Thiết kế máy thu tín hiệu nguồn âm dưới nước

Kỹ thuật điện tử V.H. Lăng, Tr.Q. Giang, N.T. Nga, Đ.T.T.Dương, “Thiết kế máy thu dưới nước.” 172 THIẾT KẾ MÁY THU TÍN HIỆU NGUỒN ÂM DƯỚI NƯỚC Vũ Hải Lăng1*, Trần Quang Giang1, Nguyễn Thị Nga1, Đinh Thị Thùy Dương2 Tóm tắt: Nội dung bài báo trình bày một giải pháp tính toán lựa chọn các tham số để thiết kế máy thu âm dải hẹp nhằm mục đích thu và phân tích các tham số đặc trưng của tín hiệu nguồn âm dưới nước. Thiết bị đã được nghiên cứu thiết kế, đo lường trong phòng thí nghiệm và chạy thử nghiệm đạt kết quả tốt trong môi trường nước ngọt. Từ khóa: Âm học, Kênh thông tin dưới nước, Xử lý tín hiệu. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong môi trường dưới nước, sóng điện từ bị suy giảm nhanh không thể truyền đi xa do vậy trong thông tin, định vị và trinh sát dưới nước, trong các thiết bị hàng hải cũng như các ứng dụng dưới nước khác chủ yếu dùng phương thức thu phát sóng âm học. Các tín hiệu nguồn âm dưới nước được đề cập trong bài báo này chính là các tín hiệu sóng âm sinh ra từ các nguồn trong tự nhiên như: sóng biển, mưa, gió, các sinh vật sống dưới nước,... các nguồn âm nhân tạo như: tàu bè, giàn khoan, các thiết bị đo đạc, thu phát thủy âm trong lĩnh vực hàng hải, quốc phòng, khai thác dầu khí, đánh bắt hải sản,... Kênh âm dưới nước là kênh truyền sóng hết sức phức tạp. Sự phức tạp của kênh được thể hiện qua các đặc tính suy hao của sóng âm, sự truyền sóng đa đường, sự thay đổi các đặc tính của môi trường theo thời gian và sự không đồng nhất của môi trường truyền sóng. Trên cơ sở các nghiên cứu về các tính chất của sóng âm, tính chất vật lý của môi trường truyền sóng, ảnh hưởng của các loại tạp âm và nhiễu đến tín hiệu thu, biểu đồ phân bố tần số sóng âm dưới nước, bài báo phân tích lựa chọn dải tần, lựa chọn hydrophone và tính toán các tham số để thiết kế máy thu. Kết quả đạt được trong bài báo là đã nghiên cứu thiết kế chế tạo máy thu phân tích một số tham số đặc trưng của nguồn âm dưới nước làm tiền đề cho việc nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu về các đặc trưng của nguồn âm và nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị thu trinh sát thủy âm. 2. CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN SÓNG ÂM TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC 2.1. Suy hao và hấp thụ âm Sóng âm lan truyền dựa trên sự đàn hồi hoặc thay đổi áp suất của môi trường truyền sóng. Các sóng tạo ra do áp lực từng đợt trong môi trường truyền lan, tạo ra sự biến thiên mật độ vật chất theo dạng sóng. Vận tốc lan truyền của sóng âm phụ thuộc vào môi trường truyền sóng như: nhiệt độ, áp suất, độ mặn, độ sâu,... Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 173 Hệ số suy hao của kênh sóng âm trong môi trường nước phụ thuộc vào khoảng cách giữa các thiết bị thu phát và tần số làm việc theo công thức sau: A(d,f) =dk.a(f)d (1) trong đó, d là khoảng cách truyền dẫn, f là tần số, k là hệ số tán xạ phụ thuộc vào hình dạng địa lý của môi trường truyền dẫn (có giá trị trong khoảng từ 1.5 đến 2). Hệ số k tương ứng với hệ số mũ suy hao trong môi trường truyền sóng điện từ, a(f) là hệ số hấp thụ. Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ a(f) vào f được thể hiện ở hình 1. Hệ số suy hao biểu diễn ở dạng dB được viết như sau: 10logA(d,f)=k.10logd+d.10loga(f) (2) Thành phần thứ nhất là thành phần tán xạ phụ thuộc vào địa hình lan truyền sóng dưới nước, thành phần thứ hai thể hiện yếu tố hấp thụ sóng âm. 2.2. Tạp âm và nhiễu Tạp âm nền được tạo ra từ nhiều nguồn do tự nhiên và nhân tạo. Các nguồn âm kết hợp với nhau tạo nên dải tần liên tục của tạp âm nền. Tạp âm nền được tạo ra từ ba thành phần chính: tạp âm dải rộng liên tục được đặc trưng bằng mức phổ trong độ rộng 1Hz; tạp âm đơn sắc có dải rất hẹp và được mô tả bằng biên độ và tần số; tạp âm xung có băng thông rộng, thời gian tồn tại ngắn, thường đặc trưng bằng biên độ đỉnh và chu kỳ lặp lại. Tạp âm nền bao trùm trong dải tần số từ 1Hz đến trên 100kHz. Theo [6], ở vùng nước sâu, tạp âm nền có thành phần phổ được mô tả như trên hình 3. Trong khu vực I và II âm tạo ra từ nguồn nhiễu loạn và áp lực thủy tĩnh (ví dụ thủy triều). Trong khu vực III âm thay đổi ít hơn, thường do hoạt động của các tàu thủy ở vùng xa truyền về. Khu vực IV chủ yếu là tạp âm bề mặt biển và có nguồn gốc xuất hiện gần điểm đo. Khu vực V bị chi phối bởi tạp âm nhiệt. Hình 1. Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ vào tần số. Hình 2. Sự phụ thuộc của SNR vào tần số và khoảng cách. f SNR Kỹ thuật điện tử V.H. Lăng, Tr.Q. Giang, N.T. Nga, Đ.T.T.Dương, “Thiết kế máy thu dưới nước.” 174 Hình 3. Biểu diễn các thành phần phổ tạp âm nền vùng nước sâu (Urick - 1983) [6]. Mức tạp âm nền đã được Wenz tổng hợp và biểu diễn bằng biểu đồ phổ Knudsen trên hình 4 [6]. Phổ tạp âm nền bình thường nằm giữa hai đường màu đen dày và được tạo thành từ nhiều nguồn khác nhau. Ở tần số thấp, thành phần tạp âm này chủ yếu do hoạt động của tàu thủy, ở tần số cao hơn, tạp âm gây ra do sóng vỗ và mưa bề mặt. Hình 4. Biểu diễn phổ của tạp âm nền (Wenz - 1962) [6]. Theo [6], ở vùng nước nông đối với vùng biển khu vực Đông Nam Á, mức phổ tạp âm nền có thể được mô tả như hình 4. Tác động của vùng nước nông như một bộ lọc thông cao sẽ hạn chế truyền âm học với độ dài bước sóng dài hơn so với độ sâu cột nước. Tại tần số cao (>10kHz) gia tăng mạnh hấp thụ, cản trở truyền âm trên khoảng cách lớn và tạp âm nền bị chi phối nhiều bởi tạp âm tại chỗ. Trong dải tần số khoảng 10kHz đến 50kHz hấp thụ 1dB/km và hấp thụ tăng lên đến 30dB/km ở tần số 80kHz đến 100kHz. Từ khoảng tần số trên 100kHz chủ yếu là tạp âm nhiệt. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 175 Trên hình 4 cũng cho thấy mức độ tạp âm nền phụ thuộc vào cấp độ gió (từ cấp 1 đến cấp 8) của vùng đặt thiết bị thu. 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÁY THU ÂM DƯỚI NƯỚC 3.1. Xây dựng mô hình Hình 5. Sơ đồ khối máy thu âm dưới nước. Máy thu được xây dựng trên ba thành phần chính: (1) Hydrophone; (2) Các bộ xử lý tín hiệu tương tự (khuếch đại tạp thấp, các bộ lọc, ADC); (3) Các bộ xử lý tín hiệu số (ghi lưu, xử lý dữ liệu và hiển thị kết quả). Nguyên lý hoạt động của máy thu: Sóng âm lan truyền trong môi trường nước đến tác động vào đầu thu hydrophone. Hydrophone có chức năng chuyển đổi sự dao động nén giãn áp suất trong nước thành tín hiệu điện. Tín hiệu điện từ đầu ra của hydrophone được đưa qua khối khuếch đại tạp âm thấp LNA và đưa đến bộ lọc. Khối