Nghiên cứu ứng dụng một số cảm biến siêu âm để thiết kế chế tạo hệ thống phát hiện, đo đạc các tham số vật bay trên không và thiết bị truyền tin dưới nước phục vụ kinh tế - xãhội, an ninh - quốc phòng

, an ninh quốc phòng" Mục đích: Thu đ−ợc tín hiệu sóng hành trình và tiếng nổ đầu nòng để phân tích xác định vùng phổ năng l−ợng của sóng hành trình và tiếng nổ đầu nòng. Thời gian: Ngày 17 tháng 1 năm 2005. Địa điểm: Tr−ờng bắn QKTĐ - Thanh Trì - Hà Nội. Chỉ huy đo đạc: Đại tá, TS Đinh Kim Dực các nội dung tiến hành đo đạc thực nghiệm 1. Hệ thống thiết bị dùng cho đo đạc thực nghiệm: Hệ thống thiết bị nh− lần thử nghiệm thứ nhất, gồm 02 bộ thiết bị: ƒ Bộ thiết bị thu, ghi ở tần số siêu âm gồm: sensor siêu âm, bộ khuyếch đại, đầu ghi từ, mạch xử lý sơ bộ tín hiệu siêu âm. ƒ Bộ thiết bị thu ghi ở dải âm gồm: đầu thu dải rộng, bộ khuyếch đại, máy tính. Sơ đồ bố trí thiết bị khảo sát thực nghiệm lần thứ hai nh− trên hình 1. Có hai tuyến bắn, ở các cự li khoảng 70m và 120m. Bia đ−ợc bố trí trên một hàng ngang dài khoảng 100m. Đầu thu bố trí ở gần giữa, cách đầu trái khoảng 60m. 12 Đối t−ợng khảo sát: đạn súng AK bắn ở các cự li khác nhau. Với bộ thu ghi ở dải âm, tín hiệu thu đ−ợc đ−ợc khuếch đại và ghi trực tiếp vào máy tính qua cáp truyền. Khắc phục một số hạn chế trong lần thử nghiệm tr−ớc, lần này để hệ số khuyếch đại của đầu thu âm lớn hơn. Mức ng−ỡng điều chỉnh đ−ợc đánh dấu để ghi lại. Với thiết bị thu ghi ở tần số siêu âm, tín hiệu siêu âm thu đ−ợc qua bộ khuếch đại và xử lý sơ bộ đ−a vào bộ ghi băng từ. Hệ số khuyếch đại của mạch khuyếch đại đ−ợc điều khiển từ máy tính. Tín hiệu siêu âm thu đ−ợc qua mạch khuếch đại và đ−a về đầu ghi băng từ. Mạch xử lý sơ bộ thực chất là mạch xử lý lấy ra biên độ đỉnh tín hiệu thu đ−ợc để đ−a về máy tính, đồng thời xử lý đếm số viên đạn và lấy giá trị biên độ tín hiệu nhận đ−ợc của từng viên đạn. Lần thử nghiệm này đ−ợc tiến hành kết hợp với quá trình bắn kiểm tra bia của QKTĐ. KĐ KĐ và xử lý sơ bộ Microphone Sensor siêu âm Vị trí bắn 2 Máy tính Đầu ghi băng từ tí n hi ệu s iê u âm G iá tr ị b iê n độ đ ỉn h Vị trí bắn 1 H−ớng bắn 2 H−ớng bắn 1 Hình 1. Sơ đồ bố trí thiết bị khảo sát thực nghiệm lần 2. Đ iề u kh iể n hệ s ố kđ Bia 100m 13 2. Kết quả khảo sát thực nghiệm lần thứ hai nh− sau: ƒ Bộ thu ghi tín hiệu siêu âm thu đ−ợc tín hiệu và đếm chính xác số viên đạn. Giá trị biên độ đỉnh nhận đ−ợc của tín hiệu thay đổi. ƒ Với bộ thu tín hiệu ở dải âm sau khi thu đ−ợc và phân tích phổ ta nhận thấy: - Lần bắn thứ nhất, bài bắn 1: Số viên đạn 12 viên, bốn khẩu bắn cùng lúc, mỗi khẩu 3 viên. Tín hiệu thu đ−ợc có dạng trên hình 2 và kết quả phân tích phổ trên hình 3. Ta thấy có hai đỉnh phổ có tần số là 1356 Hz và 273 Hz. Kết quả này t−ơng ứng với lần thử nghiệm thứ nhất. Điều đó cho thấy dự đoán "đây là phổ Hình 2. Tín hiệu thu đ−ợc khi bắn bài 1; 4 khẩu cùng lúc. Hình 3. Dạng phổ. Trích ra để phân tích 14 của hai thành phần tín hiệu khác nhau, thành phần tần số thấp có thể là tiếng nổ đầu nòng, thành phần tần số cao có thể là sóng va đập" càng có cơ sở chính xác. Trích một đoạn tín hiệu ra để phân tích phổ ta thấy: đỉnh phổ lớn có tần số 1340 Hz, t−ơng ứng với tín hiệu gốc. Các lần bắn sau, khi phân tích phổ đều cho kết quả t−ơng tự. Vấn đề đặt ra là phải tìm ra thành phần tín hiệu nào trong tín hiệu thu đ−ợc có phổ tần số cao và phổ tần thấp. Cần phải dùng các bộ lọc để xác định các thành phần tín hiệu này. Hình 4. Đoạn tín hiệu của 1 phát bắn đ−ợc trích ra. Hình 5. Phổ của đoạn tín hiệu trích ra. 1340 Hz 260 Hz 15 Lấy đoạn tín hiệu mẫu ở ô khoanh tròn trên đ−a qua bộ lọc số để đánh giá ta thấy: Nhìn vào kết quả hình 7 ta thấy thành phần tín hiệu phía sau (tp2) bị suy giảm gần hết khi đi qua bộ lọc thông thấp, nên nó có tần số chủ yếu tập trung Hình 6. Đoạn tín hiệu đ−a vào bộ lọc. Hình 7. Tín hiệu đầu ra bộ lọc thông thấp 300Hz. Hình 8. Tín hiệu đầu ra bộ lọc thông giải 800Hz - 1200 Hz. tp1 tp2 tp1 tp2 tp1 tp2 16 ở vùng tần số cao. Trong hình 8, thành phần tín hiệu phía tr−ớc (tp1) bị suy giảm khi qua bộ lọc thông dải, còn thành phần phía sau (tp2) hầu nh− không suy giảm. Điều đó cho thấy: - Thành phần tín hiệu phía tr−ớc có phổ trải rộng từ vài chục Hz đến vài KHz. - Thành phần tín hiệu phía sau có phổ tập trung ỏ vùng tần số cao trên 800Hz đến vài KHz. Phân tích lại tín hiệu thu đ−ợc ở lần đo đạc thực nghiệm 1 ta thấy thành phần tín hiệu đến tr−ớc có phổ tần cao còn thành phần tín hiệu đến sau có phổ tần thấp, ng−ợc với kết quả thu nhận đ−ợc trong lần đo đạc thực nghiệm này. Hình 9. Kết quả phân tích lại tín hiệu đo đạc thực nghiệm lần 1. Tín hiệu thu đ−ợc Tín hiệu sau khi cho qua bộ lọc thông thấp 0-300Hz Tín hiệu sau khi cho qua bộ lọc thông dải 1Khz- 1,4KHz 17 Tuy nhiên trong lần đo đạc thực nghiệm này vẫn còn một số hạn chế nh− sau: • Những lần bắn đầu, vị trí bố trí đầu thu đặt khá xa đ−ờng đạn nên tín hiệu thu đ−ợc không khẳng định đ−ợc là có thu đ−ợc sóng va đập hay không. • Hệ số khuyếch đại của bộ khuyếch đại cần tăng lên nữa. • Trong phần siêu âm, đã khẳng định đ−ợc là có tín hiệu siêu âm xuất hiện khi bắn nh−ng ch−a xác định đ−ợc là do sóng va đập hay tiếng nổ đầu nòng. • Địa hình triển khai thiết bị đo không bằng phẳng, phía sau có một đê chắn cao 5m cách đầu thu khoảng 30m (t−ơng đối gần) nên thu đ−ợc tiếng dội lớn. 3. Kết luận: Quá trình phân tích tín hiệu cho thấy các thành phần tín hiệu thu đ−ợc t−ơng ứng với lần thử nghiệm thứ nhất về đặc tính phổ. Tuy nhiên việc tìm ra các thành phần tín hiệu mang phổ tần đặc tr−ng còn ch−a đúng với lý thuyết. Theo lý thuyết, sóng va đập sẽ xuất hiện tr−ớc và có phổ tần cao, tiếng nổ đầu nòng đến sau và có phổ tần thấp. Thực tế phân tích tín hiệu thu đ−ợc thì thành phần tần số cao lại đến đầu thu sau. Cần phải có thêm các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để lý giải vấn đề này và tìm ra thành phần sóng va đập trong tín hiệu thu đ−ợc. Thủ tr−ởng cơ quan chủ trì đề tài Ng−ời viết báo cáo Chủ nhiệm đề tài PGS,TS Bạch Nhật Hồng 18 Trung tâm KHKT&CNQS Viện ĐT-VT -----***----- cộng hoà x∙ hội chủ nghĩa việt nam Độc lập- Tự