Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
MỘT GIẢI PHÁP CẤU HÌNH MẢNG CẢM BIẾN THỦY ÂM<br />
HAI CHIỀU TRÊN CƠ SỞ TẠO BÚP SÓNG TÙY BIẾN<br />
Phan Hồng Minh1*, Phan Trọng Hanh2, Vũ Văn Binh1, Nguyễn Công Đại2<br />
Tóm tắt: Bài báo đề xuất và xây dựng một giải pháp mới dựa trên mô hình tạo<br />
búp sóng tùy biến sử dụng ma trận hydrophone phẳng để tạo ra các búp sóng thu có<br />
độ linh động cao, thực hiện lọc không gian tín hiệu nhằm nâng cao chất lượng thu<br />
tín hiệu mục tiêu. Bằng cách thực hiện kích hoạt các hydrophone trong mảng cảm<br />
biến sẽ tạo ra các mảng có cấu trúc hình học khác nhau và quay được búp sóng theo<br />
hướng mong muốn. Bên cạnh đó, việc tính toán trọng số của mảng sẽ điều khiển<br />
được búp sóng, độ rộng hẹp của búp sóng chính, triệt giảm búp sóng phụ và điều<br />
khiển khoảng cách giữa các búp sóng để thu được tín hiệu là lớn nhất, ảnh hưởng<br />
không mong muốn là ít nhất.<br />
Từ khóa: Mảng cảm biến dưới nước, Tạo búp sóng mảng cảm biến, Chùm búp sóng, tạo búp sóng mảng<br />
phẳng.<br />
<br />
1. GIỚI THIỆU<br />
Tạo búp sóng là kỹ thuật rất quan trọng trong lĩnh vực thủy âm, được thực hiện<br />
bởi nhiều giải pháp khác nhau như: Thuật toán Frost [5], thuật toán lặp và điều<br />
chỉnh trọng số của mảng để giảm thiểu tiếng ồn ở đầu ra trong khi duy trì đáp ứng<br />
tần số đã chọn theo hướng khẩu độ của mảng. Thuật toán Grinffiths [6], các tín<br />
hiệu mong muốn được xác định bởi việc điều khiển búp sóng chính của mảng vào<br />
hướng cần quan tâm, tất cả các tín hiệu đến từ hướng khác mà không có sự vượt<br />
trội sẽ được coi là tạp âm và nhiễu không mong muốn, thuật toán giảm thiểu tạp<br />
nhiễu tại đầu ra, đồng thời duy trì được đáp ứng tần số theo hướng tín hiệu mong<br />
muốn. Tối ưu hóa lồi giải quyết vấn đề sai lệch giữa búp sóng chính giả định và<br />
thực tế nhờ sử dụng thuật toán tạo búp sóng thích nghi MVDR (Minimum variance<br />
distortionless response) ước lượng véc tơ quay ứng với tín hiệu mong muốn theo<br />
không gian tạp và không gian hữu hạn [1]. Thuật toán Frost kết hợp tạo búp sóng<br />
Trễ thời gian cho mảng thu khi có tín hiệu không mong muốn nhằm giảm tiếng ồn<br />
và loại bỏ nhiễu tương ứng, làm tăng SNR mà không gây ra lỗi mạng [2]. Nén búp<br />
sóng phụ sử dụng cấu trúc thích nghi ổn định để giải quyết vấn đề đa đường [6] là<br />
một giải pháp để tìm góc tới của tín hiệu cũng làm tăng hiệu năng của mảng.<br />
Như vậy, đối với mảng cảm biến thủy âm trong hầu hết các ứng dụng, chúng ta<br />
luôn muốn chủ động sắp đặt vị trí cảm biến để quay búp sóng, hoặc quay hướng<br />
của mảng để đáp ứng tốt nhất được với các tín hiệu đến từ các hướng khác nhau.<br />
Theo [4] có hai cách để thực hiện:<br />
- Điều khiển cơ học để xoay trục chính của mảng:<br />
Cách tiếp cận trực tiếp là thay đổi vị trí của cảm biến sao cho trục của mảng<br />
vuông góc với hướng thu mong muốn. Đây là điều khiển cơ học giống như khi một<br />
ăng ten parabol được quay khẩu độ trong hệ thống radar. Thông thường trong<br />
mảng cảm biến thủy âm, phương pháp này khó thực hiện được vì kích thước vật lý<br />
