Nghiên cứu ảnh hưởng của tham số lớp đáy đến độ chính xác định vị mục tiêu ngầm trong vùng biển nông - Trịnh Đăng Khánh

Cơ học & Điều khiển thiết bị bay T. Đ. Khánh, , “Nghiên cứu ảnh hưởng của tham số lớp đáy trong vùng biển nông.” 40 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THAM SỐ LỚP ĐÁY ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỊNH VỊ MỤC TIÊU NGẦM TRONG VÙNG BIỂN NÔNG Trịnh Đăng Khánh1, Trần Phú Ninh2*, Lâm Viết Huy3, Đoàn Thế Hoàng2 Tóm tắt: Bài báo trình bày về phương pháp định vị mục tiêu ngầm trong vùng biển nông. Mô phỏng và đánh giá sự ảnh hưởng của các tham số lớp đáy như vận tốc âm, mật độ môi trường đến độ chính xác quá trình định vị mục tiêu ngầm. Kết quả mô phỏng cho thấy sự thay đổi vận tốc âm, hệ số mật độ sẽ ảnh hưởng đến chất lượng định vị. Yêu cầu tối thiểu khi đánh giá vận tốc âm là sai số ∆c ≤ 10m/s và hệ số mật độ là sai số  ≤ 0.5 /dB. Từ khóa: Mô hình truyền âm, Xử lý trường phối hợp, định vị, Vùng nước nông. 1. GIỚI THIỆU Phát hiện và định vị nguồn âm trong vùng biển nước nông sử dụng phương pháp xử lý trường phối hợp (Matching Field Processing – MFP) đã được nghiên cứu [1-3]. Trong [4-5] chỉ ra có thể định vị mục tiêu ngầm sử dụng một hydrophone và định vị nguồn âm dải rộng có mức tín hiệu nhỏ trong vùng biển nước nông với một hydrophone. Đặc điểm truyền sóng trong vùng nước nông rất phức tạp, do vậy để định vị mục tiêu trong vùng nước nông phải gắn chặt với các yếu tố môi trường. Hay nói cách khác việc tính toán, mô hình hóa quá trình truyền âm chính xác sẽ quyết định lớn đến chất lượng định vị mục tiêu ngầm. Khái niệm về phương pháp trường phối hợp mang ý nghĩa là thuật toán định vị cần phối hợp với môi trường. Trong [9] nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số môi trường đến việc mô hình hóa âm và [10] nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số định vị. Kết quả, khi các tham số môi trường thay đổi sẽ làm cho việc tính hàm Green và trường thay thế sẽ sai lệch. Khi đó kết quả định vị cũng sẽ xảy ra sai số. Tuy nhiên [10] mới đề cập đến sự thay đổi của các tham số lớp nước trong môi trường thử nghiệm. Bài báo này trình bày phương pháp định vị nguồn âm dải rộng ở môi trường nước nông sử dụng một hydrophone và nghiên cứu sự ảnh hưởng các tham số lớp đáy đến chất lượng định vị. Phần đầu bài báo trình bày thuật toán định vị dùng phương pháp xử lý trường phối hợp sử dụng một hydrophone và ảnh hưởng của tham số lớp đáy đến chất lượng định vị; Phần tiếp theo trình bày về môi trường thử nghiệm; Phần cuối đưa ra kết quả mô phỏng và kết luận. 2. THUẬT TOÁN ĐỊNH VỊ VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA THAM SỐ MÔI TRƯỜNG ĐẾN KẾT QUẢ ĐỊNH VỊ Thuật toán định vị MFP dải rộng sử dụng 1 hydrophone dựa vào nguyên tắc chia không gian cần quan sát thành các mắt lưới theo khoảng cách ri và độ sâu zj (Hình 1). Tiếp theo, tính trường thay thế ij  r tại điểm thu khi giả thiết nguồn phát ở từng vị trí lưới với dữ liệu đo được tại hydrophone. Kết quả tương quan tốt nhất giữa tín hiệu trường thay thế và giá trị đo được tại hydrophone r  sẽ xác định được vị trí nguồn [5]. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 41 2 2 ijij   e r r (1) Thuật toán định vị trong bài báo này sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu. Khi đó tương quan tốt nhất ứng với giá trị 2 ij e nhỏ nhất, hoặc giá trị 2 ij 1 / e lớn nhất sẽ xác định được vị trí nguồn L (Localization). Tín hiệu trường thay thế ở hydrophone tương ứng với nguồn phát ở từng vị trí mắt lưới ij  r tính bằng công thức sau [5]. ij ij.r G s n    (2) Hình 1. Minh họa thuật toán MFP với một hydrophone. Ở đó ijG là ma trận tích chập của hàm Green cho một vị trí thu và phát cố định tương ứng với mắt lưới ở vị trí ri, zj; s là véc tơ tín hiệu rời rạc theo thời gian; rij là véc tơ đo được tại hydrophone; n là tạp âm môi trường. Để tính ma trận tích chập ijG , phải tính giá trị hàm Green theo thời gian bằng giải phương trình sóng [7]: 2 2 2 2 1 t p c p    (3) Trong đó, p là áp suất âm, còn c là vận tốc âm. Giá trị Hàm Green có thể tính trực tiếp theo phương trình (3) hoặc tính hàm Green theo tần số, sau đó biến đổi ngược IFFT để nhận được hàm Green theo thời gian. Như [3], có một số phương pháp tính hàm Green, trong đó có 3 phương pháp phổ biến là phương pháp tia, phương pháp mode và phương pháp parapolic. Phương pháp tia thường hay dùng ở tần số cao, vùng biển sâu; phương pháp parapolic tính toán tương đối phức tạp. Trong vùng biển nông và tần số thấp, người ta hay dùng phương pháp mode chuẩn để mô hình hóa quá trình truyền âm. Hàm Green phụ thuộc tần số theo phương pháp mode chuẩn như sau [6]: Cơ học & Điều khiển thiết bị bay T. Đ. Khánh, , “Nghiên cứu ảnh hưởng của tham số lớp đáy trong vùng biển nông.” 42 (4) Ở đó ri, zj là khoảng cách và độ sâu của nguồn, z là độ sâu của hydrophone,  hệ số mật độ môi trường,  là giá trị mode chuẩn và k là hệ số sóng. Để tính hàm Green, tính được hàm mode chuẩn . Hàm mode chuẩn thỏa mãn các điều kiện sau [6]: 2 2 2 ''( ) ( ) 0 ( ) z k z c z            (5) (0) 0  (6) ( ) 0D  (7) Nghiệm phương trình trên phụ thuộc vào môi trường, các tham số và điều kiện biên của môi trường và lời giải chi tiết được trình bày trong [6]. Từ công thức (4÷7), hàm Green theo tần số phụ thuộc vào tham số môi trường như cấu trúc các lớp, độ sâu của lớp, vận tốc âm thanh, hệ số mật độ của các lớp và vị trí tương đối giữa nguồn phát và nguồn thu, tần số nguồn phát [6]. Do đó, tín hiệu trường thay thế, sai số bình phương tối thiểu, kết quả định vị cũng phụ thuộc vào các tham số môi trường, phụ thuộc vào phương pháp tính mô hình âm cũng như các thuật toán ước lượng, tính sai số bình phương tối thiểu. 