do - Hạnh phúc ----------*****---------- Hà nội, ngày 28 tháng 1 năm 2005 Báo cáo kết quả (Đo đạc thực nghiệm lần 3, Đề tài KC-01-24) "Nghiên cứu ứng dụng một số cảm biến siêu âm để thiết kế, chế tạo hệ thống phát hiện, đo đạc các tham số vật bay trên không và thiết bị truyền tin d−ới n−ớc phục vụ kinh tế - x∙ hội, an ninh quốc phòng" Mục đích: Thu đ−ợc tín hiệu sóng hành trình và tiếng nổ đầu nòng để phân tích xác định vùng phổ năng l−ợng của sóng hành trình và tiếng nổ đầu nòng. Tập trung khảo sát ở phần âm để xác định các thành phần tín hiệu trong tín hiệu thu đ−ợc. Thời gian: Ngày 26 tháng 1 năm 2005. Địa điểm: Tr−ờng bắn Quốc gia Miếu Môn - Miếu Môn - Hà Tây. Chỉ huy đo đạc: Th−ợng tá, ThS Ngô Ngọc Anh các nội dung tiến hành đo đạc thực nghiệm 1. Hệ thống thiết bị dùng cho đo đạc thực nghiệm: Trong hai lần lần đo đạc thực nghiệm tr−ớc cho thấy, ở vùng âm có hai đỉnh phổ ở tần số khoảng 300 Hz và gần 1,4 Khz. Nh−ng khi xử lý lọc tách các tín hiệu này tầi cho kết quả ng−ợc nhau. (Xem báo cáo lần đo đạc thực nghiệm 1 và 2). Vì vậy, lần đo đạc này xác định mục đích thu tín hiệu âm để xử lý, xác định thành phần sóng va đập trong tín hiệu thu đ−ợc. Thiết bị thu ghi tín hiệu ở dải âm gồm: đầu thu dải rộng, bộ khuyếch đại, máy tính. 19 Sơ đồ bố trí thiết bị khảo sát thực nghiệm lần thứ ba nh− trên hình 1. Có ba tuyến bắn, ở các cự li khoảng 80m, 120m và 160m. Đầu thu đặt trên h−ớng bắn. Đối t−ợng khảo sát: đạn súng AK bắn ở các cự li khác nhau. Tín hiệu thu đ−ợc đ−ợc khuếch đại và ghi trực tiếp vào máy tính qua cáp truyền. Hệ số khuyếch đại của đầu thu âm đ−ợc đặt lớn hơn hai lần đo đạc thực nghiệm tr−ớc. Mức ng−ỡng điều chỉnh đ−ợc đánh dấu để ghi lại. 2. Kết quả khảo sát thực nghiệm lần thứ 3 nh− sau: - Lần bắn thứ nhất, vị trí 1: Số viên đạn 3 viên. Tín hiệu thu đ−ợc có dạng trên hình 2 và kết quả phân tích phổ trên hình 3. KĐ Microphone Vị trí bắn 2 Máy tính H−ớng bắn Hình 1. Sơ đồ bố trí thiết bị khảo sát thực nghiệm lần 3. Vị trí bắn 1 Vị trí bắn 3 80 m 40 m 40 m 20 Ta thấy cũng có hai đỉnh phổ có tần số là 1368 Hz và 260 Hz. Kết quả này t−ơng ứng với hai lần thử nghiệm thứ nhất. Trích một đoạn tín hiệu ra để phân tích phổ ta thấy: đỉnh phổ lớn có tần số 1270 Hz, đỉnh phổ nhỏ có tần số 260 Hz (xem hình 4 và hình 5). Kết quả này cũng t−ơng đ−ơng với kết quả phân tích tín hiệu ban đầu ở hình 2 và hình 3. Hình 2. Tín hiệu thu đ−ợc khi bắn ở vị trí 1. Trích ra để phân tích phát 1 phát 2 phát 3 nhiễu tiếng động môi tr−ờng Hình 3. Dạng phổ. đỉnh 1368 Hz đỉnh 260 Hz Hình 4. Đoạn tín hiệu trích ra để phân tích. 21 Khi cho đoạn tín hiệu này đi qua các bộ lọc thông thấp (0-300Hz) và thông dải ta nhận đ−ợc kết quả: - Lần bắn thứ 2, vị trí 2, số đạn 3 viên, tín hiệu thu đ−ợc và biểu đồ phổ có dạng nh− hình 7. Đỉnh phổ cao có tần số 1440 Hz và có năng l−ợng lớn lên. Đỉnh phổ thấp có tần số 230 Hz và năng l−ợng nhỏ đi. Điều này phù hợp với lý thuyết, vì khi truyền lan ở cự li xa hơn, tiếng nổ đầu nòng sẽ Hình 5. Phổ của đoạn tín hiệu trích ra để phân tích. đỉnh 1270 Hz đỉnh 260 Hz Hình 5. Đoạn tín hiệu trích ra sau khi qua bộ lọc thông thấp 0-300Hz. Hình 6. Đoạn tín hiệu trích ra sau khi qua bộ lọc thông dải 1KHz-1,4 KHz. 22 suy giảm. Do đó thành phần tần số thấp là tiếng nổ đầu nòng. Còn thành phần tần số cao là sóng va đập. Vị trí 3: bắn 6 viên, tín hiệu và biểu đồ phổ của 1 phát bắn nh− sau: Hình 7. Dạng tín hiệu và biểu đồ phổ, khi bắn 3 phát ở vị trí 2. Phát 1 Phát 2 Phát 3 Đỉnh phổ 1440 Hz Đỉnh phổ 230 Hz Hình 8. Dạng tín hiệu và biểu đồ phổ của 1 phát khi bắn ở vị trí 3 Đỉnh phổ 1328 Hz Đỉnh phổ 187 Hz 23 Khi kết luận nh− trên thì nảy sinh vấn đề sau: - Năng l−ợng của sóng va đập khi bắn ở vị trí 2 lớn hơn tiếng nổ đầu nòng, vậy phải chăng tiếng nổ mà chúng ta nghe thấy là sóng va đập. Nếu đúng nh− thế thì thành phần tín hiệu này bị bão hoà do đặt hệ số khuếch đại quá lớn. - Nhìn vào hình 8 ta thấy tín hiệu của 1 phát bắn có 3 chùm xung. Chùm xung nào trong đó là thành phần sóng va đập, chùm xung nào là tiếng nổ đầu nòng? Vì các chùm xung này chùm lên nhau nên rất khó phân tích. Tuy nhiên, nếu xét về mặt năng l−ợng, chùm xung thứ nhất sẽ có năng l−ợng lớn nhất, vì sự biến thiên biên độ tín hiệu của chùm xung này lớn nhất. Vậy phải chăng nó là sóng va đập? - Cũng có thể sóng va đập và tiếng nổ đầu nóng bị trùm vào nhau trong chùm xung thứ nhất. Cón các chùm xung sau là tín hiệu phản xạ của chùm xung thứ nhất. 3. Kết luận: Quá trình phân tích tín hiệu thu đ−ợc cho thấy thành phần tín hiệu thu đ−ợc có cả sóng va đập có tần số cao và tiếng nổ đầu nòng có tần số thấp. Tuy nhiên ch−a tách bạch đ−ợc hai thành phần này. Trong lần khảo sát thực nghiệm sau nên để hệ số khuếch đại của bộ thu tín hiệu nhỏ lại, và bắn ở các cự li khác nhau, nên bắn ở cự li xa, khoảng 100m, 200m và 300m để thấy đ−ợc sự khác nhau về mặt thời gian của sóng va đập và tiếng nổ đầu nòng (ở cự li càng xa, khoảng cách thời gian giữa hai thành phần này càng lớn). Thủ tr−ởng cơ quan chủ trì đề tài Ng−ời viết báo cáo Chủ nhiệm đề tài PGS,TS Bạch Nhật Hồng 24 Trung tâm KHKT&CNQS Viện ĐT-VT -----***----- cộng hoà x∙ hội chủ nghĩa việt nam Độc lập- Tự do - Hạnh phúc ----------*****---------- Hà nội, ngày 3 tháng 3 năm 2005 Báo cáo kết quả (Đo đạc thực nghiệm lần 4, Đề tài KC-01-24) "Nghiên cứu ứng dụng một số cảm biến siêu âm để thiết kế, chế tạo hệ thống phát hiện, đo đạc các tham số vật bay trên không và thiết bị truyền tin d−ới n−ớc phục vụ kinh tế - x∙ hội, an ninh quốc phòng" Mục đích: Thu đ−ợc tín hiệu sóng hành trình và tiếng nổ đầu nòng để phân tích xác định vùng phổ năng l−ợng của sóng hành trình và tiếng nổ đầu nòng. Thời gian: Ngày 2 tháng 3 năm 2005. Địa điểm: Tr−ờng bắn Quốc gia Miếu Môn - Miếu Môn - Hà Tây. Chỉ huy đo đạc: Đại tá, TS Đinh Kim Dực các nội dung tiến hành đo đạc thực nghiệm 1. Hệ thống thiết bị dùng cho đo đạc thực nghiệm: Khắc phục những hạn chế của những lần thử nghiệm tr−ớc, lần thử nghiệm thứ 2 khảo sát đạn súng đại liên khi bắn ở các cự li 100m, 200m và 300m trên địa hình bằng phẳng. Sơ đồ bố trí thiết bị khảo sát thực nghiệm của lần