Tài liệu Nghiên cứu nâng cao độ chính xác định vị của thiết bị sonar thụ động trên tàu

0 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ TRẦN CÔNG TRÁNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỊNH VỊ CỦA THIẾT BỊ SONAR THỤ ĐỘNG TRÊN TÀU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 2019 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ TRẦN CÔNG TRÁNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỊNH VỊ CỦA THIẾT BỊ SONAR THỤ ĐỘNG TRÊN TÀU Chuyên ngành: Kỹ thuật Rađa – dẫn đƣờng Mã số: LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Đại tá, TS Trần Văn Hùng 2. Đại tá, TS Nguyễn Thanh Hùng Hà Nội – 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nghiên cứu và các số liệu sử dụng trong luận án là trung thực, chưa từng được ai công bố ở trong bất kỳ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Tác giả luận án Trần Công Tráng ii LỜI CẢM ƠN Tôi trân trọng cảm ơn tập thể giáo viên hướng dẫn, TS Trần Văn Hùng và TS Nguyễn Thanh Hùng đã tận tình hướng dẫn, động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án. Xin trân trọng cảm ơn các đơn vị: Viện Rađa - Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự, phòng Xử lý tín hiệu - Viện Rađa, Khoa Thông tin-Rađa – Học viện Hải quân, phòng Khí tài Đặc chủng - Viện Kỹ thuật Hải quân đã tạo mọi điều kiện về cơ sở vật chất, thiết bị thí nghiệm, hỗ trợ tôi thực hiện luận án. Tôi chân thành cảm ơn các giáo viên trong Viện Rađa, Khoa Kỹ thuật Vô tuyến – Học viện Kỹ thuật Quân Sự, các đồng chí trong Viện Rađa, Phòng Đào tạo Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự đã cho tôi những lời khuyên quý báu, những điều kiện thực hiện luận án tốt nhất. Tôi chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp tại Khoa Thông tin-Rađa – Học viện Hải quân, Phòng Kỹ thuật – BTL Vùng 4 Hải quân đã đồng hành, nhiệt tình hỗ trợ, cùng gia đình thân yêu luôn tiếp thêm động lực cho tôi hoàn thành luận án này. Nghiên cứu sinh iii MỤC LỤC Trang Mục lục........................................................................................................................................iii Danh mục các kí hiệu, chữ viết tắt...................................................................................vi Danh mục các bảng..................................................................................................................x Danh mục các hình vẽ...........................................................................................................xi MỞ ĐẦU....................................................................................................................................................1 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ SONAR THỤ ĐỘNG VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ MỤC TIÊU CỦA SONAR THỤ ĐỘNG TRÊN TÀU................................5 1.1. Tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đề tài luận án....5 1.1.1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu và thực tiễn trang bị sonar ở Việt Nam.............................................................................................................................................................5 1.1.2. Một số nghiên cứu liên quan đến luận án ở nước ngoài...............................8 1.2. Đặc điểm lan truyền sóng âm tác động đến bài toán định vị của sonar thụ động trên tàu ngầm...............................................................................................................................10 1.2.1. Sự lan truyền sóng âm trong nước biển.............................................................10 1.2.2. Mô hình truyền âm trong nước biển....................................................................12 1.2.3. Sonar thụ động...............................................................................................................14 1.2.4. Tín hiệu và nhiễu âm đối với sonar thụ động..................................................15 1.3. Các phương pháp định vị mục tiêu trong sonar thụ động trên tàu..........19 1.3.1. Phương pháp đo cự ly trực tiếp theo phương ngang HDPR.....................20 1.3.2. Phương pháp đo liên tiếp nhiều phương vị TMA..........................................23 