của một mảng khá lớn khi hoạt động với tín hiệu có bước sóng dài hoặc phải hiệu<br />
chuẩn lại cảm biến khi chúng được di chuyển.<br />
- Điều khiển mềm để xoay búp sóng của mảng:<br />
Một cách khác là làm trễ tín hiệu đến theo thời gian (hoặc dịch pha trong trường<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54, 04- 2018 95<br />
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br />
<br />
hợp băng hẹp) để xoay búp sóng của mảng. Đây được gọi là điều khiển mềm, với<br />
những tiến bộ trong bộ xử lý tín hiệu tốc độ cao, hệ thống điều khiển mềm đang<br />
được sử dụng rộng rãi không chỉ vì những hạn chế của điều khiển cơ học mà còn<br />
bởi tính linh hoạt và khả năng đáp ứng nhanh chóng.<br />
Kỹ thuật tạo búp sóng cứng thường có nhược điểm là không được linh động do<br />
khó khăn trong việc tạo cấu trúc hình học của mảng. Thông thường mảng cảm biến<br />
thường được thiết kế cố định về mặt hình học, như vậy khẩu độ và búp sóng chính<br />
sẽ bị giới hạn trong một không gian nhất định. Việc tính toán thiết kế trọng số<br />
mảng sẽ làm tăng hiệu năng, tạo ra được hình dạng búp sóng như mong muốn phù<br />
hợp với nhiều môi trường và mục tiêu khác nhau.<br />
Bài báo đề xuất một giải pháp mới kết hợp 2 kiểu điều khiển cứng và mềm tạo<br />
các mảng có cấu trúc hình học khác nhau dựa trên mô hình mảng phẳng, bằng cách<br />
kích hoạt các hydrophone trong ma trận cảm biến sẽ tạo ra được nhiều loại mảng<br />
có kiểu búp sóng cũng như hướng khác nhau, điều khiển mềm tính toán trọng số<br />
mảng để quay búp sóng có hướng thu mong muốn, triệt giảm búp sóng phụ, giảm<br />
sự ảnh hưởng tối đa của nhiễu và tạp ồn.<br />
<br />
2. THIẾT KẾ MẢNG PHẲNG TÙY BIẾN VÀ ĐIỀU KHIỂN BÚP SÓNG<br />
2.1. Mảng cảm biến tổng quan và kỹ thuật tạo búp sóng<br />
Theo [4] có hai vấn đề quan trọng nhất khi thiết kế mảng để xác định đặc tính và<br />
hiệu suất của chúng như các bộ lọc không gian. Thứ nhất, cấu trúc hình học của<br />
mảng thiết lập các đặc tính không gian khi hoạt động, chúng sẽ tạo ra các kiểu búp<br />
sóng và hướng thu khác nhau. Cấu trúc này được đặc trưng bởi véc tơ đa tạp (the<br />
array manifold vector – đặc trưng cho hình dạng của giản đồ búp sóng trong không<br />
gian ba chiều). Thứ hai là thiết kế các trọng số của dữ liệu tại mỗi đầu ra bộ cảm<br />
biến. Việc lựa chọn các trọng số này xác định các đặc tính lọc không gian của mảng.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 1. Mảng cảm biến và tạo búp sóng cho mảng.<br />
<br />
<br />
<br />
96 P. H. Minh, …, N. C. Đại, “Một giải pháp cấu hình mảng… tạo búp sóng tùy biến.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
Xét mảng cảm biến bao gồm tập N các cảm biến đẳng hướng được đặt tại vị trí<br />
pn bất kỳ trong không gian n = 0, 1, 2, 3, .. N-1. Tín hiệu đến là sóng phẳng truyền<br />
tới mảng từ hướng ⃗ với tần số là ω, tín hiệu thu được là tập các tín hiệu được biểu<br />
diễn bởi véc tơ f(t,p).<br />
( − )<br />
⎡ ⎤<br />
⎢ ( − ) ⎥<br />
( , )=⎢ ( − ) ⎥ (1)<br />
⎢ ⋯ ⎥<br />
⎣ ( − )⎦<br />
−<br />