khuếch đại tạp âm thấp LNA có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu đầu ra của hydrophone đủ lớn để đưa vào tầng lọc và tầng khuếch đại sau. Khi có nhiều tầng khuếch đại nối tiếp thì mức tạp âm của các bộ khuếch đại được quyết định chủ yếu bởi tầng khuếch đại đầu. Bởi vậy tầng phối hợp trở kháng và khuếch đại tạp âm thấp LNA phải làm giảm tạp âm ngay từ tầng đầu đồng thời yêu cầu về độ méo phi tuyến phải nhỏ. Mạch lọc được thiết kế để loại bỏ tạp âm tần số thấp và các tạp âm cường độ thấp. Tín hiệu đầu ra bộ lọc và tầng khuếch đại được đưa đến đầu vào khối xử lý ADC. Khối xử lý trung tâm có nhiệm vụ xử lý sơ bộ dữ liệu sau khi ADC và điều khiền truyền dữ liệu về máy tính qua giao tiếp RJ45. Tại máy tính số liệu tiếp tục được xử lý phân tích FFT và hiển thị các tham số đặc trưng của tín hiệu theo miền thời gian và miền tần số. 3.2. Tính toán lựa chọn tham số máy thu 3.2.1. Khối xử lý tín hiệu tương tự Hydrophone Hydrophone dùng trong máy thu là đầu thu kiểu áp điện, với một số tham số kỹ thuật chính như sau: - Độ nhạy điện áp: -204dB re V/µPa; - Dải tần làm việc: 0,1Hz đến 100kHz; - Điện dung: 3,7nF; - Định hướng trong mặt phẳng ngang: vô hướng; Hydrophone LNA ADC Bộ xử lý FPGA Cáp bọc kim Nguồn cấp Lọc KĐ Giao tiếp RJ45 Máy tính Kỹ thuật điện tử V.H. Lăng, Tr.Q. Giang, N.T. Nga, Đ.T.T.Dương, “Thiết kế máy thu dưới nước.” 176 - Định hướng trong mặt phẳng đứng: 2200 ± 3dB 50kHz; - Độ sâu làm việc: > 300 mét; - Nhiệt độ làm việc: -100 ÷ +600. Hình 6. Sơ đồ mạch tương đương của hydrophone, cáp tín hiệu và bộ khuếch đại. Giá trị độ nhạy của hydrophone theo nhà sản xuất là -204dB re V/µPa. Tuy nhiên trong thực tế cần phải tính thêm độ suy hao do điện dung của cáp nối hydrophone. Hình 6 chỉ ra sơ đồ mạch tương đương của hydrophone, cáp tín hiệu và tầng đầu vào của bộ khuếch đại [7]. Tín hiệu hydrophone bị suy hao bởi phân áp trên tụ Cc của cáp tín hiệu và tụ Ch của hydrophone. Vì vậy để giảm độ suy hao của tín hiệu nên chọn cáp tín hiệu ngắn nhất có thể. Hệ số suy hao tính theo công thức (3): Ch h in a CC C e e   (3) Điện dung của cáp khoảng 100pF/1m nếu ta chọn cáp dài 20m sẽ có điện dung Cc tương ứng khoảng 2nF. Điện dung của hydrophone theo nhà thiết kế là 3,7nF như vậy theo công thức (3) suy hao tín hiệu do cáp là 3,8dB. Như vậy khi nối cáp dài 20m do sự suy hao của tín hiệu trên cáp kéo dài dẫn đến tín hiệu thu bị suy hao xuống còn -207,8dB re V/µPa. Bộ khuếch đại thu Trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại sẽ ảnh hưởng tới mức tín hiệu đầu vào của hệ thống. Như chỉ trong mạch tương đương hình 6, bộ khuếch đại có điện dung đầu vào Ca và trở kháng đầu vào Ra. theo công thức (3) tín hiệu sẽ giảm khi tăng Ca bởi vì điện dung của bộ khuếch đại song song với điện dung của cáp tín hiệu. Phần tử điện trở Ra cùng với các tụ điện Ca, Ch và Cc tạo thành mạch lọc thông cao với tần số cắt fc. fc =1/2πRa(Ca+Ch+Cc) (4) Theo công thức (4), Ra cần phải chọn đủ lớn để đạt tần số cắt nhỏ cho bộ lọc thông cao. Tuy nhiên trong khi mong muốn tạo điện trở lớn để tăng độ nhạy nhưng phải trả giá mức nhiễu đầu vào lớn do điện trở tăng. Vì vậy Ra không nên chọn giá Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 177 trị lớn. Điện trở đầu vào theo tính