1.3.3. Phương pháp tam giác đạc.......................................................................................25 1.3.4. Đánh giá các phương pháp định vị.......................................................................29 1.4. Đặt bài toán và các điều kiện nghiên cứu..............................................................30 1.5. Kết luận chương 1.........................................................................................................31 Chƣơng 2 NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT ĐO GÓC TỚI CỦA SONAR THỤ ĐỘNG TRÊN TÀU...........................................................................................33 2.1. Các phương pháp đo góc cơ bản ứng dụng trong sonar thụ động...........33 2.1.1. Phương pháp biên độ..................................................................................................33 2.1.2. Phương pháp so sánh pha.........................................................................................36 iv 2.1.3. Phương pháp đo hiệu thời gian đến.....................................................................42 2.2. Mô hình mạng anten nhiều chấn tử.......................................................................47 2.2.1. Mô hình tín hiệu sonar thu được từ mạng anten tuyến tính ULA..........48 2.2.2. Mô hình tín hiệu thu được từ mạng anten đồng nhất hình tròn UCA . 52 2.3. Ước lượng góc tới nguồn sóng âm đối với mạng anten nhiều chấn tử . 53 2.3.1. Ước lượng góc tới bằng thuật toán CB...............................................................53 2.3.2. Ước lượng góc tới bằng thuật toán MVDR......................................................58 2.3.3. Ước lượng góc tới bằng thuật toán MUSIC.....................................................63 2.4. Kết luận chương 2.........................................................................................................77 Chƣơng 3 NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG THUẬT TOÁN MUSIC NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ĐO GÓC CỦA SONAR THỤ ĐỘNG TRÊN TÀU.........................79 3.1. So sánh và đánh giá khả năng đo góc theo thuật toán MUSIC với các thuật toán MVDR và CB sử dụng mạng anten ULA............................................................79 3.1.1. So sánh độ rộng búp sóng chính............................................................................80 3.1.2. So sánh tỉ số PPAR theo sự phụ thuộc vào SNR...........................................83 3.1.3. So sánh khả năng xác định góc trên màn hình sonar...................................85 3.2. So sánh và đánh giá khả năng đo góc theo thuật toán MUSIC so với các thuật toán MVDR và CB sử dụng mạng anten UCA............................................................85 3.2.1. So sánh độ rộng búp sóng chính............................................................................87 3.2.2. So sánh tỉ số PPAR theo sự phụ thuộc vào SNR...........................................88 3.3. Đo thực nghiệm kiểm chứng khả năng áp dụng thuật toán MUSIC......89 3.3.1. Mô tả mô hình thực nghiệm và quy trình đo...................................................89 3.3.2. Quá trình xử lý tín hiệu trong Matlab.................................................................92 3.3.3. Kết quả đo thực nghiệm và đánh giá...................................................................93 3.3.4. So sánh khả năng xác định góc khi xử lý tín hiệu đo...................................96 3.4. Ứng dụng mạng NLA đối với thuật toán MUSIC..........................................98 3.4.1. Cơ sở xây dựng cấu hình mạng NLA..................................................................98 3.4.2. Đánh giá phẩm chất mạng NLA............................................................................99 3.5. Sử dụng kỹ thuật làm mềm không gian đối với thuật toán MUSIC...104 3.5.1. Cơ sở kỹ thuật làm mềm không gian................................................................105 v 3.5.2. Đánh giá kỹ thuật làm mềm không gian bằng mô phỏng........................106 3.5.3. Nghiên cứu khả năng ứng dụng anten mạng NLA kết hợp kỹ thuật làm mềm không gian trong sonar thụ động trên