Với = , a là véc tơ đơn vị được biểu diễn như sau = − ,<br />
−<br />
Trong đó: θ là góc ngẩng (góc tà) và ϕ là góc phương vị khi tính toán trong tọa độ<br />
cầu (hình 2a), xuất hiện dấu trừ do hướng của a, c tốc độ âm trong nước.<br />
=− . + . + . (2)<br />
Nếu ta định nghĩa hướng sóng đến theo trục cosine ta có:<br />
ux = sinθcosϕ; uy = sinθsinϕ; uz = cosθ; và u = - a;<br />
thì (2) viết lại như sau:<br />
=− . + . + . =− (3)<br />
Gọi k là số sóng đến với = = , λ là bước sóng cho bởi tần số ω.<br />
<br />
=− =− , thay vào (3) ta có =<br />
<br />
véc tơ đa tạp cho bởi:<br />
⎡ ⎤<br />
( )= ⎢ ⎥ (4)<br />
⎢ ⋯ ⎥<br />
⎣ ⎦<br />
Và định nghĩa véc tơ trọng số phức như sau:<br />
=[ ∗ ∗ ∗<br />
… ∗ ] (5)<br />
Như vậy, đầu ra y(t) trở thành<br />
( , )= ( ) (6)<br />
là phương trình tổng quan thiết kế búp sóng cảm biến mảng bất kỳ.<br />
2.2. Mảng phẳng và kỹ thuật tạo búp sóng<br />
Mảng phẳng là mảng hai chiều, trong đó, các hydrophone được triển khai theo<br />
một mặt phẳng, hoặc mảng thu được bố trí dưới nước có cùng độ sâu (hình 2a).<br />
Một mảng phẳng cung cấp rất nhiều cấu trúc hình học trên một trục ngang theo tọa<br />
độ đề các hai chiều. Tùy thuộc vào số lượng hydrophone mà có thể bố trí một số<br />
cấu trúc hình học khác nhau, hình tam giác, vuông, tròn, cặp lệch (hình thoi), hình<br />
chữ nhật, hình thang, hình chữ Y, T… (hình 7).<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54, 04- 2018 97<br />
K<br />
Kỹỹ thuật điều khiển & Điện tử<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 2. C<br />
Cấu<br />
ấu trúc hhình<br />
ình học<br />
học và cchùm<br />
hùm búp sóng m<br />
mảng<br />
ảng phẳng 5x77.<br />
Trên cơ ssởở llàà m ảng phẳng chữ nhật NxM hydrophone<br />
mảng hydrophone, xây dựng<br />
dựng mô hhình ình tính<br />
toán và thi<br />
thiết<br />
ết kế tạo ạo búp sóng cho m<br />
mảng<br />
ảng căn cứ tr<br />
trên<br />
ên véc tơ đa ttạp<br />
ạp và<br />
v à ttập<br />
ập trọng số<br />
mảng [4].<br />
mảng [4] Chùm búp sóng ttạo ạo ra bởi mảng phẳng có nguồn âm tại vị trí p(r,θ,<br />
p(r,θ,ϕ))<br />
được tính nh<br />
được nhưư sau:<br />
∗<br />
, = (7))<br />
<br />
Trong đó:<br />
đó<br />
2 2<br />
= , =<br />
Trường<br />
Trường hợp mảng phẳng đồng nhất vvới ới dx = dy = λ/2 và N x M = 5 x 7 ta có<br />
chùm búp sóng hình 22b,b, cc.<br />
Véc tơ đa ttạp<br />
ạp của<br />
ủa hhàng<br />
àng ththứ<br />
ứ m theo trục y của mảng phẳng được<br />
được tính bằng<br />
( )<br />
( )<br />
( )= (8))<br />
⋯<br />
(( ) )<br />
Như vvậy<br />
Như ậy, với<br />
với toàn<br />
toàn bbộ với NxM hydrophone như sau:<br />
ộ mảng ta có ma trận đa tạp với<br />
( )=[ ( ) ⋮ ⋯ ⋮ ( ) ]T, véc tơ = (9))<br />
Từ<br />
ừ đây,<br />
đây, chúng ta có th<br />
thểể định nghĩa một véc ttơ<br />
ơ tổng<br />
tổng quát bằng cách xếp lần llư<br />
ượt<br />
ơ NM x 1 giá tr<br />
đểể có một véc ttơ trị.<br />
( )<br />
( ) = ⋯ (10<br />
10))<br />
( )<br />
Tương ttự, đối<br />
ối với ma tr ận các trọng<br />
trận trọng số của mảng phẳng<br />
ẳng ta có<br />
,<br />
,<br />
=[ ⋯ ⋯ ], v<br />
vớìì hààng<br />