3. MÔI TRƯỜNG THỬ NGHIỆM Để đánh giá ảnh hưởng của môi trường, bài báo lựa chọn một vùng nước nông điển hình ở biển Việt Nam có các tham số môi trường như hình 2 [10]. Hình 2. Mô hình môi trường đại dương tại điểm lắp đặt. Trong các tham số trên, tham số vận tốc âm là quan trọng nhất vì vận tốc âm là một hàm của các tham số nhiệt độ, độ mặn và độ sâu, nó quyết định nhiều đến quá trình phản xa, khúc xạ âm như định luật Snell [7]. Ngoài ra, hệ số mật độ môi trường, và hệ số hấp thụ cũng ảnh hưởng lớn đến sự phản xạ và hấp thụ âm. Như vậy, để mô hình hóa quá trình truyền âm và tính toán định vị mục tiêu ngầm cần biết chính xác các tham số môi trường. Đây là một trong vấn đề hết sức khó khăn vì việc đo và khảo sát môi trường trong điều kiện thực tế cần rất nhiều thời gian và các trang bị máy móc. Hiện nay, các tham số lớp nước có thể đo được 4 ij 1 ( , , ) ( ) ( ) ( ) 8         m ijk rj i j m j m ms i m i e G r z f e z z z r k Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 43 bằng các thiết bị đo vận tốc âm và đo độ sâu. Tuy nhiên, các tham số lớp đáy cần phải sử dụng các mũi khoan sâu xuống đáy và vấn đề đo đạc gặp nhiều khó khăn. 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.1. Kịch bản mô phỏng a, Mô phỏng, khảo sát kết quả định vị khi vận tốc âm lớp đáy thay đổi trong khoảng: c=(1÷30)m/s b, Mô phỏng, khảo sát kết quả định vị khi hệ số mật độ lớp đáy thay đổi trong khoảng: =(0.1÷1.5) /dB. 4.2. Số liệu đầu vào - Các tham số môi trường như trong hình 2. - Nguồn âm dạng tín hiệu điều tần tuyến tính LMF có độ rộng phổ 50÷150 Hz, ở vị trí (2000m, 59m). - Các tham số lớp đáy thay đổi trong khoảng c = (1÷30)m/s;  = (0.1÷1.5)/dB. 4.3. Phương pháp, công cụ mô phỏng - Phương pháp: Tính toán kết quả bằng modul phần mềm mô phỏng mô hình âm và kết quả định vị như công thức (1), (2), (4). - Công cụ mô phỏng: Sử dụng phầm mềm Matlab. 4.4. Kết quả mô phỏng và bình luận a, Ảnh hưởng của vận tốc âm lớp đáy đến kết quả định vị Kết quả mô phỏng việc tính giá trị mode như công thức (4-7) và điều kiện các tham số môi trường như hình 2, với tần số 100Hz được biểu diễn trên hình 3. 0 20 40 60 80 100 120 0 0.1 0.2 0 20 40 60 80 100 120 -0.2 0 0.2 0 20 40 60 80 100 120 -0.2 0 0.2 0 20 40 60 80 100 120 -0.2 0 0.2 0 20 40 60 80 100 120 -0.2 0 0.2 0 20 40 60 80 100 120 -0.2 0 0.2 Ñoä sahï B ie hn ñ o ä Hình 3. Số mode chuẩn được tính với tham số môi trường ở hình 2. Mô phỏng kết quả định vị với vận tốc âm lớp đáy trong khoảng c = (1÷30)m/s, được thể hiện như trên Hình 4,5 và Bảng 1. 1000 1500 2000 2500 3000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Khoaûng caùch (m) Ñ o ä s a hï ( m ) Toïa ñoä mïïc tiehï: Rs=2000m, Zs=58m 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 1000 1500 2000 2500 3000 0 20 40 60 80 100 120 0 1 2 3 4 Khoaûng caùch (m) Ñoä sahï (m) B ie hn ñ o ä Hình 4. Hàm bề mặt định vị mục tiêu với c = 5m/s. Cơ học & Điều khiển thiết bị bay T. Đ. Khánh, , “Nghiên cứu ảnh hưởng của tham số lớp đáy trong vùng biển nông.” 44 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 0 10 20 30 40 50 60 0 1 5 10 20 30 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 0 10 20 30 40 50 60 0 1 5 10 20 30 Hình 5. Lát cắt hàm bề mặt định vị mục tiêu