tàu.................................................................110 3.6. Kết luận chương 3......................................................................................................112 KẾT LUẬN.........................................................................................................................................114 1. Các kết quả của luận án...............................................................................................114 2. Các đóng góp mới của luận án:................................................................................115 3. Hướng phát triển tiếp theo:........................................................................................115 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ.......................116 TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................................117 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT a() vector hướng của mạng anten thu A() ma trận chỉ hướng của mạng anten thu ca vận tốc âm thanh, [m/s] cov(-) phép tính hiệp phương sai di mạng anten âm thứ i d[1, …, n] cấu hình mạng anten âm d khoảng cách, [m] f tần số, [Hz] H, h độ sâu, [m] I cường độ âm, [W/m2] k số sóng âm mod hàm lấy số dư n(t) ma trận nhiễu tạp p áp suất, [N/m2] P công suất, [W] PMUSIC phổ đáp ứng theo thuật toán MUSIC R, r bán kính, cự ly, [m] s độ mặn, [‰] s(t), x(t), n(t) nguồn tín hiệu, tín hiệu thu, nhiễu  nhiệt độ, [oC] t thời gian, [s] v vận tốc dao động của các phần tử, [m/s] V thể tích, [m3] Vc vận tốc tàu bắt đầu xâm thực khí, [Knot] Vn vận tốc của tàu, [Knot] W() vector trọng số x(t) ma trận tín hiệu thu x, y,z tọa độ Đề-các  toán tử Laplace vii f độ rộng dải thông, [Hz] R,d, D sai số khoảng cách, sai số cự ly, [m] x,y, z sai số tọa độ, [m]  đường kính, [m]  góc nghiêng của hình elip sai số, [độ]   giá trị riêng thứ i của ma trận hiệp phương sai i góc pha, [độ]  bước sóng, [m]  góc, [độ]  mật độ chất lỏng, [kg/m3]  sai số trung bình bình phương drsai số các phép đo thời gian, khoảng cách, góc  độ trễ thời gian, [s]  tần số góc, [rad/s] C-BFM tạo búp sóng thông thường (Conventional Beamforming) CRB đường biên Cramer-Rao (Cramer-Rao Bound) DI chỉ số định hướng (Directivity Index) DOA đo hướng sóng đến (Direction Of Arrival) DT ngưỡng phát hiện (Detection Threshold) ESPRIT phép ước lượng dựa vào kỹ thuật vòng quay bất biến (Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques) FFT biến đổi Phu-ri-e nhanh (Fast Furier Transform) GMLE phương pháp ước lượng khả năng cực đại (Generalized Maximum Likelihood Estimator) HDPR đo cự ly thụ động trực tiếp theo phương ngang (Horizontal Direct Passive Ranging) MFP xử lý phối hợp theo trường (Matched Field Processing) MUSIC phân tích tín hiệu đa thành phần (Multiple Signal Classification) MVDR Phương pháp giảm thiểu công suất nhiễu tạp (Minimum Variance viii Distortionless Response) NCS nghiên cứu sinh NL mức nhiễu ồn từ môi trường (Noise Level) NLA mạng tuyến tính không đồng nhất (Nonuniform Linear Array) OFDM kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) PD lệch pha (Phase Difference) PL mức năng lượng hao hụt do lan truyền sóng (Propagation Loss) PPAR tỉ số đỉnh trên nền (Peak Per Average Ratio) RL mức nhiễu âm vang (Reverberation Level) RMS phép tính sai số bình phương trung bình (Root Mean Square) RMSE sai số bình phương trung bình (Root Mean Square Error) Root-MUSIC phương pháp MUSIC sử dụng giải nghiệm đa thức SL mức nguồn âm (Source Level) SNR tỉ số tín hiệu/tạp nhiễu (Signal-to-Noise Ratio) SODA sử dụng đường cơ sở thứ cấp (Second Order Array) SONAR định vị thủy âm (Sound Navigation And Ranging) Spectrum-MUSIC: phương pháp MUSIC sử dụng phổ tín hiệu TDOA đo hiệu thời gian đến (Time Different of Arrival) TMA phân tích chuyển động của mục tiêu (Target Motion Analysis) TS mức phản hồi âm (Target Strength) UCA mạng đồng nhất hình tròn (Uniform Circle Array) ULA mạng tuyến tính đồng nhất (Uniform Linear Ârray) URA mạng đồng nhất hình tam giác (Uniform Rectangular Array) VDPR đo cự ly thụ động trực tiếp theo phương thẳng đứng (Vertical Direct Passive Ranging) WGN nhiễu cộng tạp trắng (Additive White Gaussian Noise) GROA Tỉ số khuếch đại tín hiệu đến (Gain Ratios Of