ng thứ<br />
th m = ⋯ (11<br />
11))<br />
,<br />
và<br />
<br />
<br />
98 P. H. Minh, …, N. C. Đại,<br />
ại, “Một giải pháp cấu h<br />
hình<br />
ình mảng…<br />
mảng… tạo búp sóng ttùy<br />
ùy bi ến.””<br />
biến.<br />
Nghiên ccứu<br />
ứu khoa học công nghệ<br />
<br />
⎡ ⋯ ⎤<br />
⎢ ⎥<br />
[ ]=⎢ ⎥ (12<br />
12))<br />
⎢ ⋯ ⎥<br />
⎣ ⎦<br />
Ta có<br />
( )= , = [ ] ( ) (13<br />
13))<br />
ạng tổng quan để thiết kế một mảng phẳng NxM hydrophone bất<br />
là dạng bất kỳ.<br />
2.3. T<br />
Tạo<br />
ạo búp sóng tùy biến dựa trên<br />
biến trên mảng<br />
ảng phẳng chữ nhật<br />
G ải pháp mới<br />
Giải ới bài báo đềđề xuất là kích ho hoạtạt tùy biến<br />
biến một tập hydrophone trong<br />
mảng<br />
m ảng chữ<br />
chữ nhật để hhình<br />
ình thành mmột<br />
ột cấu trúc hhình<br />
ình học<br />
học nhất<br />
nhất định đểể tạo được<br />
đ ợc búp sóng<br />
có hư<br />
hướng<br />
ớng và đặc<br />
đặc tính thu mong muốnmuốn,, đồng<br />
ồng thời,<br />
thời kếtết hhợp<br />
ợp sử dụng ma trận trọng số<br />
W đểể thiết<br />
thiết kế đặc<br />
ặc tính của mảng th thành<br />
ành bộ<br />
ộ lọc không gian vvới ới mục đích thu được<br />
được tín<br />
hiệu mong muốn tốt<br />
hiệu ốt nhất<br />
nhất.<br />
Thật vậy,<br />
Thật vậy từ biểu ểu thức (7)<br />
( ) hoặc<br />
hoặc (13<br />
13) có th thểể thực hiện tạo ạo búp sóng cho m mảng<br />
ảng<br />
phẳng theo hai bư<br />
phẳng bước.<br />
ớc.<br />
Bước 1<br />
Bước Tạo búp sóng với mảng thẳng theo trục x với<br />
1: Tạo ới N lần<br />
lần đư<br />
được<br />
ợc các véc tơ<br />
B(ψx)).<br />
Bước 2<br />
Bước Tạo các mảng búp sóng 1 lần theo trục y bằng<br />
2: Tạo ằng cách xử lý các véc ttơ ơ<br />
B(ψx) như tín hihiệu<br />
ệu đầu vvàoào đư ợc B(ψx,ψy )).<br />
được<br />
Các không gian V và W có th thểể áp dụng ririêng<br />
êng biệt<br />
biệt tr<br />
trên<br />
ên m<br />
mỗiỗi mảng phẳng để kích<br />
ho cảm<br />
hoạt ảm biến vvàà ttạo<br />
ạo các đáp ứng của mảng theo một một yyêuêu ccầu<br />
ầu nhất định nh<br />
nhưư ch<br />
chặn<br />
ặn<br />
búp sóng ph phụ,<br />
ụ, quay búp sóng chínhchính, tăng cưcường<br />
ờng hoặc<br />
hoặc suy giảm tín hiệuhiệu thu đđến<br />
ến từ<br />
một hhướng<br />
một ớng khác<br />
khác…… Tại ại đây,<br />
đây có thể<br />
thể áp dụng các thuậtthuật toán tạo búp sóng thích nghi<br />
cho mmảng<br />
ảng bằng cách tính toán thay đổi đổi ttập<br />
ập trọng số trong không gian W sau m mỗi<br />
ỗi<br />
lần<br />
ần lặp theo đi<br />
điều<br />
ều kiện môi tr trường.<br />
ờng.<br />
Tạo<br />
ạo búp sóng với mẳng phẳng 5x5 vvới ới dx = dy = λ/2 khi kích hoạt hoạt tất cả các<br />
hydrophone.<br />
hydrophone<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 3. Búp<br />
Búp sóng m<br />
mảng<br />
ảng phẳng 5x55,<br />
Đối<br />
Đối với mảng phẳng cho ở hình 3 hướng hướng quay của búp sóng chính của mảng<br />
hư<br />
ướng<br />
ớng theo trục z và bbịị giới hạn trong không gian 0 < θ < π/2. Điềuều này<br />
n ày ttạo<br />
ạo những<br />
hạn<br />
ạn chế llàà không tạo<br />
tạo búp sóng chính theo trục y hoặc<br />
ho c tr<br />
trục<br />
ục x đư<br />
được.<br />
ợc.<br />
<br />
<br />
Tạp<br />
ạp chí Nghi<br />
Nghiên<br />
ên cứu<br />
cứu KH&CN quân<br />
uân sự,<br />
sự, Số 54, 04<br />
04- 2018<br />
2018 99<br />
K<br />
Kỹỹ thuật điều khiển & Điện tử<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 4.. Búp<br />
Búp sóng m<br />
mảng<br />
ảng thẳng 1x55.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
5 Búp<br />
Hình 5. Búp sóng m<br />
mảng<br />
ảng phẳng<br />
phẳng đường<br />
đường tròn.<br />
tròn.<br />
Với hình 4 kích ho<br />
Với hoạt<br />
ạt mảng phẳng th thành<br />
ành mảng<br />
mảng thẳng theo trục<br />
trục x, tạo búp sóng<br />
chính hướng<br />
hướng về phía trục y vvàà trục<br />
trục z. Nh<br />
Như ư vậy<br />
vậy, mảng<br />
mảng ttùy<br />
ùy bi<br />
biến<br />
ến rất linh động đđưược<br />
ợc<br />
được hhư<br />
được ướng<br />
ớng thu. TTương<br />
ương ttựự nếu kích hoạt mảng theo trục y sẽ tạo ra đđược ợc hhướng<br />
ớng<br />
búp sóng chính theo tr trục<br />
ục x, ngoài<br />
ngoài ra có ththểể kích hoạt theo các đđường<br />
ờng chéo để có<br />
được các búp sóng nh<br />
được nhưư mong mu muốn.<br />
ốn. Hình 5 được<br />
được kích hoạt theo dạng mảng phẳng<br />
hình đường<br />
đường tròn,<br />
tròn, có đư<br />
đường<br />
ờng kính bằng độ lớn của mảng phẳng phẳng,, từ<br />
ừ đây cũng có thể<br />
tạo<br />
ạo ra các dạng mặt trtròn<br />
òn và đường<br />
đường trtròn<br />
òn có cấu<br />
cấu trúc hhình<br />
ình hhọc<br />
ọc khác nhau<br />
nhau. Hình 6<br />
kích hoạt<br />
hoạt mảng theo hhình<br />
ình thang cho th thấy<br />
ấy búp sóng chính theo trục y lớn vvàà rrộng,<br />
ộng,<br />
phù hhợp<br />
ợp trong quan sát mục ti tiêu<br />
êu ở h<br />
hướng<br />
ớng yy.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
6 Búp<br />
Hình 6. Búp sóng m<br />
mảng<br />
ảng phẳng hình thang<br />
thang.<br />
<br />
<br />
100 P. H. Minh, …, N. C. Đại,<br />
ại, “Một giải pháp cấu h<br />
hình<br />
ình mảng…<br />
mảng… tạo búp sóng ttùy<br />
ùy bi ến.””<br />
biến.<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
Ngoài ra, có rất nhiều cấu trúc lệch hoặc cấu trúc cân bằng đối xứng khác có thể<br />
tạo ra được từ mảng phẳng tùy biến ở trên (Hình 7).<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 7. Cấu trúc hình học của một số mảng phẳng.<br />
Như vậy, dựa trên công thức tính toán để thiết kế mảng phẳng, giải pháp bài báo<br />
đưa ra có thể tùy biến một mảng phẳng dựa trên việc kích hoạt các hydrophone<br />
trong mảng để tạo thành một mảng phẳng bất kỳ và tạo búp sóng cho mảng đó đến<br />
hướng mong muốn. Trong những trường hợp quan sát mục tiêu cụ thể cần có<br />
những tính toán để chọn lựa về cấu trúc hình học của mảng sao cho tối ưu nhất.<br />
3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG<br />
3.1. Tính toán mảng để tăng cường tín hiệu thu khi mục tiêu tiếp cận gần<br />
Xét mảng thẳng gồm 30 hydrophone, theo đó để quan sát mục tiêu xâm nhập từ<br />
phía xa tiến vào gần mảng có thể tùy biến mảng như sau:<br />
- Một mảng thẳng gồm 30 hydrophone:<br />
