Nghiên cứu giải pháp sử dụng anten mạng pha cho máy liên lạc thủy âm

Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> Nghiªn cøu gi¶I ph¸p sö dông anten m¹ng<br /> pha cho m¸y liªn l¹c thñy ©m<br /> LÊ MINH NGỌC*, NGUYỄN THỊ THỦY**<br /> <br /> Tóm tắt: Bài báo sử dụng những kiến thức cơ bản về truyền sóng trong thủy âm,<br /> từ đó tiến hành xây dựng mô hình toán học hợp lý đặc trưng cho một tuyến kênh<br /> liên lạc thủy âm cố định từ điểm đến điểm với mô hình không gian biết trước trong<br /> điều kiện có ảnh hưởng của nhiễu tạp để đưa ra giải pháp tăng cường cự ly liên lạc<br /> của kênh liên lạc thủy âm bằng mạng transducer tuyến tính. Các kết quả thu được<br /> có thể sử dụng để tính toán hiệu quả của các hệ thống thủy âm.<br /> Từ khóa: Thủy âm, Kênh âm, Vận tốc âm, Tín hiệu, Transducer.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Truyền tín hiệu thủy âm có rất nhiều ứng dụng. Trong quân sự, tín hiệu thủy âm được<br /> sử dụng để đo sâu, dẫn đường cho tàu nổi và tàu ngầm của ta; phát hiện, định vị và theo<br /> dõi tàu nổi và tàu ngầm của đối phương, liên lạc dưới nước..... Trong lĩnh vực dân sự, tín<br /> hiệu thủy âm dùng để đo sâu, lập bản đồ đáy biển, định vị tàu thuyền, tìm cá, giám sát giàn<br /> khoan, kiểm soát dòng chảy, liên lạc thợ lặn...<br /> Xét theo khía cạnh kỹ thuật, biển là môi trường truyền âm hết sức phức tạp với rất<br /> nhiều yếu tố tác động: địa hình (mặt biển, đáy biển), chất lượng nước (độ mặn, độ nhớt),<br /> thời gian (ngày, mùa)... và hoạt động con người (tàu bè, các hệ thống liên lạc viễn<br /> thông).... nên việc truyền tín hiệu thuỷ âm hết sức khó khăn. Vì vậy, việc nghiên cứu tăng<br /> cường cự ly liên lạc thủy âm mang lại ý nghĩa hết sức thiết thực cho việc đảm bảo thông<br /> tin dưới nước phục vụ các lĩnh vực kinh tế xã hội và quốc phòng an ninh.<br /> 2. MÔ HÌNH KÊNH LIÊN LẠC THỦY ÂM<br /> Kênh liên lạc thủy âm là kênh liên lạc giữa máy phát và máy thu thủy âm thiết lập<br /> trong môi trường nước[4]. Kênh liên lạc thủy âm trong bài báo được xây dựng với các giả<br /> thiết:<br /> - Việc truyền tín hiệu được thực hiện một chiều từ máy phát đến máy thu;<br /> - Mô hình không gian kênh liên lạc được biết trước;<br /> - Kênh truyền chịu tác động của hiện tượng suy giảm theo khoảng cách và các loại<br /> nhiễu đặc trưng: tạp âm máy thu, nhiễu biển và nhiễu vang.<br /> - Tín hiệu truyền trong kênh liên lạc thủy âm là tín hiệu số dạng QPSK, tần số mang là<br /> 33 kHZ.<br /> r<br /> 0 x 0 x1 x<br /> <br /> <br /> z0 A<br /> Máy phát α1<br /> B<br /> z1 α2<br /> Máy thu<br /> h<br /> Hình 1.1. Mô hình không gian kênh liên lạc thủy âm.