Arrival) ix DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1: Khảo sát tính đơn trị của mạng ULA khi thay đổi tham số d..........67 Bảng 2.2. Các tham số đầu vào mô phỏng sai số đo góc khi thay đổi góc tới.....................................................................................................................................68 Bảng 2.3. Các tham số đầu vào mô phỏng sai số đo góc khi thay đổi d..........69 Bảng 2.4. Tham số đầu vào mô phỏng sai số đo góc khi thay đổi kích thước mạng..................................................................................................................................71 Bảng 2.5. Tham số đầu vào mô phỏng sai số đo góc không thay đổi kích thước mạng...................................................................................................................................72 Bảng 2.6. Tham số đầu vào mô phỏng sai số đo góc khi thay đổi tần số tín hiệu............................................................................................................................................73 Bảng 2.7. Tham số đầu vào mô phỏng sai số đo góc khi thay đổi số lượng mẫu 74 Bảng 3.1. Tham số đầu vào mô phỏng đánh giá thuật toán MUSIC trên mạng ULA....................................................................................................................................79 Bảng 3.2. Tham số đầu vào mô phỏng đánh giá thuật toán MUSIC trên mạng UCA....................................................................................................................................85 Bảng 3.3: Bảng thống kê kết quả đo kiểm nghiệm phương pháp MUSIC......94 Bảng 3.4: Các ví dụ về mô hình mạng anten NLA [14]..........................................99 x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Phân bố vận tốc âm và nhiệt độ theo độ sâu tại khu vực biển ngoài vịnh Cam Ranh vị trí có tọa độ φ = 12°00'N, λ = 110°13'800E [7]............................12 Hình 1. 2: Kết quả mô phỏng quỹ đạo lan truyền sóng âm trong nước biển theo mặt cắt đứng mô hình tia................................................................................................................14 Hình 1.3: Kênh âm thanh ngầm xuất hiện tại lớp đột biến vận tốc âm.............14 Hình 1.4: Ví dụ về mô hình truyền âm tại vùng biển có độ sâu 300 m............15 Hình 1.5: Các nhiệm vụ cơ bản của thiết bị sonar tàu ngầm [67].......................16 Hình 1.6: Cơ chế phát sinh tiếng ồn từ các phương tiện mang............................17 Hình 1.7: Quá trình truyền tiếng ồn cơ khí gây ra rung động vỏ tàu.................18 Hình 1.8: Phổ ồn của tàu mặt nước quân sự phân tích dải hẹp [30]..................19 Hình 1.9: Dải tần số làm việc của các thiết bị sonar chủ động [31]...................20 Hình 1.10: Định vị mục tiêu theo phương pháp HDPR...........................................22 Hình 1.11: Cách bố trí mạng anten trên tàu ngầm theo phương pháp HDPR 24 Hình 1.12: Định vị mục tiêu theo phương pháp TMA.............................................25 Hình 1.13: Mô hình định vị nguồn âm bằng phương pháp tam giác đạc.........27 Hình 1.14: Ví dụ minh họa của phương pháp tam giác đạc...................................29 Hình 1.15: Sai số định vị mục tiêu chịu ảnh hưởng bởi sai số đo góc..............30 Hình 1.16: Tập hợp các điểm đo vị trí mục tiêu tạo thành vùng Elip sai số . 30 Hình 2.1: Xác định góc tới bằng so sánh biên độ.......................................................35 Hình 2.2: Xác định góc hướng tới bằng phương pháp đo pha..............................37 Hình 2.3 a, b mô tả hai tín hiệu tương ứng khi chưa có nhiễu và khi có nhiễu (với tỉ số SNR = 10 dB)..................................................................................................................38 Hình 2.4 thể hiện độ lệch pha giữa hai tín hiệu khi a) không nhiễu và b) có nhiễu........................................................................................................................................................39 o Hình 2.5: Hai tín hiệu tần số 4 kHz, lệch pha nhau 60 trong trường hợp a) không có nhiễu và b) có nhiễu.....................................................................................................39 