Một phương pháp xây dựng mô hình đo xa dưới nước dạng hỏi - Đáp sử dụng tín hiệu điều tần tuyến tính

Rada V. H. Lăng, T. Q. Giang, T. Đ. Khánh, D. T. Cường, “Xây dựng mô hình tuyến tính.” 26 MéT PH¦¥NG PH¸P x©y dùng m« h×nh ®o xa d­íi n­íc D¹NG HáI - §¸P Sö dông TÝN HIÖU §IÒU TÇN TUYÕN TÝNH VŨ HẢI LĂNG*, TRẦN QUANG GIANG*, TRỊNH ĐĂNG KHÁNH**, DƯƠNG TỬ CƯỜNG** Tóm tắt: Bài báo giới thiệu và phân tích các đặc tính của kênh thông tin thủy âm và các yếu tố tác động đến sự lan truyền tín hiệu trong môi trường nước, đề xuất một mô hình và thuật toán xử lý tín hiệu trong bài toán đo xa dưới nước. Các kết quả thực nghiệm đã chứng tỏ mô hình đề xuất làm việc tốt trong các điều kiện thực tế. Từ khóa: Kênh thông tin thủy âm, Xử lý tín hiệu, Điều tần tuyến tính, Đa đường, CA-CFAR. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Kỹ thuật truyền tin và định vị thuỷ âm có một ý nghĩa quan trọng trong thực tiễn, đặc biệt các ứng dụng trong lĩnh vực an ninh, quốc phòng. Việc truyền tin dưới nước gặp rất nhiều khó khăn vì: vận tốc truyền âm thay đổi phụ thuộc vào các tham số môi trường, ảnh hưởng của tạp âm và nhiễu, hiện tượng thăng giáng biên độ tín hiệu, phading nhiều tia, phading chọn lọc theo tần số. Điều này gây ảnh hưởng đến chất lượng truyền tin, giảm độ chính xác trong đo xa, định vị dưới nước. Vì vậy, việc nghiên cứu xây dựng các mô hình, các phương pháp xử lý tín hiệu nhằm nâng cao chất lượng thông tin và giảm thiểu ảnh hưởng của các loại nhiễu, ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường là một vấn đề cấp thiết. Bài báo sẽ trình bày các đặc tính của kênh thông tin thủy âm, các yếu tố tác động đến sự lan truyền tín hiệu trong môi trường nước, phân tích, ứng dụng kỹ thuật điều tần tuyến tính, xây dựng mô hình và thuật toán xử lý tín hiệu trong bài toán đo xa dưới nước. 2. TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA KÊNH TRUYỀN TIN THỦY ÂM 2.1. Ảnh hưởng của môi trường đến tín hiệu qua kênh thủy âm 2.1.1. Sự phụ thuộc của tốc độ âm vào các tham số của môi trường nước biển Bằng thực nghiệm người ta chỉ ra rằng tốc độ lan truyền của sóng âm phụ thuộc vào các tham số của môi trường nước biển theo công thức sau [1]: 21410 4.21 0.037T 1.14 0.018c T S h     (1) trong đó, T là nhiệt độ của nước biển (°C); S là độ mặn (‰); h là độ sâu (m); c là tốc độ lan truyền của sóng âm (m/s). Bằng các tính toán thực nghiệm người ta đưa ra tốc độ lan truyền của sóng âm trong môi trường nước biển xấp xỉ 1500m/s. 2.1.2 Ảnh hưởng của tạp âm và nhiễu trong thông tin thủy âm Tất cả các loại tạp âm: tạp âm sinh học (sinh vật biển như cá, san hô, rong, tảo); tạp âm kỹ thuật (tàu bè, dàn khoan, trạm nghiên cứu đại dương, tạp âm nhân tạo); tạp âm do địa chấn, băng đá, dòng chảy, thủy triều, trạng thái bề mặt biển (sóng biển, mưa)... đều làm thay đổi về tần số, biên độ và pha của sóng âm làm cho sóng âm có đặc trưng ngẫu nhiên. Trong môi trường truyền sóng âm dưới nước, ảnh hưởng do tác động của nhiễu rất lớn khi tần số làm việc của thiết bị trong dải tần số thấp hoặc dải tần số cao hơn 100kHz [1]. 