Một giải pháp thiết kế, chế tạo hệ thống hỏi-đáp phục vụ tìm kiếm dưới nước

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử V. H. Lăng, , N. T. Thủy, “Một giải pháp thiết kế, chế tạo tìm kiếm dưới nước.” 50 MỘT GIẢI PHÁP THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG HỎI-ĐÁP PHỤC VỤ TÌM KIẾM DƯỚI NƯỚC Vũ Hải Lăng1,*, Trần Quang Giang1, Đinh Thị Thuỳ Dương2, Nguyễn Thị Thủy3 Tóm tắt: Nội dung bài báo đề xuất một giải pháp thiết kế, chế tạo hệ thống hỏi - đáp phục vụ tìm kiếm dưới nước. Thông qua nghiên cứu một số hệ thống định vị thuỷ âm trên thế giới, bài báo phân tích đưa ra một giải pháp thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị. Hệ thống thiết bị đã được thử nghiệm và đánh giá kết quả thực tế trong môi trường biển tại vịnh Lan Hạ, huyện đảo Cát Bà. Từ khóa: LBL; SBL, USBL; TDOA; TDE; GCC; Hydrophone; Transceiver; Transponders. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật định vị thuỷ âm dựa trên nguyên lý truyền sóng âm trong nước. Trong lĩnh vực dân sự, đó là các hệ thống định vị kho tàng dưới nước; đánh dấu vị trí khảo cổ, thăm dò và khai thác khoáng sản dầu mỏ; ứng dụng trong việc tìm kiếm cứu hộ cứu nạn trên biển như xác định vị trí tàu đắm, khu vực máy bay rơi. Trong lĩnh vực quân sự, hệ thống định vị dưới nước được sử dụng để xác định vị trí các đối tượng và mục tiêu ngầm ở dưới nước; quản lý theo dõi và giám sát AUV, ROV,... Một trong những hệ thống ứng dụng phương pháp định vị thuỷ âm không thể không nhắc đến là hệ thống thiết bị quản lý giám sát, theo dõi và dẫn đường người nhái ở dưới nước nhằm hỗ trợ huấn luyện chiến đấu và tìm kiếm cứu hộ cứu nạn trên biển cho bộ đội đặc công. Việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các thiết bị tìm kiếm dưới nước không những giúp ta làm chủ về khoa học công nghệ mà còn làm chủ trong việc sản xuất tạo ra dòng sản phẩm đáp ứng yêu cầu cấp thiết phục vụ cho huấn luyện chiến đấu của bộ đội đặc công cũng như công tác cứu hộ cứu nạn trên biển trong lĩnh vực an ninh, quốc phòng và kinh tế xã hội. Bài báo này trình bày một giải pháp thiết kế chế tạo hệ thống tìm kiếm mục tiêu được đánh dấu bằng thiết thị phát - đáp ở dưới nước theo nguyên lý sôna chủ động. 2. MỘT SỐ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ THUỶ ÂM Thành phần cơ bản của một hệ thống định vị thuỷ âm gồm: một bộ thu - phát "transceiver" và một mảng các bộ phát-đáp "transponders" (hoặc một bộ phát - đáp và một mảng các bộ thu - phát), một khối xử lý và một khối hiển thị. Các bộ thu -phát và các bộ phát - đáp phát và thu tín hiệu sóng âm để làm cơ sở cho việc xác định khoảng cách và góc phương vị (hướng). Khoảng cách giữa các bộ phát - đáp (hoặc thu - phát) trong một mảng gọi là đường cơ sở "baseline". Hệ thống định vị thuỷ âm được phân thành ba nhóm chính tuỳ theo kích thước đường cơ sở gồm: LBL, SBL và USBL. Bảng 1. Một số hệ thống định vị thủy âm theo độ dài đường cơ sở. TT Hệ thống Độ dài đường cơ sở Phương pháp định vị 1 LBL 50m đến 6000m Đo khoảng cách 2 SBL 10m đến 50m Đo khoảng cách và góc phương vị 3 USBL Nhỏ hơn 10 cm Đo khoảng cách và góc phương vị 2.1. Hệ thống định vị đường cơ sở dài LBL Hệ thống định vị đường cơ sở dài LBL(Long BaseLine) gồm một bộ thu - phát và ít nhất ba bộ phát - đáp. Bộ thu - phát gắn trên tàu lặn hoặc tàu nổi chính là mục tiêu cần định vị. Các bộ phát - đáp được neo ở đáy biển thành dạng mảng. Vị trí hoặc khoảng cách Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 51 giữa các bộ phát - đáp được xác định trước. Khoảng cách giữa các bộ phát đáp (đường cơ sở) trong khoảng từ 50 đến 6000m. Hình 1. Hệ thống định vị LBL trên tàu mặt nước. 2.2. Hệ thống định vị đường cơ sở ngắn SBL Hệ thống định vị đường cơ sở ngắn SBL (Short BaseLine) bao gồm 3 hoặc nhiều bộ thu - phát gắn trên thân tàu, một bộ phát - đáp được gắn với mục tiêu cần định vị (tàu lặn, người nhái, AUV,...), hệ thống SBL không yêu cầu bất kỳ thiết bị nào gắn hoặc neo cố định dưới đáy. Hình 2. Hình ảnh hệ thống định vị SBL. 2.3. Hệ thống định vị đường cơ sở cực ngắn USBL Hệ thống định vị đường cơ sở cực ngắn USBL (Ultra Short BaseLine) tên gọi khác là SSBL (Super Short BaseLine). Hệ thống USBL bao gồm một bộ thu - phát (trong đó có một khối phát và có ít nhất 3 khối thu) đặt cố định trên tàu mặt nước (tàu nổi). Một bộ phát - đáp được gắn trên mục tiêu (tàu lặn, người lặn, hoặc AUV, ROV,...). Cả ba hệ thống trên đều định vị theo nguyên lý bộ thu - phát sẽ phát tín hiệu sóng âm ra môi trường, bộ phát - đáp thu được tín hiệu và phát đáp trên một tần số khác. Tín hiệu này được mảng các bộ thu - phát thu nhận được. Dựa vào khoảng thời gian truyền sóng TOF (time-of-flight) và vận tốc truyền âm trong môi trường truyền sóng dưới nước ta tính được khoảng cách, với các hệ định vị khác nhau sẽ xác vị trí bằng các phương pháp khác nhau như tam giác đạc, TDOA... Kỹ thuật điều khiển & Điện tử V. H. Lăng, , N. T. Thủy, “Một giải pháp thiết kế, chế tạo tìm kiếm dưới nước.” 52 Hình 3. Hệ thống định vị USBL. 3. XÂY DỰNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG HỎI - ĐÁP PHỤC VỤ TÌM KIẾM DƯỚI NƯỚC Trên cơ sở nghiên cứu ba hệ thống định vị trên, có thể thấy để phát triển một hệ thống định vị sẽ rất tốn kém và mất nhiều thời gian nghiên cứu. Với các hệ định vị LBL, SBL thì hệ thống rất phức tạp, đòi hỏi chi phí phát triển lớn, thích hợp với các ứng dụng định vị mục tiêu ngầm hoạt động rộng. Còn đối với hệ định vị USBL do có ưu điểm là đường cơ sở ngắn vì vậy dễ dàng nghiên cứu, triển khai thử nghiệm. Tuy nhiên, hệ định vị này có nhược điểm là sử dụng mảng hydrophone để xác định hướng, độ chính xác về góc phụ thuộc rất lớn vào số lượng hydrophone. Hình 4. Mô hình hệ thống trên thực tế phục vụ trong huấn luyện cho Đặc công. Vì vậy, bài báo đề xuất giải pháp thiết kế hệ thống thiết bị hỏi - đáp tìm kiếm dưới nước. Giải pháp này không quá phức tạp trong việc triển khai, phù hợp với ứng dụng tìm kiếm trong phạm vi hoạt động dưới 1 km. Nguyên lý hoạt động của thiết bị như sau: trạm thu - phát bề mặt sẽ phát tín hiệu sóng âm ra môi trường, bộ phát - đáp ở dưới nước thu được tín hiệu và phát đáp trên một tần số khác, trạm thu - phát bề mặt nhận được tín hiệu từ bộ phát đáp dưới nước trên cơ sở đó xác định được khoảng thời gian