Độ lợi mảng GA = 30dBi<br />
Hình vẽ mô phỏng cho thấy búp<br />
sóng chính rất hẹp và nhọn, các búp<br />
phụ bị triệt tiêu đi đáng kể, khi quan sát<br />
mục tiêu ở xa thì tốt (hình 8).<br />
- 3 mảng thẳng độc lập mỗi mảng 10<br />
hydrophone thẳng hàng :<br />
Độ lợi mảng GA = G1 + G2 + G3 = 30<br />
dBi<br />
Mô phỏng cho thấy búp sóng chính to<br />
hơn, các búp sóng phụ cũng tăng hơn vẫn Hình 8. Búp sóng mảng thẳng<br />
đảm bảo độ lợi thu (hình 9) 30 hydrophone.<br />
- 1 mảng thẳng ở giữa và 2 mảng tùy biến độc lập nhau xoay 10 độ (hình 10):<br />
Khi quan sát mục tiêu ở xa, trường tín hiệu đến mảng là song song, hai trường<br />
hợp đầu tiên đều quan sát tốt. Khi mục tiêu đến gần thì cả hai mảng trên đều thu<br />
kém hơn rất nhiều. Để tính toán độ suy giảm ta xét độ lớn của búp sóng chính tại<br />
góc mở 3dB (the half-power beamwidth, HPBW- Độ rộng nửa công suất).<br />
Theo [4] độ rộng nửa công suất của búp sóng chính:<br />
0.886<br />
= = ( ) ≈ 50 ( ) (14)<br />
Với 3 mảng được thiết kế mỗi mảng 10 hydrophone cách nhau 50m (d = 50m)<br />
quan sát tần số f = 15Hz (λ = 100m), giả sử vận tốc âm trong nước c = 1500 m/s.<br />
Ta có HPBW ≈ 100. Vậy khoảng cách R = 550/ sin100 = 3167 m.<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54, 04- 2018 101<br />
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br />
<br />
Như vậy, khi mục tiêu tiến vào gần mảng đến khoảng cách 3167m thì với<br />
trường hợp 2 độ lợi sẽ giảm đi còn GA = G1 /2+ G2 + G3 /2 dB càng vào gần thì độ<br />
lợi càng giảm hơn nữa. Với trường hợp 3 mảng tùy biến đã xoay đi 100 thì khi mục<br />
tiêu vào gần vẫn đảm bảo độ lợi không đổi.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 9. Tạo búp sóng với 3 mảng thẳng độc lập 10 hydrophone.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 10. Tạo búp sóng với 1 mảng thẳng và 2 mảng xoay 10o 10 hydrophone.<br />
3.2. Tùy biến mảng để thu tối ưu tín hiệu mong muốn<br />
Mảng phẳng chữ nhật 3x10 hydrphone trong đó giả sử tín hiệu mong muốn đến<br />
từ hướng 28o, tín hiệu tạp nhiễu đến từ hướng 62o và tạp ồn đến từ hướng 75o. Tùy<br />
biến mảng phẳng thành 3 mảng thẳng song song với nhau và xác định độ lợi thu<br />
với 3 búp sóng chính quay hướng 28o. Mô phỏng 3 mảng thẳng cấu hình khác nhau<br />
để tính hướng 62o và 75o của mảng trong các trường hợp để xác định Gmin, GA(θo)=<br />
G1(θo)+ G2(θo)+ G3(θo) quy chuẩn độ lợi thu = 10 dBi cho mỗi mảng.<br />
Bảng 1. Tính G tại các góc hướng của mảng phẳng tùy biến.<br />
STT Cấu hình 3 Góc búp sóng GA(28o) GA(62 o) GA(75 o)<br />
mảng thẳng chính dBi dBi dBi<br />
1 2:26:2 28o:28o:28o 30 1.2459 2.4640<br />
2 3:24:3 28o:28o:28o 30 2.9497 0.9837<br />
3 4:22:4 28o:28o:28o 30 1.5707 2.7985<br />
<br />
<br />
102 P. H. Minh, …, N. C. Đại, “Một giải pháp cấu hình mảng… tạo búp sóng tùy biến.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
4 5:20:5 28o:28o:28o 30 2.8708 1.9806<br />
5 6:18:6 28o:28o:28o 30 1.8016 2.3296<br />
6 7:16:7 28o:28o:28o 30 2.6718 2.1814<br />
7 8:14:8 28o:28o:28o 30 1.9362 0.8144<br />