với c = (1÷30)m/s. Kết quả mô phỏng trên Hình 4,5 và Bảng 1 chỉ ra, sự thay đổi vận tốc lớp đáy Δc ≤ 10m/s, kết quả định vị vẫn đảm bảo với sai số cự ly Δr = 20m, sai số theo độ sâu Δz = 1m. Khi sai số Δc  10m/s, kết quả định vị sẽ bị sai số lớn Δ r ≥ 40m, sai số theo độ sâu Δz ≥ 3m và tỷ số Đỉnh/Nền PBR < 12. Bảng 1. Kết quả định vị với các sai số đo vận tốc âm lớp đáy c=(1÷30)m/s. b, Ảnh hưởng của hệ số mật độ lớp đáy đến kết quả định vị Mô phỏng kết quả định vị với sai số hệ số mật độ lớp đáy trong khoảng =(0.1÷1.5)/dB, được thể hiện như trên Hình 6,7 và Bảng 2. Bảng 2. Kết quả định vị với các sai số đo hệ số mật độ lớp đáy  = (0.1÷1.5) /dB. C thay đổi Tọa độ mục tiêu thực tế Tọa độ đánh giá Sai số xác định tọa độ Đỉnh Nền Đỉnh/ Nền 0sr (m) 0sz (m) rˆ (m) zˆ (m) Δr(m) Δz(m) UP UB PBR 0C 2000 59 2000 60 0 1 42.41 0.19 215.77 1C  2000 59 2000 60 0 1 53.64 0.12 426.13 5C  2000 59 2000 58 0 1 3.94 0.10 38.46 10C  2000 59 1980 60 20 1 2.49 0.11 22.07 20C  2000 59 1960 62 40 3 1.54 0.12 12.09 30C  2000 59 2020 104 20 45 1.61 0.13 12.39  thay đổi Tọa độ mục tiêu thực tế Tọa độ đánh giá Sai số xác định tọa độ Đỉnh Nền Đỉnh/ Nền 0sr (m) 0sz (m) rˆ (m) zˆ (m) Δr(m) Δz(m) UP UB PBR 0  2000 59 2000 60 0 1 42.41 0.19 215.77 0.1  2000 59 2000 58 0 1 7.43 0.11 67.79 0.5  2000 59 2040 54 40 5 2.09 0.13 15.81 1  2000 59 2000 66 0 7 1.78 0.12 14.36 1.5  2000 59 2020 24 20 35 1.68 0.08 18.70 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 45 1000 1500 2000 2500 3000 0 20 40 60 80 100 120 0 2 4 6 8 Khoaûng caùch (m) Ñoä sahï (m) B ie hn ñ o ä 1000 1500 2000 2500 3000 0 20 40 60 80 100 120 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Khoaûng caùch (m) Ñoä sahï (m) B ie hn ñ o ä Hình 6. Hàm bề mặt định vị mục tiêu với  = 0.1/dB và  = 0.5/dB. 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.1 0.5 1 1.5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.1 0.5 1 1.5 Hình 7. Lát cắt hàm bề mặt định vị mục tiêu với =(0.1÷1.5) /Db. Kết quả mô phỏng trên hình 6, 7 và bảng 2 chỉ ra, khi sự thay đổi mật độ 0.5 /   dB dẫn đến kết quả định vị sai lệch với sai số cự ly Δ r ≥ 40m, sai số theo độ sâu Δz ≥ 5m, tỷ số Đỉnh/Nền của hàm bề mặt giảm PBR < 15. 5. KẾT LUẬN Bài báo đã nghiên cứu, mô phỏng và đánh giá phương pháp MFP dải rộng sử dụng một hydrophone để định vị nguồn âm dải rộng trong vùng biển nước nông Việt Nam. Thuật toán định vị được mô phỏng đối với các tham số lớp đáy có vận tốc âm, hệ số mật độ thay đổi. Kết quả mô phỏng cho thấy khi vận tốc âm thay đổi nhỏ hơn 10m/s, kết quả định vị vẫn đảm bảo; khi vận tốc thay đổi lớn hơn 20m/s, kết quả định vị bị sai lệch. Hệ số mật độ lớp đáy cũng ảnh hưởng đến kết quả định vị, khi mật độ thay đổi lớn hơn 0.5 /dB, kết quả định vị sẽ cho sai số. Vì vậy yêu cầu tối thiểu khi đánh giá vận tốc âm là sai số ∆c ≤ 10m/s và hệ số mật độ là sai số  ≤ 0.5 /dB. Do tham số lớp đáy có ảnh hưởng đến kết quả định vị, vì vậy nếu tham số lớp đáy không đo được hoặc không chắc chắn cần có các phương pháp ước lượng tham số lớp đáy. Một trong những hướng phát triển tiếp là việc sử dựng thuật toán đảo âm để ước lượng tham số môi trường nói chung và tham số đáy nói riêng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Baggeroer, A.B., W.A. Kuperman, and P.N. Mikhalevsky. 