thứ t− nh− sau: Loại súng: Đại liên Các cự li bắn: - Vị trí 1: cự ly 100m - Vị trí 2: cự ly 200m - Vị trí 3: cự ly 300m 25 2. Kết quả khảo sát thực nghiệm lần thứ 4 nh− sau: ƒ Đối với bộ thiết bị thu tín hiệu siêu âm vẫn đếm đ−ợc chính xác số viên đạn và có kết quả giống thử nghiệm lần 1. Khi bắn lên trời ở cự li 300m, không thu nhận đ−ợc tín hiệu siêu âm. Quá trình thử nghiệm cho thấy phổ của sóng va đập trải ra trên một dải tần số t−ơng đối rộng từ dải âm đến siêu âm (40 KHz). Việc chọn dải tần số để xử lý là vấn đề đặt ra sao cho chống đ−ợc các loại nhiễu tác động đến tín hiệu có ích. ƒ Đối với bộ thu tín hiệu ở dải âm, các tín hiệu thu đ−ợc đ−ợc đ−a vào phân tích cho thấy: - Cự ly 100m, tín hiệu thu đ−ợc có dạng nh− sau: KĐ và xử lý sơ bộ Microphone Sensor siêu âm Vị trí bắn 2 Máy tính Đầu ghi băng từ Điều khiển hệ số kđ tín hiệu siêu âm cáp truyền Giá trị biên độ đỉnh Vị trí bắn 1 H−ớng bắn 1 Hình 1. Sơ đồ bố trí thiết bị khảo sát thực nghiệm lần 4. Vị trí bắn 3 Hình 2. Tín hiệu thu đ−ợc và phổ khi bắn đại liên ở cự li 100m ∆t ≈ 180ms 26 Ta thấy tín hiệu có hai thành phần rõ rệt cách nhau ∆t ≈ 180 ms. Theo lý thuyết, thành phần đến tr−ớc là sóng va đập của viên đạn trong quá trình bay, thành phần đến sau là tiếng nổ đầu nòng. Nếu gọi s là cự ly bắn, góc γ là góc tạo giữa đ−ờng đạn và đ−ờng thẳng từ vị trí bắn đến đầu thu, khi đó: Sóng va đập hình thành khi viên đạn chuyển động trên đ−ờng bay đến đầu thu coi nh− đ−ợc tạo ra từ điểm S đến đầu thu. Nếu lấy gốc thời gian là lúc viên đạn bắt đầu bay ra khỏi nòng pháo, cũng là lúc bắt đầu hình thành sóng nổ đầu nòng. Vậy khoảng thời gian từ gốc thời gian đến khi sóng va đập truyền đến đầu thu M sẽ bằng khoảng thời gian viên đạn chuyển động tới điểm S với vận tốc v cộng với khoảng thời gian sóng va đập chuyển động từ điểm S đến đầu thu M với tốc độ âm c: ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ +=+=+= γγγγ sincossin.cos.1 Mc s c s v s c SM v OSt (1) Khoảng thời gian từ gốc thời gian đến khi sóng nổ đầu nòng truyền đến đầu thu sẽ là: c st =2 (2) Vậy khoảng cách về mặt thời gian giữa hai sóng đến đầu thu sẽ là: ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −−=−=∆ γγ sincos112 Mc sttt (3) Khi γ nhỏ, và vì M>1 nên công thức (3) có thể viết: )11( Mc st −≈∆ (4) Đ−ờng đạn Vị trí bắn O Đầu thu γ S M A s Hình 3. Mô tả sự phụ thuộc của giãn cách thời gian vào cự ly và góc bắn. v c 27 Từ công thức (1) và (2) ta thấy khi góc γ đủ nhỏ thì t1 <t2, nghĩa là sóng va đập sẽ đến đầu thu tr−ớc tiếng nổ đầu nòng. Từ công thức (4) ta thấy khi bắn ở góc γ nhỏ, ∆t tỷ lệ thuận với s. Do đó nếu bắn ở cự ly xa hơn, ∆t tăng lên sẽ chứng tỏ hai thành phần tín hiệu thu đ−ợc là sóng va đập và tiếng nổ đầu nòng. Từ biểu đồ phổ ta cũng thấy có hai thành phần tách biệt. Thành phần phổ tần số thấp có năng l−ợng cực đại ở 360 Hz. Thành phần phổ tần số cao có năng l−ợng cực đại trong dải tử 2600 Hz đến 4800Hz. Dùng một bộ lọc thông dải trong khoảng này ta thấy tiếng nổ đầu nòng suy giảm gần hết, thành phần sóng va đập gần nh− không suy giảm . - Cự ly 200m, tín hiệu thu đ−ợc có dạng nh− sau: Từ hình 5 ta nhận thấy khoảng thời gian giãn cách giữa sóng va đập va tiếng nổ đầu nòng tăng lên: ∆t ≈ 290 ms, phù hợp với công thức (4). Đối chiếu giữa hình 3 và hình 5 ta thấy tiếng nổ đầu nòng nhỏ đi do lan truyền đến đầu Hình 4. Tín hiệu sau khi cho qua bộ lọc thông dải: 2600Hz-4800Hz. sóng va đập tiếng nổ đầu nòng Hình 5. Tín hiệu thu đ−ợc và phổ khi bắn ở cự ly 200m. ∆t ≈ 290ms 28 thu ở khoảng cách xa hơn, còn thành phần sóng va đập không phụ thuộc vào cự li bắn mà chỉ phụ thuộc vào khoảng cách từ đ−ờng đạn đến đầu thu, nên biên độ không thay đổi nhiều. Lần l−ợt xử lý phân tích phổ của từng thành phần ta nhận đ−ợc kết quả nh− trên hình 6 và hình 7. Đỉnh phổ lớn nhất của sóng va đập trong tr−ờng hợp này nằm ở tần số 4760Hz còn của tiếng nổ đầu nòng là 393 Hz. - Cự li 300m, tín hiệu nhận đ−ợc và phổ có dạng nh− trên hình 8. Giãn cách thời gian giữa tiếng nổ đầu nòng và sóng va đập tăng lên, ∆t ≈ 400 ms. Hình 6. Sóng va đập và phổ khi bắn ở cự ly 200m. Hình 7.Tiếng nổ đầu nòng và phổ khi bắn ở cự ly 200m. Hình 8. Tín hiệu thu đ−ợc và phổ khi bắn ở cự li 300m. ∆t ≈ 400ms 29 Thay đổi khoảng cách từ đ−ờng đạn đến đầu thu ta thấy khi khoảng cách tăng lên thì giá trị ∆t giảm dần. Điều này phù hợp với công thức (3). Hình 9 cho thấy sự thay đổi của ∆t theo góc bắn (hay khoảng cách từ đầu thu đến đ−ờng đạn). 3. Kết luận: • Quá trình khảo sát tiến hành với súng bộ binh đã xác định chính xác thành phần sóng va đập trong tín hiệu thu nhận đ−ợc. Các kết quả nhận đ−ợc hoàn toàn phù hợp với những nghiên cứu lý thuyết. • Sóng va đập hình thành khi bắn súng bộ binh có phổ trải từ miền âm (trên 2 KHz) đến miền siêu âm (trên 40 KHz). Tuy nhiên, miền năng l−ợng lớn nhất của sóng va đập hình thành khi bắn súng bộ binh nằm trong khoảng từ ∆t = 392 ms ∆t = 341 ms Tín hiệu thu đ−ợc ở cự li 300, đầu thu cách đ−ờng đạn 10m. Tín hiệu thu đ−ợc ở cự li 300, đầu thu cách đ−ờng đạn 20m. Tín hiệu thu đ−ợc ở cự li 300, đầu thu cách đ−ờng đạn 30m. ∆t = 302 ms Tín hiệu thu đ−ợc ở cự li 300, đầu thu cách đ−ờng đạn 50m. ∆t = 269 ms Hình 9. Sự thay đổi của ∆t theo góc bắn. 30 2600Hz đến 4800 Hz. Trong khi tiếng nổ đầu nòng có năng l−ợng lớn nhất ở vùng d−ới 400 Hz. • Độ nhạy của đầu thu sử dụng trong lần thử nghiệm này còn để hơi cao. Cần giảm độ nhạy đi nữa để có tín hiệu trung thực hơn, không bị bão hoà. • Trên cơ sở kết quả đạt đ−ợc có thể thiết kế bộ đo khoảng cách điểm chạm của đầu đạn đến bia. Thủ tr−ởng cơ quan chủ trì đề tài Ng−ời viết báo cáo Chủ nhiệm đề tài PGS,TS Bạch Nhật Hồng 31 Trung tâm KHKT&CNQS Viện ĐT-VT -----***----- cộng hoà x∙ hội chủ nghĩa việt nam Độc lập- Tự do - Hạnh phúc ----------*****---------- Hà nội, ngày 30 tháng 5 năm 2005 Báo cáo kết quả (Đo đạc thực nghiệm lần 5, Đề tài KC-01-24) "Nghiên cứu ứng dụng một số cảm biến siêu âm để thiết kế, chế tạo hệ thống phát hiện, đo đạc các tham số vật bay trên không và thiết bị truyền tin d−ới n−ớc phục vụ kinh tế - x∙ hội, an ninh quốc phòng" Mục đích: Thu đ−ợc tín