toán nên chọn 100k để cho giá trị tần số cắt nhỏ hơn 650Hz. Tạp âm máy thu Có ba thành phần chính gây ra tạp âm trong bộ khuếch đại máy thu. Hai thành phần đầu tiên là tạp âm dòng điện và điện áp liên quan đến đến mạch bên trong của bộ khuếch đại Opamp. Để giảm tạp âm dòng và áp, trong thiết kế máy thu đã chọn bộ khuếch đại thuật toán tạp âm thấp OPA211 của hãng TI để thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp. Bộ khuếch đại OPA211có đầu vào là JFET theo nhà sản xuất tạp âm dòng đầu vào in cỡ 1,8pA/ Hz tạp âm điện áp đầu vào en là 1.1nV/ Hz . Hình 7. Đặc tính tạp âm dòng và áp của OPA211 [7]. Tạp âm do nguồn dòng được quyết định bởi tổ hợp song song của trở kháng nguồn Zs và trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại Ra. Tạp âm nguồn dòng điện tính theo công thức (5): ei = in (Zs||Ra) (V/ Hz ) (5) Nguồn tạp âm thứ ba là tạp âm nhiệt Johnson gây ra do điện trở của mạch. Nguồn tạp âm nhiệt lớn nhất do điện trở đầu vào của Ra tính theo công thức (6): 4j ae kTR (V/ Hz ) (6) trong đó, k là hằng số Boltzman, k = 1,38.10-23 (J/K); T là nhiệt độ K; Ra là điện trở đầu vào bộ khuếch đại. Ba nguồn tạp âm không tương quan với nhau, vì vậy mức công suất tạp âm có thể được tính tổng trực tiếp. Mức tạp âm tổng RMS theo băng thông B: V eeeBe jinT 6.5 ])104()107.4()101.1[(20000 )( 2821529 222     (7) 3.2.2. Khối xử lý tín hiệu số Xử lý số trên FPGA Kỹ thuật điện tử V.H. Lăng, Tr.Q. Giang, N.T. Nga, Đ.T.T.Dương, “Thiết kế máy thu dưới nước.” 178 Bộ chuyển đổi ADC lựa chọn trong thiết kế máy thu là AD7357 tốc độ cao. AD7357 là bộ chuyển đổi 2 kênh 14 bit, tạp âm thấp, công suất thấp, dùng nguồn một chiều 2.5V và đặc biệt tốc độ chuyển đổi lên đến 4,2Msps. Chương trình xử lý số trên FPGA được cài đặt trên họ Spartan-6 XC6SLX9TQG144B tốc độ cao với 9152 logic Cells. Dữ liệu sau khi số hóa được bộ xử lý FPGA đóng gói và truyền về máy tính qua giao thức Ethernet có tốc độ truyền lên tới 100Mbps. Xử lý số trên máy tính Chương trình xử lý số liệu trên máy tính được viết trên phần mềm LabVIEW. Dữ liệu sau khi được truyền về máy tính sẽ xử lý trên các bộ lọc thông dải, bộ FFT, lưu trữ, phân tích và hiển thị dạng tín hiệu theo miền tần số và miền thời gian. Hình 8. Chương trình LabVIEW xử lý trên máy tính. 4. KẾT QUẢ ĐO ĐẠC VÀ THỬ NGHIỆM 4.1. Mô hình đo lường trong phòng thí nghiệm và ngoài thực địa Máy phát âm tần Máy hiện sóng KĐCS âm tần Phối hợp trở kháng Môi trường nước ngọt Hydrophone Cáp Máy thu trinh sát 1 ADCLNA FPGA 2 Kênh 1 Máy hiện sóng Kênh 2 Máy tính Hình 9. Mô hình đo lường và thử nghiệm. 4.2. Kết quả đo lường trong phòng thí nghiệm Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 179 Hình 10. Phổ tín hiệu thu được sau LNA bằng máy phân tích phổ thời gian thực R&S FSVR7 tại fo=30kHz. Dùng máy phát tín hiệu R&S SMA100A (sau hydrophone) phát tín hiệu hình sin với mức công suất là -30dBm và thay đổi tần số phát. Dùng máy phân tích phổ thời gian thực R&S FSVR7 tiến hành đo tại điểm đo 2 (sau LNA). Kết quả đo lường được thể hiện trên hình 10. 