truyền sóng đi về, khoảng thời gian truyền sóng và vận tốc truyền âm trong môi trường truyền sóng dưới nước ta tính được khoảng cách giữa trạm thu - phát bề mặt và bộ phát - đáp dưới nước, sử dụng cặp hydrophone xác định góc hướng theo nguyên lý ước lượng thời gian trễ TDOA [3]. Dựa vào góc ước lượng α [3] thu được, thực hiện quay cặp hydrophone theo giản đồ quy ước góc hướng như hình 5 sao cho lần phát tiếp theo góc sẽ bằng 0, khi đó với khoảng cách đã biết ta sẽ tìm được mục tiêu cần tìm kiếm. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 53 Theo hình 6, khi biết được tổng thời gian từ khi phát tín hiệu hỏi đến khi nhận được tín hiệu đáp, biết vận tốc truyền âm dưới nước chúng ta sẽ xác định được khoảng cách từ trạm cơ sở đến mục tiêu theo công thức sau: 2 ).( ttv r   (1) trong đó, r là khoảng cách giữa trạm cơ sở và mục tiêu; v là vận tốc lan truyền âm dưới nước; t là thời gian từ khi phát tín hiệu hỏi đến khi nhận được tín hiệu đáp và t là thời gian giữ chậm do quá trình xử lý trong thiết bị và đặc thù lan truyền của sóng âm trong nước (trong trường hợp lý tưởng thời gian giữ chậm là vô cùng bé thì t ≈0). Hình 5. Mô tả quy ước chỉ hướng. Hướng của nguồn âm dưới nước có thể được xác định bằng phương pháp ước lượng thời gian trễ của thông tin đến (time delay of arrival - TDOA) giữa hai hydrophone. Để tính ước lượng thời gian trễ, ở đây nhóm tác giả sử dụng phương pháp tính tương quan chéo tổng quát (GCC) được tính toán trên miền tần số sau đó biến đổi ngược về miền thời gian. Hình 7. Ước lượng thời gian trễ với cặp hydrophone. Trạm cơ sở r Tín hiệu Hỏi Tín hiệu Đáp Hình 6. Mô hình xác định khoảng cách dựa trên cơ sở tín hiệu hỏi - đáp. Mục tiêu Kỹ thuật điều khiển & Điện tử V. H. Lăng, , N. T. Thủy, “Một giải pháp thiết kế, chế tạo tìm kiếm dưới nước.” 54 Tín hiệu thu được tại cặp hydrophone có thể được biểu diễn bằng biểu thức (2): 1 1 2 2 (t) s(t) (t), (t) s(t ) (t), r n r D n      0≤t≤T (2) trong đó, r1(t) và r2(t) là đầu ra của hai hydrophone, s(t) là tín hiệu nguồn, và n1(t) và n2(t) là tạp âm, T biểu thị khoảng thời gian quan sát và D là độ trễ thời gian giữa hai tín hiệu nhận được. Phương pháp GCC được thể hiện bằng biểu thức sau: 1 2 1 2 2( ) ( ) ( ) e ,j fr r P r rR f G f df        (3) 1 2ar g max ( )P r rD R      (4) trong đó 1 2 ( )r rG f là phổ chéo của tín hiệu nhận được. Giải pháp thiết kế hệ thống phần cứng cho trạm hỏi - đáp bề mặt được đề xuất như hình 8, cho thiết bị phát - đáp dưới nước như hình 9. Hình 8. Sơ đồ khối chức năng của trạm hỏi - đáp bề mặt. Hình 9. Sơ đồ khối chức năng của bộ phát - đáp dưới nước. - Miền tương tự (analog) trên cả hai thiết bị thực hiện chức năng khuếch đại tạp âm (LNA), tiền khuếch đại, lọc thông dải sau đó khuếch đại trước khi vào bộ ADC, tầng này Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 55 có vai trò quyết định tín hiệu vào ADC là tín hiệu mong muốn được khuếch đại và suy giảm tạp âm. - Miền số (Digital) được thực thi trên công nghệ FPGA thực hiện hai chức năng chính là điều khiển và xử lý tín hiệu số: điều khiển các khối ngoại vi và xử lý tín hiệu số thu và phát. Chức năng