1993. “An Overview of Matched Field Methods in Ocean Acoustics”. IEEE Journal of Oceanic Engineering 18 (4): 401-424. Cơ học & Điều khiển thiết bị bay T. Đ. Khánh, , “Nghiên cứu ảnh hưởng của tham số lớp đáy trong vùng biển nông.” 46 [2]. Tolstoy, A. 1993. “Matched Field Processing for Underwater Acoustics”. Singapore: World Scientific. [3]. Xiao Z, Xu W, Gong Xianyi. “Robust Matched Field Processing for Source Localization Using Convex Optimization”. IEEE Oceans’ 2009, Bremen, 2009: 1-5. [4]. Lee Y P. “Time - domain single hydrophone localization in a real shallow water environment”. IEEE Oceans’98 Conference Proceedings, Nice, France, 1998: 1074-1077. [5]. Shuai YAO, Kun LI, Shiliang FANG, “Cross correlation matched field localization for unknown emitted signal waveform using two-hydrophone”, Inter-noise 2014, Melbourne, Nov. 16-19, 2014. [6]. Jensen, F., W. Kuperman, M. Porter, and H. Schmidt 1994. “Computational Ocean Acoustics”. New York: AIP Press. [7]. Paul C. Etter (2003), “Underwater Acoustic Modeling and Simulation”, Published in the Taylor & Francis e-Library, Taylor & Francis Group. [8]. Urick, R.j. “Principle of Underwater Sound”, 3rd, Edn, McGraw - Hill, New York, 1975. [9]. Trần Phú Ninh, Trịnh Đăng Khánh, Bùi Ngọc Mỹ. “Đánh giá tổn hao khi truyền sóng âm trong vùng nước nông”. Tạp chí Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, số 2-2016. [10]. Trịnh Đăng Khánh, Nguyễn Xuân Long, Trần Phú Ninh. “Nghiên cứu đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến sai số định vị mục tiêu ngầm trong vùng biển nước nông”. Tạp chí Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, số 6-2016. ABSTRACT INVESTIGATION OF THE EFFECT OF THE BOTTOM LAYER PARAMETERS ON THE ACCURARY OF UNDERWATER TARGET LOCALIZATION IN SHALLOW WATER A fundamental study on localization method for underwater target localization in shallow water is presented in this article. The purpose of this study is to simulate and evaluate the effect of the bottom layer parameters such as acoustic velocity, environment density on the accuracy for underwater target localization. The obtained results demonstrate that the change in sound velocity, density factor affect the quality of localization. Minimum requirements when assessing velocity error is Δc≤10 m/s and density factor error is ≤0.5/dB. Keywords: Propagation Model, Matching Field Processing, Localization, Shallow water. Nhận bài ngày 15 tháng 6 năm 2016 Hoàn thiện ngày 20 tháng 8 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 9 năm 2016 Địa chỉ: 1 Học viện Kỹ thuật quân sự; 2 Học viện Hải quân ; 3 Quân chủng Phòng không không quân; * Email: daidaingoc@gmail.com.