2.1.3 Ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 34, 12 - 2014 27 Các hiện tượng phản xạ và tán xạ sóng âm ở đáy biển, mặt biển và vật cản gây ra hiệu ứng đa đường (hình 1) và làm ảnh hưởng rất lớn đến đặc tính lan truyền của sóng âm biển (do sự bất đồng nhất của môi trường, đáy và mặt biển). Do sự bất đồng nhất của môi trường và hiệu ứng đa đường nên gây ra hiện tượng thăng giáng tín hiệu làm hạn chế hiệu quả của các hệ thống thông tin thủy âm. Khi hệ thống làm việc trong vùng nước nông, hiện tượng đa đường do phản xạ sóng từ mặt nước và đáy biển. Khi hệ thống làm việc ở vùng nước sâu, hiện tượng đa đường còn ảnh hưởng bởi sự lệch tia sóng theo độ cao (vì sự bất đồng nhất của nhiệt độ và áp suất nước biển theo chiều cao). Mô hình toán học của tín hiệu tại điểm thu được mô tả theo công thức (2). Tín hiệu s(t) là tổng của nhiều tia tới từ nhiều hướng khác nhau [3]: 1 ( ) ( ) [ ( )] ( ) N i i i s t a t t t n t      (2) trong đó, N là số tia tại điểm thu; )(ti là thời gian giữ chậm của tia thứ i; )(tai là biên độ của tia thứ i; n(t) là tạp âm tại điểm thu. Hình 1. Hiệu ứng đa đường (a) và biểu đồ tín hiệu thu được trong miền thời gian (b). Trên cơ sở phân tích các đặc tính của kênh thông tin thủy âm và các yếu tố tác động đến sự lan truyền tín hiệu trong môi trường nước. Mô hình và thuật toán xử lý tín hiệu sau đây sẽ khắc phục tác động của nhiễu, giảm thiểu hiệu ứng đa đường và nâng cao khả năng phát hiện tại máy thu trong bài toán đo xa dưới nước. 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ ĐO XA DƯỚI NƯỚC 3.1 Mô hình hệ thống đo xa dưới nước Nguyên lý đo xa dưới nước dạng hỏi-đáp trình bày trong hình 2. Thiết bị 1 r Phát hỏi Phát đáp Hình 2. Mô hình hệ thống đo xa dưới nước dạng hỏi đáp. Thiết bị 2 a, b, Rada V. H. Lăng, T. Q. Giang, T. Đ. Khánh, D. T. Cường, “Xây dựng mô hình tuyến tính.” 28 Nguyên lý đo xa dưới nước: Như ta đã biết, để tính khoảng cách giữa hai thiết bị thu và phát trong môi trường truyền sóng nói chung, ta theo công thức (3): *r c t (3) trong đó, r là khoảng cách cần đo, t là khoảng thời gian truyền sóng giữa thiết bị 1 và thiết bị 2 (giữa máy phát và máy thu), c là vận tốc truyền sóng (với môi trường truyền sóng dưới nước, c có giá trị xấp xỉ 1500m/s), t được xác định theo biểu đồ hình 3. Hình 3. Biểu đồ thời gian phát và thu tín hiệu dạng hỏi đáp. Tại thời điểm t0=0, thiết bị 1 (TB1) phát tín hiệu kiểm tra (phát hỏi) được tính là gốc thời gian phát. Thời điểm t1 (sau một khoảng thời gian  tính từ khi TB1 phát), thiết bị 2 (TB2) thu được tín hiệu do TB1 phát. TB2 mất một khoảng thời gian 2TBt để xử lý và nhận dạng. Khi phát hiện đúng tín hiệu do TB1 phát đi, TB2 sẽ phát đáp tại thời điểm t2 với tín hiệu có cấu trúc tương tự. Tại thời điểm t3 (sau khoảng thời gian ' kể từ khi TB2 phát), TB1 thu. TB1 cũng sẽ mất một khoảng thời gian 1TBt để xử lý và nhận dạng. Như vậy tổng thời gian tính từ lúc TB1 phát tín hiệu hỏi đến khi phát hiện