<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 32, 08 - 2014 73<br />  Kỹ thuật điện tử &Khoa học máy tính<br /> <br /> Mô hình không gian kênh liên lạc thủy âm được xét trong không gian hai chiều bao<br /> gồm phương ngang (mặt biển) và độ sâu như minh họa trong hình 1.1với máy phát được<br /> đặt tại điểm A ( x0 , z0 ) ; máy thu đặt tại điểm B ( x1 , z1 ) ; khoảng cách theo phương ngang<br /> giữa máy phát và máy thu là r; góc thoát của tia âm khỏi anten phát và góc tới của tia âm<br /> tại anten thu lần lượt là 1 và  2 .<br /> Thực tế, do vận tốc âm khi đi qua các lớp nước có điều kiện truyền khác nhau sẽ bị đổi<br /> hướng tại các biên phân cách, do vậy, tia âm sẽ không còn là đường thẳng mà trở thành<br /> đường cong, với chiều từ A đến B[6].<br /> 3. QUAN HỆ GIỮA CỰ LY LIÊN LẠC VÀ GÓC THOÁT TIA ÂM<br /> THEO LÝ THUYẾT TIA<br /> 3.1. Lý thuyết tia<br /> Lý thuyết tia coi rằng trường âm tạo thành do các tia âm (vuông góc với mặt sóng tại<br /> mỗi thời điểm) mà dọc theo chúng năng lượng âm được truyền đi [4]. Một số đặc trưng<br /> của tia âm theo lý thuyết tia có thể thấy như sau:<br /> - Đường cong vận tốc âm: Là đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa độ sâu và vận tốc<br /> tia âm. Đường cong vận tốc âm phản ánh điều kiện truyền âm tại môi trường mà tia âm đi<br /> qua.<br /> - Quỹ đạo tia âm: Minh họa quan hệ giữa vận tốc âm và quỹ đạo tia âm. Khi gradient<br /> vận tốc âm không đổi, quỹ đạo tia âm như minh họa trong hình 1.2.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1.2. Đường cong vận tốc âm (a) và quỹ đạo tia âm<br /> khi gradient vận tốc âm không đổi.<br /> <br /> Khi gradient vận tốc âm không đổi (giả sử giảm) thì công thức biểu diễn có dạng:<br /> c( z )  c0 1  a( z  z0 ) (1.1)<br /> <br /> trong đó: c0 là vận tốc âm ở độ sâu bố trí máy phát z0 ; a  dc là gradient tương<br /> c0 dz<br /> đối của vận tốc âm.<br /> Khi đó người ta có biểu thức quan hệ giữa cự ly liên lạc r và góc thoát của tia âm khỏi<br /> anten thủy âm 0 như sau [6]:<br /> <br /> r  cos  0<br /> z<br /> 1  a( z  z0 ) dz (1.2)<br />  2<br /> z0 1  1  a( z  z0 )  cos 2  0<br /> 3.2. Phân chia dải tần - khoảng cách trong liên lạc thủy âm<br /> <br /> <br /> <br /> 74 L. M. Ngọc, N. T. Thủy, “Nghiên cứu giải pháp .... máy liên lạc thủy âm.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Băng tần tín hiệu liên lạc thủy âm phân chia theo khoảng cách được minh họa trong<br /> bảng 1[5]. Đây là các giá trị mang tính tham khảo, được rút ra từ thực nghiệm. Từ bảng 1,<br /> ta thấy rằng dải tần liên lạc càng cao thì cự ly liên lạc càng ngắn. Tuy nhiên trong thực tế,<br /> khoảng cách liên lạc còn phụ thuộc vào điều kiện truyền và khả năng khôi phục tín hiệu ở<br /> máy thu, do vậy khoảng cách liên lạc có thể được tăng cường hay giảm bớt so với giá trị<br /> khuyến cáo. Vì vậy khi thiết kế hệ thống liên lạc, cần căn cứ vào các tham số trên để lựa<br /> chọn tần số liên lạc cho phù hợp.<br /> Bảng 1. Băng tần tín hiệu liên lạc thủy âm phân chia theo khoảng cách.<br /> Khoảng cách liên lạc Cự ly (Km) Dải tần (kHz)<br /> Rất xa 1000