8 9:12:9 28o:28o:28o 30 2.3617 3.0255<br />
9 10:10:10 28o:28o:28o 30 1.9791 2.4735<br />
10 11:8:11 28o:28o:28o 30 1.9562 0.7255<br />
11 12:6:12 28o:28o:28o 30 1.9407 2.8942<br />
12 13:4:13 28o:28o:28o 30 1.4770 2.1124<br />
13 14:2:14 28o:28o:28o 30 1.8366 2.1415<br />
14 15:0:15 28o:0o:28o 30 0.9500 2.0887<br />
Số liệu mô phỏng từ bảng 1 cho thấy với hướng 62o Gmin = 0.95 trong trường<br />
hợp STT-14 tùy biến thành 2 mảng thẳng 15 hydrophone, với hướng 75o Gmin =<br />
0.7255 ở trường hợp STT-10 mảng tùy biến thành 3 mảng số lượng 11:8:11. Vậy,<br />
để thu với sự ảnh hưởng của nhiễu và tạp ồn là ít nhất chúng ta hoàn toàn xác định<br />
được cấu hình tùy biến tối ưu.<br />
3.3. Tùy biến mảng để giám sát đồng thời đa mục tiêu<br />
Mảng phẳng chữ nhật kích thước 5x7 gắn đáy theo dõi đồng thời 2 mục tiêu từ<br />
các hướng khác nhau và sử dụng 1 búp sóng chính để rà quét phát hiện các mục<br />
tiêu khác. Tùy biến mảng thành 3 mảng nhỏ; mảng thẳng 1x6 theo trục y, mảng<br />
thẳng 1x5 theo trục x, và một mẳng phẳng 4x6 theo mặt phẳng xy như hình 11- a.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 11. Tùy biến thành 3 mảng và búp sóng mảng phẳng 4x6.<br />
Trong các hệ thống sonar dưới nước việc đồng thời quan sát nhiều mục tiêu là<br />
tối cần thiết, với giải pháp đưa ra ở đây là hợp lý khi tùy biến tách mảng phẳng ra<br />
thành 3 mảng nhỏ kết hợp với tính toán véc tơ trọng số wn của từng mảng để quay<br />
búp sóng chính theo hướng mục tiêu đã phát hiện.<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54, 04- 2018 103<br />
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 12. Búp sóng mảng thẳng 1x6 quay 180o và 1x5 quay 25o.<br />
Hình 11-b mảng 4x6 sử búp sóng chính hướng trục z và tính toán quay búp sóng<br />
theo hướng z để quan sát phát hiện mục tiêu. Trong trường hợp xuất hiện thêm<br />
mục tiêu thì có thể tách mảng 4x6 thành các mảng nhỏ hơn để theo dõi đồng thời,<br />
Hình 12 là mảng 1x6 có búp sóng chính hướng theo trục yz và điều khiển quay<br />
sang hướng 180o và mảng 1.5 có búp sóng hướng theo trục xz được điều khiển<br />
quan sát hướng 25o.<br />
4. KẾT LUẬN<br />
Bài báo đã đưa ra cơ sở tính toán và giải pháp thiết kế mảng cảm biến thuỷ âm<br />
phẳng có thể linh động thay đổi cấu trúc hình học bằng cách kích hoạt hoặc không<br />
kích hoạt một số hydrophone, phân tách thành nhiều mảng con và kết hợp tính toán<br />
véc tơ trọng số của mảng để điều khiển mềm quay được búp sóng theo hướng<br />
mong muốn. Với giải pháp này chúng ta có thể tùy biến tạo thành nhiều mảng nhỏ<br />
để quan sát nhiều mục tiêu đồng thời, có thể tính toán được độ lợi thu của mảng tại<br />
nhiều hướng khác nhau từ đó đưa ra phương án tối ưu trong thiết kế mảng. Hướng<br />
nghiên cứu tiếp theo của bài báo là tính toán thiết kế mảng tùy biến và xây dựng<br />
thuật toán tạo búp sóng thích nghi mới phù hợp ứng dụng trong vùng nước nông<br />
của Việt Nam, nâng cao tỷ số SNR cho mảng trong điều kiện phản xạ đa đường.<br />
TÀI LIỆU THAM KHẢO<br />
[1]. Yong Chen, Fang Wang, Jianwei Wan, Gang Li, “Convex Optimization Based<br />