được tín hiệu phát đáp là: '2 1TB TBT t t      (4) Với các hệ xử lý tốc độ cao hiện nay, các giá trị tTB1, tTB2 có thể đạt được với độ chính xác đến 10-6s. Do đó có thể bỏ qua thời gian tính toán tTB1, tTB2 của thiết bị mà sai số ảnh hưởng đến kết quả đo r không đáng kể (do thời gian tính toán trên thiết bị nhỏ hơn rất nhiều so với tốc độ truyền sóng). Trong khoảng đo cự ly nhỏ (coi môi trường truyền sóng đồng nhất) thì thời gian truyền sóng giữa hai thiết bị trên cả 2 đường đi và về là như nhau khi đó ta có  = '. Theo (4) ta có: 2T   (5) Thời điểm t0 phát tín hiệu hỏi của TB1 (gốc thời gian phát) và thời điểm t3 TB1 nhận được tín hiệu phát đáp của TB2 ta sẽ tính được . Khi đó thời gian truyền sóng t giữa hai thiết bị TB1 và TB2 là. / 2t T = (6) Thông tin về thời gian truyền sóng  giữa hai thiết bị thu phát TB1 và TB2 sẽ được xử lý và tính khoảng cách r tại thiết bị phát hỏi (TB1 hoặc TB2 tùy theo thiết bị được dùng làm thiết bị phát hỏi), theo công thức 3 ta có: *r c  (7) t1 t3 t t0=0  tTB2  ' tTB1 t2 t4 T Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 34, 12 - 2014 29 Sơ đồ thiết bị đo xa dưới nước trỉnh bày trong hình 4. 3.2. Cấu trúc tín hiệu sử dụng trong bài toán đo xa dưới nước Như trên đã phân tích, yếu tố gây ảnh hưởng lớn nhất đối với hệ thống thông tin thủy âm là tạp âm, nhiễu và hiệu ứng đa đường. Một phương thức hiệu quả để chống nhiễu và hiệu ứng đa đường là sử dụng kỹ thuật điều tần tuyến tính (Linear Frequence Modulation-LFM) [5]. Về bản chất, xung tín hiệu điều tần tuyến tính (còn gọi là xung “Chirp”) có dạng khá giống nhiễu. Tuy nhiên sự khác biệt giữa xung chirp và nhiễu trắng ở chỗ: sự thay đổi pha trong chirp là tuyến tính, còn sự thay đổi pha trong tín hiệu nhiễu trắng là ngẫu nhiên. Băng tần của tín hiệu chirp bị giới hạn trong khi băng tần tín hiệu nhiễu trắng là không giới hạn. Hiệu ứng đa đường sẽ gây thăng giáng pha ngẫu nhiên, trong khi tín hiệu chirp có tần số tăng/giảm theo quy luật. Do vậy đây là tính chất khác biệt để tách khỏi nền tạp trắng gây ra do hiệu ứng đa đường. Xung điều tần tuyến tính được biểu diễn bằng phương trình sau [5].                00 2 2cos 1     x x tttfArecttu (8) trong đó, A là biên độ, f0 là tần số trung tâm, φ0 là pha đầu, rect() là hàm xung vuông được định nghĩa như sau:             x x x t tt rect    ,0,0 0,1 (9)  2/2 sradf x d      , df là lượng di tần trong cả độ rộng xung x . Tần số tức thời của tín hiệu phát thay đổi theo quy luật đường thẳng:   0 0.5 ,0d x x t f t f f t              (10) Ưu điểm chính của tín hiệu điều tần tuyến tính là kỹ thuật thực hiện tương đối đơn giản ở thiết bị phát xung điều tần tuyến tính và lọc thu tối ưu. Tuy nhiên việc Hình 4. Sơ đồ khối thiết bị thu phát trong hệ thống đo xa dưới nước. Khối xử lý trung tâm Chuyển mạch thu phát Khuếch đại tạp âm thấp Đầu thu phát thủy âm Tính khoảng cách ADC Khuếch đại công suất DAC Lọc nén Điều khiển Phát hiện Tạo xung ĐTTT KĐ&Lọc KĐ&Lọc Rada V. H. Lăng, T. Q. Giang, T. Đ. Khánh, D. T. Cường, “Xây dựng mô hình tuyến tính.” 30 sử dụng tín hiệu điều tần tuyến tính sẽ gây ra sai số đo cự ly do sự liên quan chặt chẽ giữa các tham số tín hiệu đặc trưng cho cự ly và độ dịch tần Đốp le dẫn tới sự đa trị cho cự ly khi chưa biết vận tốc di chuyển của thiết bị thu phát. Lượng dịch tần Đốp le tại máy thu gây ra sự dịch chuyển xung sau lọc nén theo thời gian một lượng ∆t [5]. 