4.3. Kết quả thử nghiệm thực địa Hình 11. Hình ảnh kết quả phân tích phổ tín hiệu trên máy tính. Mô hình thu thử nghiệm như trên hình 11 với cự li giữa máy phát và máy thu 100m trong môi trường nước ngọt tại Hồ Tây. Máy phát âm tần được thay đổi trong dải từ 100Hz đến 1050kHz. Kết quả thu phân tích tín hiệu thu tại tần số 29kHz được thể hiện trên hình 11. Bằng tính toán lý thuyết theo công thức 7, kiểm chứng bằng đo lường và thực nghiệm qua nhiều phép đo ở các dải thu khác nhau, kết quả cho thấy ảnh hưởng của tạp âm nội bộ của máy thu nhỏ, máy thu đảm bảo độ ổn định và tin cậy cao. Kỹ thuật điện tử V.H. Lăng, Tr.Q. Giang, N.T. Nga, Đ.T.T.Dương, “Thiết kế máy thu dưới nước.” 180 5. KẾT LUẬN Qua nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng và tiến hành tính toán thiết kế, nhóm tác giả đã chế tạo và thử nghiệm thành công 01 mẫu máy thu. Trên cơ sở kết quả đã đạt được cùng với trình độ công nghệ hiện tại trong nước chúng ta hoàn toàn có thể thiết kế chế tạo mới máy thu thủy âm cho mục đích khảo sát, đo lường tiến tới làm chủ trong việc thiết kế chế tạo các thiết bị trinh sát thủy âm. Máy thu đã được triển khai thử nghiệm đánh giá thực tế trong môi trường nước ngọt. Để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn, trong thời gian tới nhóm nghiên cứu sẽ tiến hành đưa thiết bị đi khảo sát đánh giá thực tế tại môi trường biển. Với kết quả ban đầu đã đạt được nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ tiếp tục cải thiện nâng cao phẩm chất máy thu, giảm ảnh hưởng của các loại nhiễu, tạp âm; nâng cao độ chính xác và độ tin cậy cũng như độ ổn định của máy thu nhằm mục đích ứng dụng đo đạc phân tích phát hiện các nguồn âm và ứng dụng trinh sát ngầm dưới nước. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Ian Roman Radziejewski (1990), “An investigation of the underwater acoustic communications channel”, Simon Fraser University. [2]. Michael A. Ainslie (2010), Principles of Sonar Performance Modeling”, Springer-Verlag Berlin Heidelberg. [3]. Richard P. Hodges (2010), “Underwater acoustic”, John Wiley and Sons, Ltd, Publication. [4]. HAZELWOOD, R.A. and CONNELLY, J., “Estimation of Underwater Noise - A Simplified Method”, Int. J. Soc. Underwater Tech., Vol. 26, No.3, 2005, pp. 51-57. [5]. ISO/IEC Guide 98-3:2008, Uncertainty of Measurement - Part 3: Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement. [6]. URICK, R., “Principles of Underwater Sound for Engineers”, New York: McGraw- Hill, 1967. [7]. Datasheet (2009) Operational Amplifier OPA211, Texas Instruments Incorporated. [8]. Burdic, W.S., “Underwater Acoustic System Analysis”, p.77, New Jersey: Prentice Hall, 1984. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 181 ABSTRACT DESIGNING A RECEIVER FOR UNDERWATER ACOUSTIC SOURCES The article content introduces the calculation and selection of parameters in order to design a narrowband acoustic receiver for analyze the characteristic parameters of underwater acoustics signal. The prototype has been designed and produced, measured in the laboratory and tested with a good result in fresh water environment. Keywords: Acoustic, Underwater acoustic communication channels, Signal processing. Nhận bài ngày 08 tháng 05 năm 2015 Hoàn thiện ngày 10 tháng 08 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 07 tháng 09 năm 2015 Địa chỉ: 1 Viện Điện tử, Viện KH-CN quân sự; 2 Phòng Tham mưu - Kế hoạch, Viện KH-CN quân sự. * Email: langvh@vietkey.vn