Hình 2.6: Tính độ lệch pha giữa hai tín hiệu khi a) không nhiễu b) có nhiễu40 Hình 2.7: Dạng tín hiệu chân vịt tàu ngầm và các giá trị đo hiệu pha..............41 xi Hình 2.8: Ước lượng góc tới bằng phương pháp đo hiệu thời gian đến...........42 Hình 2.9: Hình dạng hai tín hiệu trễ thời gian nhau 0,1ms....................................43 Hình 2.10: So sánh giữa hàm tự tương quan và hàm tương quan hai tín hiệu44 Hình 2.11: Sai số quân phương phụ thuộc vào tỉ số tín/tạp SNR........................44 Hình 2.12: Dạng tín hiệu tiếng ồn chân vịt tàu ngầm...............................................45 Hình 2.13: Phổ tần số tín hiệu tiếng ồn chân vịt tàu ngầm.....................................46 Hình 2.14: Hiệu thời gian đến của tiếng ồn chân vịt bởi hai cảm biến thu. . .46 Hình 2.15: Xác định hiệu thời gian đến của tiếng ồn chân vịt bởi hai cảm biến thu sau khi sử dụng bộ lọc.............................................................................................................47 Hình 2.16: Mạng anten 6 phần tử đặt thẳng hàng thu tín hiệu từ một nguồn 50 Hình 2.17: Mạng anten đồng nhất hình tròn UCA.....................................................53 Hình 2.18: Hình ảnh minh họa bộ tạo búp sóng thông thường sử dụng vector trọng số để ước lượng góc tới.......................................................................................................55 Hình 2.19: Giản đồ cánh sóng của mạng tuyến tính 16 phần tử, xác định góc tới o 20 bằng phương pháp CB, tỉ số tín/tạp SNR = 15 dB.....................................................56 Hình 2.20: Giản đồ định hướng anten mạng tuyến tính hình tròn trong mặt phẳng phương vị ứng với các tần số thu khác nhau...........................................................57 o Hình 2.21:Phổ đáp ứng ước lượng góc tới 20 sử dụng mạng tuyến tính 16 phần tử, d = /2, tỉ số tín/tạp SNR = 15 dB, sử dụng thuật toán MVDR.............................59 o Hình 2.22: Hình ảnh búp sóng đáp ứng thu được của tín hiệu ở hai góc 0 , và o 10 áp dụng thuật toán CB.............................................................................................................61 o Hình 2.23: Hình ảnh búp sóng đáp ứng thu được của tín hiệu ở hai góc 0 và 10 o áp dụng thuật toán MVDR.............................................................................................................62 Hình 2.24: Giản đồ phổ MUSIC khi sử dụng mạng anten ULA gồm 8 chấn tử o d = /2 xác định góc tới của 3 nguồn tín hiệu tần số 4 kHz đến từ các góc -15 , 20 o và 35 , tỉ số SNR tại máy thu là 15 dB....................................................................................65 Hình 2.25: Mô hình mạng anten ULA gồm 4 phần tử.............................................66 Hình 2.26: Tính đơn trị khi ước lượng góc tới của mạng anten ULA...............67 Hình 2.27: Mối liên hệ giữa sai số đo góc và góc DOA, SNR = -5 dB............69 Hình 2.28: Mối liên hệ giữa sai số đo góc và khoảng cách giữa các chấn tử 70 o xii Hình 2.29: So sánh sai số ước lượng góc tới giữa các mạng anten có số lượng phần tử khác nhau, khoảng cách giữa các chấn tử không đổi........................................71 Hình 2.30: So sánh sai số ước lượng góc tới giữa các mạng anten có số lượng phần tử khác nhau kích thước mạng không đổi....................................................................72 Hình 2.31: So sánh sai số ước lượng góc tới khi thay đổi tần số tín hiệu.......73 Hình 2..32. Sai số ước lượng DOA phụ thuộc giữa tỉ số SNR và số lượng lấy mẫu...........................................................................................................................................................74 Hình 2.33: Mạng 4 chấn tử có thể phân biệt tối đa 3 nguồn..................................75 o Hình 2.34: Xác suất phân biệt hai mục tiêu phân tách 5 mạng d1 = [0 1 2 3] /2.......................................................................................................................76 Hình 2.35: Phổ MUSIC trong trường hợp 3 tín hiệu tương quan với nhau, các o o o góc tới của tín hiệu là -12 , 23 và 43 , SNR =15 dB.......................................................76 o Hình 2.36: Phổ MUSIC khi thu 3 