hiệu sóng hành trình và tiếng nổ đầu nòng khi bắn pháo để phân tích xác định vùng phổ năng l−ợng của sóng hành trình và tiếng nổ đầu nòng. Thời gian: Ngày 28 tháng 5 năm 2005. Địa điểm: Tr−ờng bắn Z133 - Ngọc Thanh - Mê Linh - Vĩnh Phúc. Chỉ huy đo đạc: Đại tá, TS Đinh Kim Dực các nội dung tiến hành đo đạc thực nghiệm 1. Hệ thống thiết bị dùng cho đo đạc thực nghiệm: Quá trình khảo sát tín hiệu thu đ−ợc khi bắn pháo phòng không đ−ợc tiến hành với 02 bộ đầu thu: đầu thu dải rộng thông th−ờng và đầu thu tự chế tạo, theo mô hình nh− trên hình 1: Loại pháo: - 37 ly bắn 3 phát điểm xạ và 1 loạt liên thanh - 12 ly 7 bắn 3 phát điểm xạ và 1 loạt liên thanh 32 2. Kết quả khảo sát: ™ Với pháo phòng không 37 ly. Tín hiệu thu đ−ợc khi bắn phát một có dạng nh− hình 2. Thành phần phía tr−ớc là sóng va đập và tín hiệu phản xạ của nó từ mặt đất. Thành phần phía sau là tiếng nổ đầu nòng. Ta nhận thấy do khoảng cách bắn gần nên thành phần tiếng nổ đầu nòng còn rất lớn. Và vì đầu thu để gần mặt đất nên thành phần tín hiệu phản xạ về cũng lớn. Khi bắn ở khoảng cách gần, các thành phần tần số cao và hài bậc cao của tiếng nổ đầu nòng sẽ lan truyền đến đầu thu gây ra nhiễu. Nếu bắn ở khoảng cách xa hơn các thành phần này bị suy giảm gần hết, chỉ còn thành phần hài cơ bản của tiếng nổ đầu nòng tác động tới đầu thu, và bị loại bỏ bởi bộ lọc. Hình2. Tín hiệu thu đ−ợc khi bắn pháo 37ly Sóng va đập Sóng nổ đầu nòng Tín hiệu phản xạ của sóng va đập tín hiệu phản xạ sóng nổ đầu nòng Vị trí bắn H−ớng bắn Máy tính 250m Hình 1. Mô hình khảo sát thực nghiệm khi bắn pháo phòng không. Đầu thu 7m 33 Quá trình phân tích cho thấy sóng va đập có năng l−ợng lớn nhất ở tần số 850Hz. Tiếng nổ đầu nòng có năng l−ợng lớn nhất ở tần số 380Hz. đỉnh phổ lớn nhất 380 Hz Hình 3. Tiếng nổ đầu nòng và phổ của nó. Hình 4. Sóng va đập và phổ của nó. đỉnh phổ lớn nhất 860 Hz Hình 5. Tín hiệu thu đ−ợc khi bắn liên thanh và dạng phổ 34 ™ Pháo phòng không 12 ly 7. Tín hiệu thu đ−ợc có dạng sau: Quá trình phân tích cho thấy, khi bắn pháo phòng không 12 ly 7, sóng va đập có năng l−ợng tập trung ở tần số 1500Hz. Tiếng nổ đầu nòng có năng l−ợng tập trung ở tần số 360 Hz. Sóng va đập Tiếng nổ đầu nòng Hình 6. Tín hiệu thu đ−ợc khi bắn pháo 12 ly 7. Hình 7. Phổ 3D của tín hiệu thu đ−ợc khi bắn pháo 12 ly 7. Phổ của sóng va đập Phổ của tiếng nổ đầu nòng 35 - Tín hiệu thu đ−ợc khi bắn liên thanh: Pháo 12 ly 7 có tiếng nổ đầu nòng nhỏ hơn nên thành phần tần số cao trong tiếng nổ đầu nòng gần nh− bị loại bỏ. Khi bắn liên thanh cho thấy mối t−ơng quan năng l−ợng giữa sóng va đập và tiếng nổ đầu nòng càng rõ rệt. Thành phần năng l−ợng ở vung 1,4 Khz v−ợt lên hẳn so với vúng nang l−ợng tần số thấp. Hình 8. Tín hiệu thu đ−ợc khi bắn liên thanh. Tiếng nổ đầu nòng Sóng va đập Hình 9. Phổ của tín hiệu khi bắn liên thanh. Phổ tiếng nổ đầu nòng Phổ sóng va đập 36 3. Kết luận. - Khảo sát với pháo phòng không cho kết quả đúng nh− dự đoán sau khi khảo sát với súng bộ binh. Tần phổ của sóng va đập thấp hơn vì kích th−ớc đầu đạn của pháo phòng không lớn hơn kích th−ớc đầu đạn súng bộ binh. Điều này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết. - Quá trình khảo sát còn bắn ở khoảng cách gần nên trong tín hiệu thu đ−ợc, tiếng nổ đầu nòng vẫn còn nhiều các thành phần tần số cao, hoặc hài bậc cao ch−a bị suy giảm nhiều. Cần tăng khoảng cách giữa pháo và đầu thu xa nữa (trên 400m) để tiếng nổ đầu nòng khi bắn pháo 37 ly suy giảm lớn hơn trong thành phần tín hiệu thu đ−ợc, nhằm tạo thuận lợi cho việc phân tích, đánh giá kết quả . - Các kết quả phân tích phổ là cơ sở đề điều chính các tham số bộ lọc đầu vào của thiết bị . Thủ tr−ởng cơ quan chủ trì đề tài Ng−ời viết báo cáo Chủ nhiệm đề tài PGS,TS Bạch Nhật Hồng 37 Trung tâm KHKT&CNQS Viện ĐT-VT -----***----- cộng hoà x∙ hội chủ nghĩa việt nam Độc lập- Tự do - Hạnh phúc ----------*****---------- Hà nội, ngày 18 tháng 6 năm 2005 Báo cáo kết quả (Đo đạc thực nghiệm lần 6, Đề tài KC-01-24) "Nghiên cứu ứng dụng một số cảm biến siêu âm để thiết kế, chế tạo hệ thống phát hiện, đo đạc các tham số vật bay trên không và thiết bị truyền tin d−ới n−ớc phục vụ kinh tế - x∙ hội, an ninh quốc phòng" Mục đích: Thu đ−ợc tín hiệu sóng hành trình và tiếng nổ đầu nòng khi bắn pháo 37 mm để phân tích xác định vùng phổ năng l−ợng của sóng hành trình và tiếng nổ đầu nòng. Thời gian: Ngày 17 tháng 6 năm 2005. Địa điểm: Tr−ờng bắn Z133 - Ngọc Thanh - Mê Linh - Vĩnh Phúc. Chỉ huy đo đạc: Đại tá, TS Đinh Kim Dực các nội dung tiến hành đo đạc thực nghiệm 1. Hệ thống thiết bị dùng cho đo đạc thực nghiệm: Lần thử nghiệm này tập trung đo đạc thực nghiệm khi bắn pháo phòng không 37 mm. Cố gắng kéo dài khoảng cách từ đầu thu đến vị trí bắn ra xa để cho tiếng nổ đầu nòng suy giảm càng nhiều càng tốt. Tiếng nổ đầu nòng có phổ tần t−ơng đối rộng, các thành phần tần số cao suy giảm nhanh khi lan truyền trong không khí, chỉ còn lại hài cơ bản. Nên khi để đầu thu ra xa sẽ loại bỏ đ−ợc các thành phần tần số cao và hài bậc cao của tiếng nổ đầu nòng. Sơ đồ bố trí thiết bị đo đạc thực nghiệm nh− hình 1. 38 2. Kết quả khảo sát: Tín hiệu thu đ−ợc khi bắn phát một có dạng nh− hình 2. Thành phần phía tr−ớc là sóng va đập. Thành phần phía sau là tiếng nổ đầu nòng. Do khoảng cách bắn vẫn còn gần nên thành phần tiếng nổ đầu nòng còn rất lớn. Quá trình phân tích cho thấy sóng va đập có năng l−ợng lớn nhất ở tần số 850Hz. Tiếng nổ đầu nòng có năng l−ợng lớn nhất ở tần số 380Hz. T−ơng tự nh− lần khảo sát thực nghiệm tr−ớc. Vị trí bắn H−ớng bắn Máy tính 300m Hình 1. Mô hình khảo sát thực nghiệm khi bắn pháo phòng không. Đầu thu 7m Sóng va đập Sóng nổ đầu nòng Hình 2. Tín hiệu thu đ−ợc 39 đỉnh phổ lớn nhất 380 Hz Hình 3. Tiếng nổ đầu nòng và phổ của nó. Hình 4. Sóng va đập và phổ của nó. đỉnh phổ lớn nhất 860 Hz Hình 5. Tín hiệu thu đ−ợc khi bắn liên thanh và dạng phổ 40 3. Kết luận. - Quá trình khảo sát còn bắn ở khoảng cách gần nên trong tín hiệu thu đ−ợc, tiếng nổ đầu nòng vẫn còn nhiều các thành phần tần số cao, hoặc hài bậc cao ch−a bị suy giảm nhiều. Cần tăng khoảng cách giữa pháo và đầu thu xa nữa (trên 500m) để tiếng nổ đầu nòng khi bắn pháo 37 ly suy giảm lớn hơn trong thành phần tín hiệu thu đ−ợc, nhằm tạo thuận lợi cho việc phân tích, đánh giá kết quả . - Các kết quả phân tích phổ là cơ sở đề điều chỉnh các tham số bộ lọc đầu vào của thiết bị . - Trên cơ sở kết quả khảo sát có thể thiết kế một bộ thiết bị đo tham số độ chụm của đạn pháo 37 mm. Thủ tr−ởng cơ quan chủ trì đề tài Ng−ời viết báo cáo Chủ nhiệm đề tài PGS,TS Bạch Nhật Hồng Bộ quốc phòng trung tâm khoa học kỹ thuật & công nghệ quân sự ----------***---------- báo cáo tóm tắt đề tài "Nghiên cứu ứng dụng một số cảm biến siêu âm để thiết kế chế tạo hệ thống phát hiện, đo đạc các tham số vật bay trên không và thiết bị truyền tin d−ới n−ớc phục vụ kinh tế - x∙ hội, an ninh - quốc phòng." M∙ số: KC.01.24 Chủ nhiệm đề tài: Đại tá-PGS.TS. Bạch Nhật Hồng Hà nội, 5-2006 1 2 Thông tin chung về đề tài TAIFdANd 1. Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng một số cảm biến siêu âm để thiết kế chế tạo hệ thống phát hiện, đo đạc các tham số vật bay trên không và thiết bị truyền tin d−ới n−ớc phục vụ kinh tế - xã hội, an ninh - quốc phòng. 2. M∙ số: KC - 01-24 3. Thời gian thực hiện: 2 năm Từ tháng 04 năm 2004 đến tháng 04 năm 2006 4. Cấp quản lý: NN √ Bộ CS Tỉnh 5. Kinh phí: Tổng số: 1,8 tỷ đồng Trong đó, từ ngân sách SNKH: 1,8 tỷ đồng 6. Thuộc ch−ơng trình: "Nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ thông tin và truyền thông " m∙ Số: KC - 01 7. Chủ nhiệm đề tài: Họ và tên: Bạch Nhật Hồng Học hàm/học vị: Phó Giáo s− / Tiến sỹ Chức danh khoa học: Nghiên cứu viên cao cấp Điện thoại: (04) 7564988, 069 516132 (cơ quan) Fax: Không có Mobile: 0913505737 E.mail: Không có Địa chỉ cơ quan: Phố Hoàng Sâm - Đ−ờng Hoàng Quốc Việt - Cầu Giấy - Hà Nội Địa chỉ nhà riêng: Số 6 Tổ 3C Khu C2 - Phố Thái Hà - Đống Đa - Hà Nội 8. Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Điện tử - Viễn thông Trung tâm Khoa học kỹ thuật - Công nghệ quân sự, Bộ Quốc phòng Điện thoại: 04.7564988 E-mail: Địa chỉ: Phố Hoàng Sâm - Đ−ờng Hoàng Quốc Việt - Cầu Giấy - Hà Nội 3 dANH SáCH CáN Bộ THAM GIA Đề TàI TT Họ và tên Cơ quan công tác A Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Bạch Nhật Hồng Viện Điện tử - Viễn thông B Cán bộ tham gia nghiên cứu: 1 TS Nguyễn Thế Hiếu (Th− ký đề tài) Viện Điện tử - Viễn thông 2 TS Đinh Kim Dực Viện Điện tử - Viễn thông 3 TS Nguyễn Quý Sơn Viện Điện tử - Viễn thông 4 TS Trịnh Đăng Khánh Học Viện KTQS 5 Ths Vũ Ba Đình Viện Điện tử - Viễn thông 6 TS Nguyễn Duy Luyến Viện Điện tử - Viễn thông 7 TS D−ơng Tr−ờng Giang Bộ t− lệnh Đặc công 8 TS Phạm Thanh Hùng Viện Điện tử - Viễn thông 9 Ths D−ơng Quốc Doanh Bộ t− lệnh PKKQ 10 Ths Ngô Ngọc Anh Viện Điện tử - Viễn thông 11 Ks Vũ Hải Lăng Viện Điện tử - Viễn thông 12 Ks Trịnh Xuân Trung Viện Điện tử - Viễn thông 13 Ks Nguyễn Đăng Bốn Viện Điện tử - Viễn thông 14 Ks Nguyễn Ph−ơng Nam Viện Điện tử - Viễn thông 15 Ths Lê Minh Ngọc Viện Điện tử - Viễn thông 4 báo cáo tóm tắt đề tài 1.1. Mục tiêu của đề tài. Đề tài mã số KC01-24 có tên " Nghiên cứu ứng dụng một số cảm biến siêu âm để thiết kế chế tạo hệ thống phát hiện, đo đạc các tham số vật bay trên không và thiết bị truyền tin d−ới n−ớc phục vụ kinh tế - x∙ hội, an ninh - quốc phòng" có phạm vi nghiên cứu rất rộng trong lĩnh vực ứng dụng âm và siêu âm . Việc nghiên cứu tổng quan về lý thuyết và các ứng dụng âm và siêu âm trong quốc phòng và an ninh và các ngành kinh tế quốc dân là cần thiết. Tuy nhiên, để có đ−ợc sản phẩm khoa học là các trang thiết bị cụ thể gắn với các địa chỉ ứng dụng, đề tài đã xây dựng các mục tiêu nghiên cứu nh− sau: • ứng dụng một số loại cảm biến siêu âm để nghiên cứu chế tạo một hệ thống tự động đo đạc, tính toán độ chụm của đạn pháo phòng không cỡ nòng 37 mm. • ứng dụng kỹ thuật thuỷ âm để nghiên cứu, thiết kế chế tạo các thiết bị truyền tin d−ới n−ớc, tạo cơ sở ban đầu về kỹ thuật và công nghệ chế tạo các thiết bị thuỷ âm trong n−ớc, b−ớc đầu xây dựng cơ sở vật chất, trang bị một số ph−ơng tiện và máy đo cần thiết phục vụ kiểm tra, đánh giá thiết bị thuỷ âm. • Chế tạo hai loại thiết bị thuỷ âm truyền tin d−ới n−ớc: - Thiết bị có công suất lớn ( đặt trên tàu thuyền ), cự ly liên lạc từ vài trăm mét đến 10.000 mét. - Thiết bị có công suất nhỏ (trang bị cho ng−ời lặn , ở độ sâu đến 30m ), cự ly liên lạc từ vài chục mét đến 1000 mét. 1.2. Nội dung đề tài. 1.2.1. Nội dung tóm tắt. Để đạt đ−ợc các mục tiêu trên, đề tài phải thực hiện hai nội dung cơ bản sau: 5 • Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo một hệ thiết bị đo độ chụm của đạn pháo phòng không 37 mm trên cơ sở ứng dụng các loại cảm biến âm và siêu âm trong điều kiện công nghệ hiện có. • Nghiên cứu, thiết kế chế tạo một hệ thiết bị truyền tin d−ới n−ớc công suất nhỏ trang bị cho ng−ời lặn, có cự li liên lạc từ vài chục mét đến một ngàn mét và thiết bị truyền tin d−ới n−ớc công suất lớn trang bị trên tàu có cự li liên lạc từ vài trăm mét đến m−ời ngàn mét. 1.2.2. Nội dung nghiên cứu. • Phân tích lựa chọn một số loại cảm biến siêu âm và thuỷ âm đã có trên thị tr−ờng trong n−ớc và quốc tế, nắm bắt nguyên tắc hoạt động của các cảm biến siêu âm, quá trình xử lý và biến đổi tín hiệu trong chúng, khả năng ứng dụng và giá thành cụ thể. ™ Với hệ thống đo độ chụm đạn pháo phòng không: • Nghiên cứu các đặc tr−ng cơ bản của tín hiệu đ−ợc tạo bởi các vật bay siêu âm, cụ thể là một số loại đầu đạn bay trong không khí và sự lan truyền các sóng âm của chúng. • Nghiên cứu xác định các chỉ tiêu kỹ thuật, tính năng của hệ thống, kết cấu tổng thể và chi tiết của các thành phần trong hệ thống. • Nghiên cứu, từng b−ớc mô phỏng, tạo giả, chế tạo các modun trong các thiết bị của cả hệ thống. • Phối hợp, ghép nối, khảo sát thử nghiệm sự hoạt động của cả hệ thống đo độ chụm đạn pháo phòng không. • Đo đạc thử nghiệm và đánh giá. ™ Với hệ thống truyền tin d−ới n−ớc: • Nghiên cứu lý thuyết về sự truyền âm trong môi tr−ờng n−ớc biển, tạp âm môi tr−ờng, độ suy hao truyền sóng… • Nghiên cứu vật liệu và công nghệ vỏ hộp kín n−ớc, chịu áp suất cao, chống ăn mòn của n−ớc biển. 6 • Nghiên cứu về nguyên lý kết cấu, vật liệu, công nghệ chế tạo anten . • Xác định các chỉ tiêu kỹ thuật, tính năng của máy, kết cấu tổng thể và kết cấu chi tiết của từng phần trong thiết bị. • Nghiên cứu chế tạo các thiết bị ngoại vi (nguồn điện, tổ hợp nghe nói, kết cấu mang đeo…) cho ng−ời lặn khi sử dụng thiết bị truyền tin cá nhân ở d−ới n−ớc. • Thiết kế chi tiết phần mạch điện tử (các khối thu, phát, xử lý tín hiệu, bảo mật thông tin, nguồn cấp điện …) cho thiết bị. • Thiết kế các phần mềm cài đặt cho vi xử lý để quản lý và điều khiển thiết bị. • Nghiên cứu xác định các ph−ơng pháp đo và các máy đo kiểm tra cần có để đánh giá đ−ợc các chỉ tiêu kỹ thuật của thiết bị đ−ợc chế tạo. Đây là vấn đề rất cần thiết, vì hiện nay trong lĩnh vực thủy âm, ta ch−a có các thiết bị đo kiểm cũng nh− các thiết bị để thử nghiệm tối thiểu. 