điều khiển gồm: điều khiển chuyển mạch phát, điều khiển khối ADC và DAC, điều khiển giao tiếp máy tính, điều khiển khối xử lý số liệu. Chức năng xử lý tín hiệu gồm: xử lý tín hiệu trên hai kênh thu trái và kênh thu phải, lọc số, FFT, tính tương quan chéo tổng quát GCC, tính phổ công suất phát hiện tần số, tính khoảng cách, tính toán các tham số đo, đóng gói dữ liệu truyền về máy tính, tạo tín hiệu phát ... Với giải pháp thiết kế và công nghệ được áp dụng như đề xuất, hệ thống phần cứng không quá phức tạp. Thực hiện giải pháp FPGA cho phép thay đổi tham số hệ thống một cách linh hoạt, thuận tiện trong việc cải tiến và mở rộng thiết kế cho phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Trên cơ sở sơ đồ khối chức năng đã thiết kế, lưu đồ thuật toán được thể hiện trên hình 10 và hình 11. Hình 10. Sơ đồ thuật toán khối điều khiển và xử lý tín hiệu trạm hỏi - đáp bề mặt. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử V. H. Lăng, , N. T. Thủy, “Một giải pháp thiết kế, chế tạo tìm kiếm dưới nước.” 56 Hình 11. Sơ đồ thuật toán khối điều khiển và xử lý tín hiệu trên FPGA của bộ phát - đáp dưới nước. 4. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Mục này sẽ tiến hành thử nghiệm đánh giá kết quả tìm kiếm của hệ thống. Thiết bị được thử nghiệm tại Vịnh Lan Hạ, Huyện đảo Cát Bà, Hải Phòng. Hình 12 minh họa thiết bị tìm kiếm được nhóm nghiên cứu thiết kế. Hình 12. Sơ đồ hệ thống thiết bị hỏi - đáp. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 57 a. Trạm hỏi - đáp bề mặt b. Bộ phát đáp dưới nước Hình 13. Phổ tần số phát. Hình 14. Phổ tần số thu được của trạm hỏi - đáp bề mặt trong môi trường thực tế. Kết quả đo xa dưới nước tính từ tàu tìm kiếm (tàu đặt trạm hỏi - đáp bề mặt) đến 01 thiết bị phát - đáp thả dưới nước được so sánh với kết quả đo thực tế trên không khí giữa tàu tìm kiếm và thuyền mục tiêu bằng thiết bị định vị GPS theo bảng sau: Bảng 2. So sánh kết quả thực tế và lý thuyết của thiết bị. Trạm hỏi - đáp bề mặt (m) Thiết bị GPS (m) Sai lệch giữa phép đo 410 420.36 10.36 554 565.32 11.32 614 626.85 12.85 634 646.57 12.57 675 685.42 10.42 787 799.08 12.08 842 855.04 13.04 925 937.55 12.55 935 948.74 13.74 Một số kết quả ước lượng góc theo tỷ số tín trên tạp (SNR) trên 2 hydrophone so sánh với góc thực tế theo bảng sau: Kỹ thuật điều khiển & Điện tử V. H. Lăng, , N. T. Thủy, “Một giải pháp thiết kế, chế tạo tìm kiếm dưới nước.” 58 Bảng 3. So sánh góc hướng thực tế của mục tiêu α=250 với góc đo trên trạm hỏi-đáp bề mặt. SNR1(dB) SNR2(dB) Góc α( o) 6.6 7.3 32.9 5.7 5.5 20.9 5.1 7.96 32.95 5.6 5.8 26.23 7.4 5.8 20.9 6.6 6.2 20.9 7.4 8.3 32.9 6.5 6.4 32.9 Bảng 4. So sánh góc hướng thực tế của mục tiêu α=-250 với góc đo trên trạm hỏi-đáp bề mặt. SNR1(dB) SNR2(dB) Góc α( o) 4.7 5.6 -28.4 6.3 6.22 -21.9 5.4 7.0 -21.9 6.3 7.9 -28.4 7.5 7.5 -21.9 6.3 6.0 -16.7 6.4 7.1 -35.3 5.5 5.2 -21.9 Đánh giá kết quả: Giải pháp nhóm nghiên cứu đề xuất đã cho thấy kết quả đo khoảng cách so với khoảng cách thực tế đo bằng GPS có sai số tương đối ổn định. Giá trị góc ước lượng được có độ chính xác phụ thuộc vào tỷ số tín trên tạp tại thời điểm