3.3 Thuật toán xử lý tín hiệu Để nâng cao khả năng phát hiện trong sơ đồ máy thu sử dụng một bộ lọc nén về bản chất là một bộ lọc FIR với các hệ số đã biết trước, đầu ra của bộ lọc là một dãy tương quan [4]. Kết quả mô phỏng trên hình 5 và hình 6 cho thấy, tín hiệu ở đầu ra bộ lọc nén có tỷ số tín/tạp được nâng cao và năng lượng được tập trung khi tín hiệu phát hỏi dạng điều tần tuyến tính. Tín hiệu sau bộ lọc nén sẽ được cho qua bộ phát hiện CA-CFAR [6]. Trong bộ phát hiện CA-CFAR (hình 7) tín hiệu sau lọc nén được đưa tới N+1 phần tử (cell) với mỗi cell có độ lớn bằng một khoảng phân biệt, thông thường thì có N/2 cell trước, N/2 cell sau và cell kiểm tra. Xi là các mẫu của các cell trong cửa sổ khảo sát. Z là số hạng để ước lượng toàn bộ năng lượng nhiễu ở N cell liên quan xung quanh cell kiểm tra (bỏ qua hai giá trị Xi lân cận cell kiểm tra) và Y là năng lượng nhiễu tại cell kiểm tra. Z1 và Z2 là tổng các đầu ra của nửa trước và nửa sau của cửa sổ khảo sát xung quanh cell kiểm tra.    N N i iX N Z 2 1 1 2 , /2 2 1 2 N i i Z X N    (11) Hình 5. Tín hiệu mô phỏng ở đầu vào bộ lọc nén khi tín hiệu phát là điều tần tuyến tính với tỷ số tín/tạp bằng 1. Hình 6. Tín hiệu mô phỏng ở đầu ra bộ lọc nén khi tín hiệu phát dạng điều tần tuyến tính với tỷ số tín/tạp bằng 1 ở đầu vào. Đầu vào SS X T So sánh Z1 Hình 7. Thuật toán phát hiện CA-CFAR. X(N) X(N/2)+1 Y X(N/2) X(1) Z=(Z1+Z2)/2 Z2 Đầu ra Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 34, 12 - 2014 31 Ước lượng Z được nhân với hệ số tỉ lệ T (xác định theo xác suất báo động lầm cho phép). Giá trị Z.T là ngưỡng cho bộ phát hiện xung đơn. Bộ phát hiện sẽ đưa ra quyết định đánh giá tín hiệu tại ô kiểm tra vượt ngưỡng hoặc không vượt ngưỡng. Thuật toán CA-CFAR dễ dàng cài đặt và có khả năng phát hiện tốt. Tuy nhiên khi cửa sổ phát hiện là không đồng nhất thì xác suất phát hiện giảm và xác suất báo động lầm thay đổi. 4. CÁC KẾT QUẢ ĐO VÀ THỬ NGHIỆM Trên cơ sở lý thuyết, kết quả mô phỏng, mô hình đã được thiết kế và cài đặt các thuật toán xử lý tín hiệu. Kết quả đo lường dạng tín hiệu điều tần tuyến tính bên phát và tín hiệu thu sau lọc nén có dạng như hình 8 và 9 tương ứng. Kết quả thử nghiệm thực tế trong môi trường nước biển được đánh giá như trong bảng 1. Bảng1. Bảng kết quả đo thử nghiệm trong môi trường nước biển. Đợt Điểm đo Đo bằng GPS (m) Kết quả đo trên thiết bị (m) Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4 Lần 5 1 1 215 216 220 227 230 235 225.6  6.08 2 400 402 407 405 406 409 405.81.84 3 430 431 435 440 442 445 438.64.48 4 860 862 864 867 868 870 866.22.56 5 845 849 846 850 847 852 848.81.84 2 6 