1.3. Các kếtt quả đạt đ−ợc: Trên cơ sở thực hiện mục tiêu, nội dung nghiên cứu cụ thể của đề tài, các kết quả đối với hai nhánh nghiên cứu chế tạo thiết bị nh− sau: 1.3.1. Nhánh thứ nhất: Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo độ chụm đạn pháo phòng không. ™ Độ chụm đạn pháo phòng không là một khái niệm dùng trong xạ kích pháo phòng không để đánh giá kết quả của loạt bắn. khi bắn pháo phòng không, th−ờng bắn cả loạt nhiều viên đạn từ một khẩu pháo hay cả trận địa pháo. Do đó để đánh giá kết quả xạ kích pháo phòng không ng−ời ta đánh giá độ chụm ( hay độ tập trung) của đạn pháo quanh điểm ngắm (bia). Độ chụm của đạn pháo đ−ợc tính theo các mức độ khác nhau tùy thuộc vào từng loại pháo. Với pháo phòng không 37mm có các cự li để tính toán độ chụm (R) sau: 3mm, 5mm, 7m, 10m. Độ chụm của đạn pháo ở cự ly R đ−ợc tính bằng tỷ số giữa số viên đạn phát hiện trong cự li R và số viên đạn bắn đi. Trong tr−ờng hợp không biết số viên đạn bắn đi, ng−ời ta có thể tính độ chụm bằng tỷ số giữa số viên đạn phát hiện trong cự li R và số viên đạn phát hiện đ−ợc của loạt bắn. 7 ™ Việc đo và tính toán độ chụm của đạn pháo phòng không dựa trên nguyên lý đo c−ờng độ của sóng va đập (shockwave) hình thành khi viên đạn bay qua đầu thu (để ở điểm ngắm). C−ờng độ sóng va đập tại vị trí đầu thu tỉ lệ thuận với khoảng cách từ đ−ờng đạn đến đầu thu. ™ Kết quả xây dựng hệ thống đo: Hệ thống đo gồm 2 trạm thiết bị: Trạm đo trên không và trạm đo mặt đất. Trạm đo trên không đ−ợc đặt trên mục tiêu ( máy bay hoặc khinh khí cầu) dùng để thu tín hiệu sóng va đập, xử lý sơ bộ lấy ra giá trị biên độ lớn nhất của sóng va đập do từng viên đạn bay qua đầu thu gây ra và gửi về trạm mặt đất. Trạm mặt đất thu nhận số liệu trạm trung tâm gửi về, tính toán khoảng cách từ viên đạn đến đầu thu trên cơ sở giá trị biên độ đỉnh của tín hiệu nhận đ−ợc. L−u giữ và hiển thị kết quả ra màn hình hoặc máy in. Sơ đồ khối của hệ thống nh− trên hình 1. Nguyên lý làm việc chung của hệ thống: Hệ thống đo độ chụm đạn pháo phòng không đã đ−ợc thiết kế theo nguyên lý xác định biên độ của tín hiệu thu đ−ợc từ đầu thu do sóng va đập tạo ra khi viên đạn bay qua vị trí đặt đầu thu. Sơ đồ khối đ−ợc thiết kế trên cơ sở các yêu cầu đặt ra trong mục 4.1, quyển 2 "Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật". Tín hiệu sóng va đập đ−ợc phát hiện bởi cảm biến điện động. Cảm biến có chức năng biến đổi sóng va đập thành tín hiệu điện. Sau đó tín hiệu điện đ−ợc khuếch đại và đ−a đến bộ lọc. Mạch lọc đ−ợc thiết kế để loại bỏ tạp âm tần số thấp và các tạp âm c−ờng độ thấp, nhằm mục đích loại bỏ tiếng nổ đầu nòng và tiếng nổ động cơ (khi thiết bị đ−ợc gắn trên máy bay mục tiêu). Tín hiệu đầu ra bộ lọc đ−ợc đ−a đến đầu vào ADC để chuyển thành tín hiệu số. Tốc độ ADC đ−ợc điều khiển bởi khối xử lý và điều khiển. Tín hiệu đầu ra ADC đ−ợc đ−a vào khối xử lý số. Nhiệm vụ của khối này là xử lý lấy biên độ đỉnh (giá trị lớn nhất) của tín hiệu thu đ−ợc. Kết quả giá trị biên độ đỉnh đ−ợc ghi vào bộ đệm. Bộ đệm và điều khiển thu phát có chức năng thu nhận, quản lý các giá trị biên độ đỉnh và đ−a vào modem phát, điều khiển modem phát và máy phát vô tuyến, phát bản tin để kiểm tra đ−ờng truyền. 8 Hình 1. Sơ đồ khối tổng thể hệ thống đo độ chụm đạn pháo phòng không. Trạm đo trên không KĐ Trạm đo trên không Cảm biến nhiệt độ và đo tốc độ gió Khối đo tham số khí t−ợng Trạm mặt đất Đầu thu Lọc ADC Bộ đệm và điều khiển phát MODEM Khối xử lý t−ơng tự Khối xử lý Máy phát VTĐ Khối xử lý số Máy thu VTĐMODEM Khinh khí cầu (hoặc máy bay mô hình) 9 Modem phát điều chế tín hiệu số đ−a vào máy phát vô tuyến điện. Máy phát vô tuyến điện có chức năng biến đổi tín hiệu sau điều chế của môdem thành tín hiệu sóng điện từ và truyền lan trong không gian. Cự ly truyền lan tuỳ theo công suất phát và môi tr−ờng truyền lan. Máy thu đặt tại trạm d−ới mặt đất thu đ−ợc tín hiệu sóng điện từ phát ra từ máy phát tại trạm đo trên không đ−ợc đ−a tới môdem giải điều chế thành tín hiệu số. Thiết bị giao tiếp với máy tính qua chuẩn giao tiếp RS232. Dữ liệu sau đó đ−ợc đ−a tới máy tính để phân tích số liệu tính toán ra độ chụm của các vòng cự ly t−ơng ứng. Tại máy tính, số liệu đ−ợc l−u trữ và tổng hợp đánh giá kết quả sau từng lần bắn. Kết quả bắn đ−ợc chỉ thị trên màn hình hoặc máy in. Ngoài ra, trạm mặt đất còn có khối đo và hiển thị tham số khí t−ợng phục vụ cho quá trình bắn kiểm tra và hiệu chỉnh pháo. ™ Một số nội dung kỹ thuật chính đề tài đã giải quyết: • Nghiên cứu bản chất sự hình thành và các công thức liên quan đến sự hình thành và lan truyền của sóng va đập, Tìm ra mối liên hệ giữa c−ờng độ sóng va đập với khoảng cách. Tiến hành nhiều đợt khảo sát thực tế để xác định dạng tín hiệu, đặc tr−ng tần số của sóng va đập và mối liên hệ với tiếng nổ đầu nòng. Quá trình khảo sát và báo cáo kết quả khảo sát đ−ợc trình bày kỹ trong mục 2.2 của tài liệu báo cáo khoa học. Đề tài đã công bố 01 bài báo khoa học về kết quả khảo sát sóng va đập hình thành khi bắn pháo phòng không. Các kết quả khảo sát thực nghiệm đ−ợc trình bày trong quyển I, phần II của báo cáo đề tài. • Giải quyết vấn đề thu đẳng h−ớng của đầu thu để đảm bảo độ chính xác của phép đo. Việc chế tạo đầu thu có giản đồ h−ớng t−ơng đối đồng đều