thu. 5. KẾT LUẬN Kết quả thực nghiệm cho thấy, giải pháp thiết kế hệ thống thiết bị hỏi - đáp nhóm nghiên cứu đề xuất hoàn toàn có thể ứng dụng trong thực tế. Hệ thống đơn giản, dễ triển khai. Tuy nhiên, độ chính xác về góc và khoảng cách cần phải cải thiện qua nhiều đợt đo đạc thử nghiệm, vì môi trường nước biển khá phức tạp với những ảnh hưởng của phản xạ, đa đường, nhiễu môi trường gây ra. Kết quả này là tiền đề cho nhóm sẽ tiếp tục nghiên cứu mở rộng thiết kế hệ thống định vị nguồn âm trong tương lai. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Knapp C H, G C Carter. “The generalized correlation method for estimation of time delay”, IEEE Trans. Aco-ust, Speech, Signal Processing, 1976, 24(8): 320-327. [2]. G. C. Carter, “Coherence and time delay estimation: an applied tutorial for research, development, test, and evaluation engineers”, Piscataway, NJ: IEEE Press, 1993. [3]. 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. [4]. MAO Huida, ZHANG Linghua, “Research on generalized cross correlation algorithm for time delay estimation in sound source localization”, Computer Engineering and Applications, 2015.7, tr. 16-19. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 59 [5]. LIANG Yu MA Liang NA Xia, “Research of Time Delay Estimation Based on GCC Algorithm”, Computer Science, 2011, 38(10):453-456. [6]. JIN Zhongwei,JIANG Mingshun,SUI Qingmei, “Acoustic Emission Localization Technique Based on GeneralizedCross-Correlation Time Difference Estimation Algorithm”, Chinese journal of sensors and actuators, 2013, 26(11):1513-1518. [7]. Y Bar shalom, F Palmieri, “Analysis of wide-band crosscorrelation for time-delay estimation”, IEEE Transactionon Signal Processing, 1993, 41(1): 385-398. ABSTRACT A SOLUTION DESIGN MANUFACTURE TRANSPONDER-INTERRROGATOR SYSTEM FOR UNDERWATER RESEARCHING Content of the article introduces a solution to design manufacture underwater search device by researching some of the location systems in the world. Analyze the equipment to design hardware and software solutions. This device has been tested in the actual enviroment achieved some results. Keywords: LBL; SBL; USBL; TDOA; TDE; GCC; Hydrophone; Transceiver; Transponders. Nhận bài ngày 01 tháng 10 năm 2018 Hoàn thiện ngày 16 tháng 10 năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 11 tháng 12 năm 2018 Địa chỉ: 1. Viện Điện tử, Viện KH-CN quân sự; 2. Phòng TM-KH, Viện KH-CN quân sự; 3. Khoa ĐT-VT, Trường Đại học Điện lực. * Email: langvh@vietkey.vn. ĐÍNH CHÍNH SỐ 57 1. Nhóm tác giả xin được bổ sung lời cảm ơn cho bài báo “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các tham cấu trúc tới cộng hưởng điện-từ của vật liệu THz metamaterial không phân cực” (trang 163-170): Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được thực hiện dưới sự tài trợ của Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ quốc gia NAFOSTED theo đề tài mã số FWO.103.2017.01 và Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam theo đề tài mã số KHCBVL.01/18-19. 2. Trong phần Mục lục - trang 1, các tác giả của bài báo số 12 là: Lê Văn Tuấn, Lều Đức Tân.