520 523 523 521 522 523 522.40.72 7 570 571 571 573 572 577 572.81.76 8 695 705 706 709 707 708 7071.2 5. KẾT LUẬN Qua nghiên cứu lý thuyết, kết quả mô phỏng và mô hình thực nghiệm đã cho thấy hiệu quả rõ rệt của mô hình trong việc làm giảm ảnh hưởng của nhiễu và hiệu ứng đa đường trong bài toán đo xa dưới nước. Đặc biệt, hệ thống đã được thử nghiệm trong môi trường cửa biển là kênh nước nông, ảnh hưởng của nhiễu do tàu bè và hiệu ứng đa đường lớn, nhưng kết quả đo vẫn đảm bảo tính ổn định và độ Hình 8. Tín hiệu phát dạng điều tần tuyến tính. Hình 9. Tín hiệu đầu ra bộ lọc nén với tín hiệu phát dạng điều tần tuyến tính. Rada V. H. Lăng, T. Q. Giang, T. Đ. Khánh, D. T. Cường, “Xây dựng mô hình tuyến tính.” 32 chính xác cao. Như vậy phương pháp điều tần tuyến tính ngoài ý nghĩa tăng cường độ nhận biết tín hiệu của hệ thống đo khoảng cách còn góp phần làm giảm ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường. Với kết quả đã đạt được nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ tiếp tục nghiên cứu nâng cao hơn nữa độ chính xác cũng như độ tin cậy của phép đo nhằm mục đích ứng dụng cho lĩnh vực định vị và dẫn đường cho các đối tượng ngầm dưới nước. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Vũ Hải Lăng (2013), “Nghiên cứu thiết kế, chế thử thiết bị liên lạc dưới nước sử dụng cho đặc công nước, đặc công người nhái của Quân chủng Hải quân.” Báo cáo tổng kết khoa học đề tài cấp Viện KH-CN quân sự. [2]. Vương Tuấn Hùng (2007), “Nghiên cứu phương pháp xử lý tín hiệu trong truyền tin thủy âm ở vùng biển nông Việt Nam,” Báo cáo khoa học, Hội nghị thông tin và định vị vì sự phát triển kinh tế biển Việt Nam. [3]. Vương Tuấn Hùng (2007), “Các phương pháp nâng cao cự ly phát hiện mục tiêu trên nền tín hiệu nhiễu vang,” Báo khoa học, Hội nghị thông tin và định vị vì sự phát triển kinh tế biển Việt Nam. [4]. Dương Tử Cường (2003), “Xử lý tín hiệu số,” Nhà xuất bản Quân đội nhân dân. [5]. Hoàng Thọ Tu (2003), “Cơ sở xây dựng đài ra đa cảnh giới,” Học viện KTQS. [6]. Loizos Anastasiou Prastitis (1993), “On Adaptive Censored CFAR Detection,” The Faculty of New Jersey Institute of Technology. ABSTRACT ONE METHOD TO BUILD A ACK MODEL USING LINEAR FREQUENCY MODULATED SIGNAL FOR MEASURING UNDERWATER DISTANCE The article introduces and analyses characteristics of underwater acoustic communication channels and factors which influence the spread processing of control signal in underwater environment. Thus, a model and its signal processing algorithm are offered to control under water systems remotely. The experimental results show that the proposed solution works well in the complex background conditions. Keywords: Underwater acoustic communication channels, Signal processing, Linear Frequence Modulation, Multiple-paths, CA-CFAR. Nhận bài ngày 25 tháng 08 năm 2014 Hoàn thiện ngày 05 tháng 9 năm 2014 Chấp nhận đăng ngày 04 tháng 12 năm 2014 Địa chỉ: * Viện Điện tử, Viện KH-CN quân sự - langvh@vietkey.vn. ** Học viện Kỹ thuật Quân sự.