trên mọi h−ớng là nội dung kỹ thuật khó, quyết định sự chính xác của phép đo khi đặt đầu thu lên mục tiêu bay. • Giải quyết vấn đề chống nhiễu cho hệ thống bằng các mạch lọc tích cực và thuật toán tách xung tín hiệu đỉnh trong ch−ơng trình của vi xử lý. • Vấn đề quan trọng nhất trong thiết kế trạm trên không là phải đo đ−ợc độ chụm khi có nhiều khẩu pháo bắn cùng lúc. Để làm đ−ợc điều này, khối xử lý phải tạo ra các xung hẹp có biên độ tỷ lệ với c−ờng độ của mặt sóng va đập đến đầu thu. 10 Đồng thời, sử dụng các thuật toán tính biên độ đỉnh và giới hạn ng−ỡng thời gian xử lý, ng−ỡng biên độ tín hiệu. Chi tiết trình bầy trong tài liệu “ Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật”, quyển II, mục 4.3. • Đối với trạm mặt đất để tính toán đ−ợc khoảng cách từ đ−ờng đạn đến đầu thu, cần phải có bộ tham số quy đổi. Nhóm đề tài đã tiến hành nhiều đợt khảo nghiệm để xây dựng bộ tham số này. Nội dung chi tiết về các kết quả thử nghiệm trình bầy trong quyển I, phần II. Một số tính năng chính của trạm trên không nh− sau: - Các mức đánh giá độ chụm pháo 37 mm: 3m, 5m, 7m, 10m. - Tốc độ đếm 200 viên/giây. - Số bít lấy mẫu 10 bít - Tốc độ lẫy mẫu ~50 KHz. - Tần số làm việc (136 ữ 174 ) Mhz - Giãn cách kênh 5 KHz - Độ nhạy máy thu 0,18 àv - Trở kháng anten 50 Ω - Công suất phát : Max 5W , Medium 1,5W, Min 0,5W - Nguồn một chiều 7,2 v 1650 mAh - Dòng tiêu thụ ở chế độ thu Cực đại: 100 mA. Tiết kiệm: 30 mA. - Dòng tiêu thụ ở chế độ phát Cực đại: 1,5 A.Tiết kiệm: 500 mA. - Nhiệt độ làm việc - 10 ữ70 0 C - Độ ẩm 0 ữ 85 % - Thời gian làm việc liên tục 5 giờ với pin 7,2 V - Kích th−ớc ( 152x82x740) mm - Khối l−ợng (Kể cả nguồn pin) 1Kg 11 Kết luận: * Nhánh 1 của đề tài đã tiến hành các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cần thiết, chế tạo đ−ợc 01 thiết bị đo độ chụm của đạn pháo phòng không đạt đ−ợc các chỉ tiêu đã đặt ra trong hợp đồng nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ số 24/2004/HĐ-ĐTCT-KC-01. Qua thử nghiệm cho thấy hệ thống thiết bị làm việc tốt và tin cậy. * Công bố 01 bài báo khoa học. * Hoàn thiện báo cáo khoa học và các tài liệu phục vụ nghiệm thu, bảo vệ. Một số sơ đồ và hình ảnh của hệ thống đo độ chụm đạn pháo phòng không: Hình 2. Trạm trên không của thiết bị đo độ chụm đạn pháo phòng không AntenĐầu thu Bo mạch xử lý t−ơng tự, xử lý số và modem Máy thu phát vô tuyến điện 12 Hình 3. Trạm mặt đất của thiết bị đo độ chụm đạn pháo phòng không. 13 Anten Thiết bị đo h−ớng và vận tốc gió Hình 4. Cột anten và thiết bị đo gió. 14 1.3.2. Nhánh thứ 2: Nghiên cứu chế tạo thiết bị truyền tin d−ới n−ớc 1.3.2.1 Nghiên cứu lý thuyết thủy âm Bao gồm các nội dung nghiên cứu quy luật truyền lan sóng âm trong n−ớc, các hiện t−ợng phản xạ, khúc xạ sóng âm. Đặc biệt, đề tài quan tâm nghiên cứu hiện t−ợng hấp thụ sóng âm khi truyền lan trong môi tr−ờng, khi phản xạ và tán xạ từ bề mặt các vật rắn có thể có trong môi tr−ờng truyền lan. Ngoài ra, sự phụ thuộc của thông tin liên lạc các tham số truyền lan sóng âm trong điều kiện đẳng nhiệt, trong điều kiện n−ớc nông, n−ớc sâu... cũng đ−ợc xem xét. Kênh âm là hiện t−ợng quan trọng trong thông tin siêu âm, tuy không phải bao giờ hiện t−ợng này cũng đủ điều kiện xuất hiện. Trong báo cáo cũng dành một mục nhỏ trình bày về bản chất vật lý của hiện t−ợng kênh âm, các điều kiện xuất hiện kênh âm và khả năng ứng dụng. Cũng trong phần này, đề tài còn trích dẫn một số kết quả khảo sát của các đề tài khác số liệu về thủy âm biển Việt nam. Kết quả đ−ợc trình bày chi tiết tại Phần 1, các mục từ 1.1 đến 1.7 của quyển 3, báo cáo Khoa học của đề tài. Kết quả nghiên cứu lý thuyết thủy âm là cơ sở quan trọng cho việc phân tích lựa chọn các tham số cần thiết phục vụ thiết kế máy thông tin thủy âm. 1.3.2.2 Nghiên cứu về anten thủy âm Anten thủy âm là chi tiết quan trọng quyết định chất l−ợng và hiệu quả của máy thông tin d−ới n−ớc. Kết quả nghiên cứu về anten thủy âm đ−ợc trình bày trong phần 2, quyển 3 của Báo cáo Khoa học. Sau phần trình bày các khái niệm cơ bản của anten thủy âm, báo cáo trình bày các kết quả nghiên cứu về mô hình biến đổi điện - âm, âm - điện của các bộ biến đổi điện tĩnh, điện động, áp điện và điện từ. Mục này còn trình bày sơ đồ điện t−ơng đ−ơng của các loại biến đổi nói trên. Trong mục 2.5 trình bày kết quả nghiên cứu về các vật liệu thông dụng dùng chế tạo các đầu thu phát siêu âm. Hai loại vật liệu đặc biệt đ−ợc quan tâm là từ giảo và gốm áp điện. Để chế tạo các đầu thu phát siêu âm công suất lớn, từ giảo là một lựa chọn tốt. Tuy nhiên gốm áp điện là vật liệu có nhiều −u thế khi chế tạo các đầu thu phát nhỏ, nhẹ dùng trong thiết kế các máy thông tin dùng cho ng−ời lặn 15 Kết thúc phần nghiên cứu về an ten thủy âm, trong báo cáo trình bày các yêu cầu cơ bản cho kết cấu của anten nhằm đạt đ−ợc hiệu suất biến đổi và phối hợp tốt nhất với môi tr−ờng dẫn âm là n−ớc. 1.3.2.3 Các ứng dụng cơ bản của thủy âm trong Quân sự Để phân tích, lựa chọn giải pháp thiết kế cho máy liên lạc thủy âm, Phần 3 trong quyển 3 của Báo cáo khoa học trình bày một tổng quan ngắn về các ứng dụng cơ bản của thủy âm trong Quân sự, phân loại các thiết bị thủy âm, các h−ớng −u tiên trong nghiên cứu phát triển thiết bị thông tin thủy âm nói chung và máy liên lạc thủy âm nói riêng. 