tín hiệu tương quan với các góc tới -12 , 23 o o và 43 khi tỉ số SNR = 15 dB.......................................................................................................77 Hình 3.1: So sánh phổ đáp ứng của thuật toán MUSIC với hai thuật toán CB và MVDR trên mạng ULA..................................................................................................................80 Hình 3.2: So sánh độ rộng búp chính ở mức -3 dB khi áp dụng thuật toán MUSIC với hai thuật toán CB và MVDR trên mạng ULA.............................................81 Hình 3.3: Sự phụ thuộc của PPAR vào SNR khi áp dụng các thuật toán CB, MVDR và thuật toán MUSIC trên mạng ULA....................................................................81 Hình 3.4. Hình ảnh màn hình thác nước đài sonar thụ động thực tế..................83 Hình 3.5: Mô phỏng màn hình thác nước đối với mạng ULA d = [0, 1, 2, 3] /2, khi áp dụng các thuật toán CB, MVDR và MUSIC với SNR =15 dB.......................84 Hình 3.6: So sánh phổ đáp ứng của thuật toán MUSIC với hai thuật toán CB và MVDR trên mạng UCA..................................................................................................................87 Hình 3.7: So sánh ba thuật toán MUSIC, CB và MVDR trên mạng UCA về sự phụ thuộc của độ rộng búp sóng chính ở mức -3 dB vào tỉ số tín/tạp SNR............87 Hình 3.8: So sánh sự phụ thuộc của PPAR vào SNR đối với ba thuật toán MUSIC, CB và MVDR trên mạng UCA.................................................................................88 Hình 3.9: Sơ đồ đo thực nghiệm kiểm chứng áp dụng thuật toán MUSIC....90 xiii Hình 3.10: Một số hình ảnh thực tế tiến hành đo thực nghiệm ................... Hình 3.11: Sơ đồ biểu diễn quá trình xử lý tín hiệu đo trong matlab khi ứng dụng thuật toán MUSIC ........................................................................................ Hình 3.12: Hình dạng tín hiệu thu được sau khi lọc ...................................... o o o Hình 3.13: Phổ MUSIC của tín hiệu tại góc a) 0 ; b) 10 và c) -10 ............. o o o Hình 3.14: Kết quả 200 lần đo góc tới khi hướng nguồn phát 0 , 10 , -10 .. 94 o Hình 3.15: So sánh phổ đáp ứng khi xử lý tín hiệu đo tại góc nguồn phát 0 bằng thuật toán MUSIC, CB và MVDR trên mạng 4 phần tử ............................. Hình 3.16: So sánh độ rộng búp sóng chính khi xử lý tín hiệu đo bằng thuật toán MUSIC, CB và MVDR trên mạng 4 phần tử ....................................................... Hình 3.17: Kết quả mô phỏng khả năng đo góc trên màn hình sonar khi xử lý theo ba thuật toán................................................................................................... Hình 3.18:Kết quả mô phỏng hàm mật độ phổ ba chiều xử lý theo ba thuật toán ................................................................................................................................ 97 o Hình 3.19: Phổ MUSIC của 3 mạng d1, d2, d5 khi góc nguồn phát là 5 ... 101 Hình 3.20: Phổ ước lượng theo thuật toán MUSIC của các mạng d1, d3, d4, d5 .............................................................................................................................. 100 Hình 3.21: So sánh sai số ước lượng DOA giữa các mạng d1, d3, d4, d5 Hình 3.22: So sánh độ rộng búp sóng chính giữa mạng d1, d3, d4, d5 ......... Hình 3.23: So sánh tỉ số PPAR của các mạng anten d1, d3, d4, d5. ............. Hình 3.24: Kỹ thuật chia nhóm trong một mạng anten................................ Hình 3.25: Mô phỏng so sánh giữa Smoothing MUSIC và Normal MUSIC106 Hình 3.26: Mối quan hệ giữa sai số quân phương và giá trị SNR cho hai phương pháp Smoothing MUSIC và Mormal MUSIC .................................................... Hình 3.27: So sánh độ rộng búp sóng chính khi sử dụng phương pháp Smoothing MUSIC với Mormal MUSIC............................................................ Hình 3.28: Sự phụ thuộc của giá trị PPAR vào SNR của hai thuật toán ..... Hình 3.29: Khả năng phân biệt hai tín hiệu tương quan .............................. Hình 3.30: Mô hình Smoothing cho mạng NLA 8 phần tử ......................... Hình 3.31: Giản đồ phổ ứng dụng Smoothing MUSIC với anten NLA. ..... xiv Hình 3.32: Mối liên hệ sai số quân phương và tỷ số SNR trong anten mạng ULA và NLA cùng kích thước và xử lý theo thuật toán Smoothing MUSIC.... 