo tín hiệu từ bốn đường tương ứng với cấu trúc của
mảng bốn phần tử;

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 9 - 2020

135


Kỹ thuật điện tử

- Bước thứ hai là đo thời gian trễ, bao gồm hai bộ lọc phối hợp;
- Bước thứ ba là đỉnh tương quan tương ứng ở đầu ra bộ lọc.
- Bước thứ tư là tính toán chênh lệch thời gian trễ τ12, τ34, sau đó, sử dụng
phương trình (3) để tính ra kết quả vị trí cuối cùng.

Hình 4. Thuật toán mô phỏng hệ thống định vị thủy âm USBL
sử dụng mảng bốn hydrophone.
3.2. Phƣơng pháp tính toán, mô phỏng và thảo luận

Lựa chọn tín hiệu điều tần tuyến tính có tần số 28-36 kHz làm tín hiệu của mục
tiêu, băng thông là B = 8 kHz, tần số lấy mẫu là fs = 200 kHz, độ rộng xung T = 8 ms,
nhiễu nền là nhiễu trắng Gauss. Khoảng cách nghiêng của mục tiêu cho trước S là
R = 566 m, tọa độ của S’ là (400,400). Hệ thống sử dụng khoảng cách giữa các
phần tử mảng là L = 25 cm, tốc độ âm thanh trong nước là c = 1500 m/s.
3.2.1. So sánh lỗi vị trí với tín hiệu thu có SNR khác nhau
Sau khi thực hiện thống kê độc lập 500 lần bằng thuật toán Monte Carlo với tỉ
số tín trên tạp SNR là 10 dB và 16 dB, ta có được các điểm vị trí của mục tiêu theo
chiều ngang mặt phẳng môi trường nước như trong hình 5 và hình 6. Trong đó, x
và y là tọa độ vị trí nằm ngang với khoảng cách L = 25 cm, σ Lx' là độ lệch bình
phương trung bình được tính như sau:

 Lx ' 

136

N

 (x  x )
i 1

i

0

2

/N

(4)

T. Q. Giang, …, B. N. Hoàng, “Về một phương pháp thiết kế … mảng bốn hydrophone.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

trong đó, xi là giá trị đo được, x0 là giá trị trung bình của mục tiêu đối chiếu tới trục
x trong mặt phẳng ngang, N là số lần thống kê. Hình 5 và hình 6 cho thấy độ lệch
vị trí của mục tiêu lớn hơn và các điểm vị trí phân tán hơn khi SNR là 10dB, độ
lệch vị trí của mục tiêu nhỏ hơn và các điểm mục tiêu hội tụ tập trung hơn khi SNR
là 16dB. Thống kê các kết quả đo được, ta tính được bình phương độ lệch trung
bình của vị trí Lx' là 6,38 m và 2,74 m khi SNR là 10 dB và 16 dB.

Hình 5. Thống kê bằng thuật toán Monte Carlo với SNR=10dB.

Hình 6. Thống kê bằng thuật toán Monte Carlo với SNR=16 dB.
3.2.2. So sánh lỗi vị trí với các khoảng cách phần tử mảng khác nhau
Sau khi thực hiện thống kê độc lập 500 lần bằng thuật toán Monte Carlo với tỉ
số tín trên tạp SNR là 10dB, và chỉ thay đổi khoảng cách L giữa các phần tử mảng
ta nhận được lỗi vị trí như trong bảng 1.
Bảng 1. Lỗi vị trí trong khoảng cách L giữa các phần tử mảng.
L (mm)

8

16

32

48

64

σLx '(m)

20,9

9,7

5,22

3,31

2,39

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 9 - 2020

137


Kỹ thuật điện tử

Bảng 1 cho thấy rằng, lỗi vị trí giảm cùng với khoảng cách giữa các phần tử của
mảng tăng lên. Khi tăng khoảng cách giữa các phần tử trong mảng sẽ gặp khó khăn
khi xây dựng hệ thống và tăng cao chi phí với hệ thống chủ động bốn phần tử, do
đó đòi hỏi cần phải tính toán theo từng trường hợp cụ thể để chọn giá trị tối ưu của
khoảng cách L.
4. KẾT LUẬN
Bài báo sử dụng thuật toán ước lượng thời gian trễ và phát hiện đỉnh tương quan
để xác định vị trí của nguồn âm của hệ thống USBL chủ động. Hệ thống sử dụng

cấu trúc mảng bốn hydrophone thủy âm. Độ chính xác của vị trí tỷ lệ nghịch với
giá trị của SNR và tỷ lệ thuận với khoảng cách các phần tử mảng. Kết quả mô
phỏng mà nhóm tác giả thu được có thể làm cơ sở thiết kế hệ thống định vị thủy
âm USBL chủ động trong thực tế.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Vũ Hải Lăng, “Nghiên cứu thiết kế, chế thử thiết bị hỏi - đáp phục vụ tìm kiếm
dưới nước trong huấn luyện chiến đấu của bộ đội Đặc công”, Báo cáo tổng
hợp kết quả nghiên cứu đề tài, 2018.
[2]. Huang Jianren, “An algorithm of interpolating time-delay estimation in
correlation peak”, Acoustic Journal, 2005.
[3]. Tian Tan, “Technique of underwater positioning and navigation”, National
Defense Industry Press, 2007.9.
[4]. Tian Tan, Liu Guozhi, Sun Dajun, “Technique of sonar”, Harbin:Harbin
Engineering University Press, 2006.
[5]. Liu Li, “Research on technique of underwater acoustic communication”,
Harbin: HEU Press, 2006.
ABSTRACT
IMPROVING LOCATION PRECISION FOR USBL SYSTEM
WITH FOUR HYDROPHONES ARRAY
In this article, a solution to design active hydrodynamic positioning
system using the ultra-short baseline system (USBL) with four hydrophones
array was analyzed . In order to increase the accuracy of system with a long
distance, the research team proposed to use the correlation peak time delay
estimation algorithm. Using Monte Carlo statistical model, the result shows
that the accuracy of the positioning results depends on the signal to noise
ratio and the baseline distance of the hydrophone array.
Keywords: USBL; Time-delay estimation; SNR; Hydrophone.

Nhận bài ngày 19 tháng 02 năm 2020
Hoàn thiện ngày 20 tháng 8 năm 2020

Chấp nhận đăng ngày 28 tháng 8 năm 2020
Địa chỉ: Viện Điện tử, Viện KH-CN quân sự.
*Email:

138

T. Q. Giang, …, B. N. Hoàng, “Về một phương pháp thiết kế … mảng bốn hydrophone.”