Robust Adaptive Beamforming for Underwater Sensor Array”. Signal<br />
Processing (ICSP), 2016 IEEE 13th International Conference.<br />
[2]. M. T. Hossein, M. S. Hossain, M. F. Reza, “Performance analysis of acoustic<br />
microphone array beamformer in the presence of interfering signal”. IEEE<br />
2016 2nd International Conference on Electrical, Computer & Telecom-<br />
munication Engineering.<br />
[3]. Hung Lai, Henry Cox, Kristine Bell, “Adaptive factored beamforming for<br />
vector sensor arrays”. Signals, Systems and Computers, 2008 42nd Asilomar<br />
IEEE Conference on Oct. 2008.<br />
[4]. Harry L. Van Trees, “Detection, Estimation, and Modulation Theory, Part IV<br />
- Optimum Array Processing”, John Wiley & Sons, Inc., New York, 2002.<br />
[5]. FROST, O. L. “An algorithm for linearly constrained adaptive array<br />
<br />
<br />
104 P. H. Minh, …, N. C. Đại, “Một giải pháp cấu hình mảng… tạo búp sóng tùy biến.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
processing”. In Proceedings of IEEE, 1972, vol. 60, no. 8, p.926-934.<br />
[6]. GRIFFITHS, L. J., JIM, C. W. “An alternative approach to linearly<br />
constrained adaptive beamforming”, IEEE Transactions on Anntenas and<br />
Propagation, 1982, vol. AP-30, p. 27-34.<br />
[7]. Jungtai Kim, Hyun Jong Yang, Joohwan Chun, “Sidelobe Suppressing<br />
Beamforming Using Linearly Constrained Adaptive Arrays for Low Angle<br />
Tracking”. Signals, Systems and Computers, 2008 42nd Asilomar IEEE<br />
Conference on Oct. 2008.<br />
[8]. Bernard Widrow, Samuel D. Stearns, “Adaptive signal processing”, Prentice-<br />
Hall, Inc. New Jersey, USA, 1985.<br />
[9]. Stergios Stergiopoulos, “Advanced Signal Processing Hanbook”, CRC Press<br />
LLC, Florida, USA, 2001.<br />
<br />
ABSTRACT<br />
THE SOLUTION OF CONFIGURATION 2D HYDROPHONE ARRAY<br />
BASED ON BEAMFORMING OPTION<br />
<br />
The paper proposes and builds a new solution based on a option<br />
waveform generator that uses a 2D hydrophone matrix to generate highly<br />
flexible receivers, that perform space filtering to enhance target receiver<br />
signal. By activating the hydrophone in the sensor network, it creates<br />
arrays of different geometric structures and steers the lobe in the desired<br />
direction. In addition, the calculation of the weight vector of the array will<br />
control the mainlobe, the width of the main beam, the reduction of the<br />
sidelobe and control the distance between the lobe to obtain the largest<br />
signal, influence unwanted is the least.<br />
Keywords: Underwater sensor arrays, Beamformming sensor arrays, Beam pattern, Beamforming planar array.<br />
<br />
Nhận bài ngày 09 tháng 01 năm 2018<br />
Hoàn thiện ngày 24 tháng 01 năm 2018<br />
Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 4 năm 2018<br />
1<br />
Địa chỉ: Viện Điện tử - Viện Khoa học và Công nghệ quân sự;<br />
2<br />
Khoa Vô tuyến Điện tử - Học viện Kỹ thuật quân sự.<br />
*<br />
Email: phanhongminh1979@gmail.com.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54, 04- 2018 105<br />