1.3.2.4 Phân tích lựa chọn giải pháp thiết kế máy liên lạc thủy âm. Phần 4 của báo cáo khoa học trình bày một số quan điểm trong phân tích lựa chọn giải pháp thiết kế máy liên lạc thủy âm. Mục tiêu cơ bản cũng là yêu cầu cho các máy liên lạc thủy âm đề tài đã đặt ra là tổ chức liên lạc giữa các ng−ời lặn, giữa ng−ời lặn với máy đặt trên các ph−ơng tiện nổi (tàu, thuyền,...). Vì vậy hai loại máy cần làm việc trên cùng dải tần và cùng nguyên lý. Đề tài đã chọn các đầu thu phát siêu âm là gốm áp điện, −u tiên cho mục tiêu kích th−ớc nhỏ, khối l−ợng nhẹ, tiêu thụ ít điện năng nhằm kéo dài thời gian hoạt động an toàn d−ới n−ớc cho ng−ời lặn. Sơ đồ khối của thiết bị thông tin đ−ợc trình bày trên hình vẽ sau đây 16 Hình 5: Sơ đồ khối máy liên lạc thủy âm Nguồn nuôi đơn cực (pin hoặc acquy) 12-14v qua bộ biến đổi điện áp tạo ra điện áp có độ ổn định cao +3,3v và ±9v nuôi các khối chức năng, trừ hai khối công suất phát và công suất âm tần trong máy mặt n−ớc. Hai khối này do tiêu thụ công suất lớn nên đ−ợc nuôi trực tiếp từ nguồn vào không ổn định 12-14v. ở chế độ thu, siêu âm qua cảm biến (Transducer) đ−ợc chuyển thành tín hiệu điện, qua bộ tiền khuếch đại để đạt đ−ợc mức biên độ cần thiết cho các khối lọc thông dải, tách sóng, khôi phục biên và lọc tạp âm. Do tín hiệu thu đ−ợc là tín hiệu đã bị nén dải khi phát nên tại đây, ngoài việc lọc các tạp âm không cần thiết còn có quá trình làm giầu hài để tăng độ trung thực của tiếng nói. Sau đó tín hiệu đ−ợc khuyếch đại tới mức cần thiết để đ−a ra tai nghe cho máy ng−ời lặn hoặc loa cho máy mặt n−ớc. ở chế độ phát, tín hiệu từ microphone đ−ợc xử lý sơ bộ qua tiền khuếch đại và lọc thông dải âm tần đ−ợc đ−a sang điều chế đơn biên và nén dải (SSB). Đây là khối xử lý quan trọng nhằm đ−a độ rộng dải tín hiệu xuống d−ới 750Hz, một biên. Sau SSB tín hiệu đ−ợc khuyếch đại tới mức công suất cần thiết để nuôi cho Transducer. 17 Toàn bộ hoạt động của máy đ−ợc điều khiển qua bộ điều khiển số. Về điều khiển máy ng−ời lặn. Có 4 chức năng điều khiển tối thiểu: i. Chuyển mạch Thu – Phát; ii. Thay đổi âm l−ợng; iii. Chuyển kênh; iv. Lọc nhiễu. Do đặc thù làm việc trong môi tr−ờng n−ớc, ng−ời lặn cần thao tác dễ dàng, tin cậy, các thao tác vận hành điều khiển máy thông tin phải đơn giản. Do vậy các chức năng điều khiển đều thông qua một nút nhấn duy nhất. Hơn nữa, khi buông tay khỏi nút điều khiển, máy tự động chuyển về chế độ th−ờng trực thu sau một thời gian đủ ngắn. Về khả năng chống n−ớc và chịu áp lực cho các máy ng−ời lặn. Đây cũng là bài toán khó khi cần có một mẫu máy nhỏ, nhẹ. Tr−ớc mắt các sản phẩm thử nghiệm đang dùng vỏ đúc bằng composite, gồm hai phần lồng nhau: phần chống n−ớc đ−ợc thiết kế riêng biệt cho các khối chức năng (cảm biến và liên kết cảm biến - máy thu phát, khối nguồn) nằm trong và phần chịu va đập, áp lực bao ngoài. Về phân phối kênh. Để tổ chức thành mạng thông tin giữa máy mặt n−ớc với các nhóm ng−ời lặn khác nhau, giữa các máy mặt n−ớc với nhau, máy thủy âm đ−ợc thiết kế làm việc trên các kênh khác nhau, có dải tần làm việc phù hợp với dải tần các máy thông dụng trên thế giới. Vì vậy khoảng cách giữa các kênh rất hẹp (d−ới 1 kHz). Để thực hiện cả hai mục tiêu: điều khiển đơn giản và phân kênh dải hẹp, máy đ−ợc thiết kế theo nguyên lý điều chế đơn biên, sử dụng cả hai biên làm hai kênh (trên cơ sở chấp nhận mức nhiễu xuyên kênh đủ nhỏ). 1.3.2.5 Kết quả thực nghiệm Đề tài đã hoàn thành 4 mẫu, hai mẫu máy ng−ời lặn và hai mẫu máy mặt n−ớc. Các mẫu đã đ−ợc đo đạc thử nghiệm trong các điều kiện: i. Tổ chức thông tin ng−ời lặn – ng−ời lặn; ng−ời lặn – mặt n−ớc; mặt n−ớc – mặt n−ớc 18 ii. Thông tin n−ớc ngọt (sông, hồ) iii. Biển sâu, biển nông; biển lặng, biển động (sóng tới cấp 6). Ngoài các thử nghiệm phục vụ điều chỉnh tham số cho thiết bị, đề đã tài thực hiện 2 đợt thử nghiệm chính thức có giám sát của các cơ quan khác. Đợt 1 thực hiện tại biển Nha Trang vào ngày 26 tháng 12 năm 2006 có kết hợp cùng Phòng Đào tạo, Tr−ờng SQ CHKT Thông tin Nha Trang. Đợt 2 thực hiện ngày 1 tháng 3 năm 2006 tại Hồ Tây, Hà Nội với sự giám sát của Ban kế hoạch Viện Điện tử Viễn thông, Phòng Kế hoạch Trung tâm KHKT CNQS và Trung tâm Thử nghiệm Chất l−ợng, Cục TCĐLCL. (Kết quả thử nghiệm ghi trong Biên bản có kèm theo Tài liệu này và trong Quyển 3, Báo cáo Khoa học của đề tài) Kết quả thử nghiệm cho thấy: a. Các thiết bị chịu đ−ợc n−ớc biển, áp lực, va đập và kín n−ớc; b. Thời gian làm việc phụ thuộc nguồn nuôi. Khi dùng pin size AA thông th−ờng máy ng−ời lặn đáp ứng đ−ợc yêu cầu cho các ca lặn trung bình 60 phút. Thời gian làm việc kéo dài gấp đôi nếu dùng acquy dung l−ợng 1.65Ah. c. Cự ly liên lạc tin cậy khi tổ chức thông tin giữa ng−ời lặn với nhau và với máy chỉ huy (mặt n−ớc) không nhỏ hơn 200m ở điều kiện biển động (sóng cấp 6) và trên 1500m ở điều kiện biển lặng hoặc sông hồ. d. Các chỉ tiêu cơ bản khác đạt đ−ợc nh− dự kiến (xem Bảng đặc tr−ng kỹ thuật trang sau). Kết luận Các nội dung chính của nhánh 2 trong đề tài đã thực hiện gồm: * Tiến hành các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cần thiết; * Thiết kế, chế tạo đ−ợc 04 thiết bị mẫu; * Thử nghiệm và hoàn chỉnh thiết kế, sẵn sàng cho giai đoạn áp dụng thử hoặc sản suất loạt nhỏ; * Viết báo cáo khoa học và các tài liệu phục vụ nghiệm thu, bảo vệ; 19 ĐẶC TRƯNG KỸ THUẬT 1. Mỏy mặt nước: Model TA-00MN (SN: 0512361, 0512362) Cự ly liờn lạc (m) Sụng hồ hoặc biển lặng: khụng nhỏ hơn Súng biển cấp 6: khụng nhỏ hơn 2500 250 Cụng suất õm phần phỏt (Ỏt) 8 Dải thụng kờnh õm tần (Hz) 300-4000 Độ nhạy phần thu (dBm) -110 Tự động điều chỉnh hệ số KĐ (dB) 120 Dải tần cụng tỏc (kHz) 31-33 Độ ổn định tần số phỏt, (Hz), (fmax- fmin), khụng nhỏ hơn 10 Nguồn nuụi (vụn) 12 Cụng suất tiờu thụ (Ỏt) khụng lớn hơn: Chế độ chờ, nghe: Chế độ phỏt: 2 20 Cảnh bỏo nguồn yếu: Chuụng Cảm biến Thu-Phỏt Loại: Độ sõu tối đa: Gốm 50m Vỏ mỏy Kớch thước (D x R x C) mm: Vật liệu: 350 x 235 x160 Composite Khối lượng (kg): Pin: Acquy: 5,5 6,25 Điều kiện cụng tỏc Nhiệt độ (0C): Độ ẩm tương đối (%): 0-60 40-98 20 2. Mỏy người lặn Model TA-00DN (SN: 0512363, 0512364) Cự ly liờn lạc (m) Sụng hồ hoặc biển lặng: Súng biển cấp 6: 2000 200 Cụng suất õm õm phần phỏt (Ỏt) 3 Dải thụng kờnh õm tần (Hz) 300-4000 Độ nhạy phần thu (dBm) -110 Tự động điều chỉnh hệ số KĐ (dB) 120 Dải tần cụng tỏc (kHz) 31-33 Độ ổn định tần số phỏt, (Hz), (fmax- fmin), khụng nhỏ hơn 10 Nguồn nuụi (vụn) 12 Cụng suất tiờu thụ (Ỏt) khụng lớn hơn: Chế độ chờ, nghe: Chế độ phỏt: 1,5 15 Cảnh bỏo nguồn yếu: Chuụng Cảm biến Thu-Phỏt Loại: Độ sõu tối đa: Gốm 50m Vỏ mỏy Kớch thước (D x R x C) mm: Vật liệu: 165 x 130 x 70 Composite Khối lượng (kg): Pin: Acquy: 1,75 1,8 Điều kiện cụng tỏc Nhiệt độ (0C): Độ ẩm tương đối (%): 0-60 40-98 21 Một số hỡnh ảnh của hệ thống thụng tin dưới nước: Hình 6: Máy mặt n−ớc và phụ kiện 22 Hình 7: Máy ng−ời lặn và các phụ kiện 23 Hình 8: Bộ điều khiển vi xử lý dùng trong máy ng−ời lặn