111 1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài luận án: Sonar thụ động đóng một vai trò vô cùng quan trọng trên các tàu chiến đấu của Hải quân, đặc biệt trên tàu ngầm do có tính ưu việt về tính bí mật khi hoạt động. Hiện nay, những tiến bộ về kỹ thuật và công nghệ điện tử, máy tính, xử lý tín hiệu cho phép thiết kế các hệ thống sonar thụ động hiện đại, với các tính năng vượt trội. Trên thế giới các nghiên cứu và công nghệ sonar có sự phát triển, tiến bộ nhanh kể từ đầu thế kỷ 21 [67]. Các quốc gia đi tiên phong trong lĩnh vực sonar quân sự và dân sự đó là Mỹ, Anh, Pháp, Đức, Nga [80]. Nhật Bản, Hàn quốc đã có nhiều thành công với các hệ thống sonar dân sự. Gần đây Trung Quốc có những đầu tư khá lớn cho nghiên cứu, phát triển các sonar quân sự và đã có một số thành tựu nhất định [23], [78]. Các cường quốc về kỹ thuật quân sự như Mỹ, Nga, các nước NATO, gần đây là Ấn độ, Trung Quốc đã và đang phát triển nhiều hệ thống sonar hiện đại, trong đó nghiên cứu về sonar thụ động là một hướng ưu tiên. Các ứng dụng quân sự của sonar thụ động thường được các nước bảo mật rất chặt chẽ. Trong nước, các nghiên cứu về sonar nói chung, sonar thụ động nói riêng cho đến nay chưa có nhiều công bố. Các phương pháp định vị được ứng dụng trong sonar thụ động trên tàu hiện nay bao gồm phương pháp phân tích chuyển động của mục tiêu (TMA: Target Motion Analysis, với hải quân thường gọi là phương pháp đo liên tiếp nhiều phương vị, sau đây gọi là phương pháp TMA), phương pháp đo cự ly thụ động trực tiếp theo phương ngang (HDPR: Horizontal Direct Passive Ranging, sau đây gọi là phương pháp HDPR) và phương pháp tam giác đạc. Trong đó phương pháp TMA là giải pháp chính mà tàu ngầm của ta đang sử dụng để định vị và theo dõi mục tiêu. Phương pháp tam giác đạc có triển vọng để nâng cao độ chính xác định vị nếu tàu ngầm sử dụng một anten kéo theo để kéo dài đường cơ sở. Đối với các phương pháp định vị sai số đo tọa độ mục tiêu phụ thuộc chủ yếu vào sai số đo góc tới và sai số đo hiệu thời gian (đối với phương pháp HDPR). Chính vì vậy, luận án lựa chọn giải pháp nâng cao độ chính xác ước lượng góc tới (DOA – Direction Of Arrival) để nâng cao độ chính xác định vị mục tiêu cho đối 2 tượng sonar thụ động trên tàu ngầm. Lựa chọn đề tài nghiên cứu có tính cấp thiết cao vừa là động lực và cũng là thách thức đối với NCS. Mục đích nghiên cứu: - Nghiên cứu các phương pháp định vị mục tiêu, các phương pháp đo góc tới đưa ra các đánh giá về khả năng áp dụng của các thuật toán định vị và phương pháp đo góc tới của nguồn tín hiệu cho sonar thụ động trên tàu nhằm đạt được mục đích nâng cao độ chính xác định vị mục tiêu cho thiết bị sonar thụ động đặt trên tàu. - Nghiên cứu khả năng nâng cao độ chính xác đo góc tới bằng thuật toán MUSIC (Multiple Signal Classification - phân tích tín hiệu đa thành phần) trên các cấu hình mạng anten tuyến tính đồng nhất ULA (Uniform Linear Array) và mạng anten đồng nhất hình tròn UCA (Uniform Circle Array); đề xuất cấu hình mạng anten tuyến tính không đồng nhất NLA (Nonuniform Linear Array, cải tiến thuật toán làm mềm không gian (Smoothing MUSIC) cho phép xác định góc tới của các tín hiệu sonar tương quan và không tương quan phát ra từ nhiều nguồn âm khác nhau. - Đo thực nghiệm kiểm chứng trong điều kiện cho phép để đánh giá các phương pháp đo góc tới trong điều kiện bể thí nghiệm thủy âm tại Học viện Hải quân, Viện Kỹ thuật Hải quân và môi trường biển tại Vịnh Nha Trang nhằm kiểm tra tính đúng đắn của các giải pháp đã nghiên cứu, đề xuất. Ðối tƣợng và phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu các phương pháp định vị, đo góc tới của nguồn phát tín hiệu sonar cho đối tượng là sonar thụ động trên tàu; xây dựng mô hình tín hiệu phát sóng âm, đánh giá khả năng ước lượng góc tới bằng mô phỏng. Xây dựng cấu hình mạng anten âm áp dụng thuật toán MUSIC nhằm nâng cao độ chính xác đo góc tới của nhiều nguồn phát tín hiệu sonar khác nhau. Mô phỏng, đánh giá, so sánh khả năng xác định góc tới theo thuật toán MUSIC với các thuật toán CB (Conventional Beamforming - tạo búp sóng thông thường) và MVDR (Minimum Variance Distortionless Response - đáp ứng không méo phương sai cực tiểu), đề xuất giải pháp nâng cao độ chính xác đo góc tới DOA để nâng cao độ chính xác định vị mục tiêu cho đối tượng sonar thụ động trên tàu. 3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án: Ý nghĩa khoa học: - Cho kết luận về khả năng áp dụng các thuật toán định vị và phương pháp đo góc tới của nguồn tín hiệu cho sonar thụ động trên tàu. Xây dựng mô hình tín hiệu thu được từ các mạng anten âm nhiều phần tử cho phép nghiên cứu, đánh giá khả năng ước lượng góc của các thuật toán CB, MVDR, MUSIC trên mô hình mạng anten âm ULA, UCA và NLA. - Bổ sung ứng dụng, phát triển mô hình mạng anten âm tuyến tính không đồng nhất NLA đối với thuật toán MUSIC, cải tiến thuật toán làm mềm không gian (Smoothing MUSIC) trong đo góc tới của tín hiệu sonar phát ra từ nhiều nguồn âm khác nhau, nhằm đạt được mục đích nâng cao độ chính xác định vị mục tiêu quân sự của thiết bị sonar thụ động đặt trên tàu. Ý nghĩa thực tiễn: - Đóng góp giải pháp và cấu hình mạng anten âm ứng dụng thuật toán MUSIC, giải pháp xử lý tín hiệu đo vào mục đích nâng cao độ chính xác định vị mục tiêu của các hệ thống sonar thụ động đặt trên tàu ngầm. - Đo thực nghiệm, đánh giá, kiểm chứng khả năng xác định góc hướng bằng phương pháp pha và bằng phương pháp đo hiệu thời gian đến với nguồn phát tín hiệu xung trong môi trường bể thí nghiệm thủy âm, ít bị ảnh hưởng của nhiễu. - Đo thực nghiệm, đánh giá, kiểm chứng mạng anten âm đồng nhất hình tròn UCA đối với nguồn phát tín hiệu liên tục hình sin ước lượng góc tới bằng thuật toán MUSIC trong môi trường biển tại Vịnh Nha Trang. Phƣơng pháp nghiên cứu: Sử dụng phương pháp khảo cứu, phân tích toán học các thuật toán định vị mục tiêu, đo góc tới đã có, sử dụng công cụ mô phỏng trong môi trường Matlab để kiểm chứng lý thuyết, so sánh, đánh giá sai số của các phương pháp định vị HDPR, TMA, tam giác đạc và các phương pháp đo góc biên độ cực đại, phương pháp so sánh pha, phương pháp đo hiệu thời gian đến. Từ các số liệu được thu thập từ tổ hợp sonar thực tế, xây dựng mô hình và thực hành đo tại bể thí nghiệm thủy âm ở Học viện Hải quân, Viện Kỹ thuật Hải quân và môi trường biển tại Vịnh Nha Trang tiến 4 hành phân tích, mô phỏng, so sánh, đánh giá sai số đo góc theo các thuật toán CB, MVDR, MUSIC để làm sáng tỏ các kết quả nghiên cứu. Bố cục của luận án: Cấu trúc của luận án gồm 124 trang, 82 hình vẽ, 11 bảng biểu, phần mở đầu, kết luận, 3 chương: Chƣơng 1. Tổng quan về sonar thụ động và các phƣơng pháp định vị mục tiêu của sonar thụ động trên tàu: Trình bày tình hình nghiên cứu và thực tế trang bị sonar Việt Nam, các nghiên cứu liên quan đến đề tài luận án, các vấn đề tổng quan chung về sonar thụ động, định vị mục tiêu và đặt bài toán đo góc góc tới để nâng cao độ chính xác định vị cho sonar thụ động trên tàu ngầm. Chƣơng 2. Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật đo góc tới của sonar thụ động trên tàu: Nghiên cứu các phương pháp đo góc cơ bản ứng dụng trong sonar thụ động như phương pháp biên độ, phương pháp pha, phương pháp đo hiệu thời gian đến. Xây dựng mô hình tín hiệu đối với mạng anten âm nhiều phần tử, làm cơ sở khảo sát khả năng ước lượng góc tới của các tín hiệu sonar phát ra từ nhiều nguồn âm khác nhau bằng các thuật toán CB, MVDR, MUSIC. Tập trung phân tích, đánh giá khả năng ước lượng góc tới của nguồn tín hiệu sonar bằng thuật toán MUSIC. Chƣơng 3. Nghiên cứu áp dụng thuật toán MUSIC nâng cao độ chính xác đo góc của sonar thụ động trên tàu: Thực hiện so sánh, đánh giá khả năng đo góc tới theo thuật toán MUSIC với các thuật toán CB, MVDR trên mạng anten âm tuyến tính đồng nhất ULA và mạng anten âm đồng nhất hình tròn UCA trên các tiêu chí độ rộng búp sóng chính, tỉ số đỉnh trên trung bình PPAR, độ chính xác đo góc. Đối với mạng UCA thực hiện đo thực nghiệm, xử lý tín hiệu đo bằng thuật toán MUSIC từ đó có những đánh giá về mặt ứng dụng trong thực tiễn. Đề xuất cấu hình mạng anten âm NLA cho phép nâng cao độ chính xác đo góc so với mạng ULA và đề xuất sử dụng kỹ thuật làm mềm không gian (Smoothing MUSIC) cho phép phát hiện góc tới của tín hiệu sonar tương quan và không tương quan phát ra từ nhiều nguồn âm khác nhau.