[Tóm tắt] Luận án Nghiên cứu giải pháp đảm bảo khả năng làm việc ổn định của kênh liên lạc thủy âm

O O O Q P N V N O V N N QU N S ------------------------------ LÊ M N N N ÊN ỨU Ả P ÁP ĐẢM BẢO Ả NĂN L M V ỔN ĐỊN Ủ ÊN L ÊN LẠ T ỦY M n n nh : Vật lý vô t ến v Điện tử M : 62 44 01 05 T M T T LU N ÁN T N S V T LÝ H Nội - 2015 Công trình được hoàn thành tại: Viện oa ọc v ôn n ệ q ân ự/Bộ Q c p òn Người hướng dẫn khoa học: 1. TS Chu Xuân Quang TS N n D L ến Phản biện 1: S TS N n Ái Việt iện àn lâm Khoa học và ông nghệ iệt Nam Phản biện 2: P S TS Vũ n P i ại học Quốc gia à Nội Phản biện 3: P S TS N n o n ọc viện Kỹ thuật quân sự Luận án được bảo vệ trước ội đồng chấm luận án cấp iện K -CN quân sự họp tại iện Khoa học và ông nghệ quân sự ào hồi ........ giờ .......... ngày ........... tháng 7 năm 2015 Có thể tìm hiểu luận án tại: - T ư viện Viện oa ọc v ôn n ệ q ân ự; - T ư viện Q c ia Việt Nam. 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của việc nghiên cứu đề tài luận án. Trong những năm gần đây, nền khoa học và công nghệ thế giới đã có nhiều bước phát triển vượt bậc. Trên mặt đất và trên không, hạ tầng thông tin liên lạc đã có những bước phát triển. Tuy nhiên dưới nước, vấn đề thông tin liên lạc vẫn còn khá mới mẻ và là thế mạnh của một số ít quốc gia phát triển. Trong lĩnh vực dân sự, do không cần tính chất bí mật, bất ngờ nên có thể lựa chọn kênh liên lạc, thời điểm và điều kiện truyền sóng tối ưu. Tuy nhiên trong điều kiện tác chiến quân sự, không phải lúc nào kênh liên lạc cũng đặt trong điều kiện truyền sóng thuận lợi nên độ bất định tiên nghiệm tín hiệu rất lớn và do đó việc sử dụng máy liên lạc thủy âm thông thường (hệ đơn anten) là khó khả thi. Vấn đề đặt ra đối với các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực thu-phát truyền tin cần phải có những nghiên cứu để ứng dụng mạng anten thủy âm cho các trang bị quân sự để có thể hoạt động được trong những điều kiện phức tạp mà vẫn đảm được hoàn thành nhiệm vụ Theo lý thuyết thủy âm, phân bố vùng sáng-tối âm trong trường thủy âm phụ thuộc vào mặt cắt không gian bao quanh máy thu [41]. Tồn tại nhiều vùng trong không gian là vùng sáng âm đối với mặt cắt này nhưng lại là vùng tối âm đối với mặt cắt khác, gọi là những vùng mờ [78]. Việc tăng cường khả năng làm việc của máy liên lạc ở vùng này hiện ít được quan tâm nghiên cứu cả trong và ngoài nước. Vì vậy việc nghiên cứu giải pháp tăng cường khả năng thu nhận tín hiệu máy liên lạc thủy âm tại các vùng tối âm và vùng mờ âm có giá trị khoa học cao và ứng dụng to lớn cho các máy liên lạc thủy âm quân sự, góp phần tăng cường khả năng ổn định kênh liên lạc thủy âm trong các điều kiện môi trường phức tạp khác nhau, đảm bảo cho thông tin dưới nước được thông suốt. 2. Mục tiêu của luận án. Nghiên cứu, xây dựng và giải quyết bài toán đảm bảo khả năng làm việc ổn định của kênh liên lạc thủy âm trên cơ sở lý thuyết tia và các kỹ thuật về anten mạng pha. 3. Nội dung nghiên cứu của luận án. Luận án gồm 3 chương: - Chương 1: Tổng quan về lý thuyết thủy âm biển và bài toán mất ổn định của kênh liên lạc thủy âm. 2 Trình bày các vấn đề tổng quan về thủy âm biển, các thành tựu mới nhất trong lĩnh vực thông tin thủy âm và vấn đề mất ổn định của kênh liên lạc thủy âm khi điều kiện truyền sóng thay đổi. - Chương 2: Giải pháp tăng cường cự ly kênh liên lạc thủy âm sử dụng anten mạng pha. Chương này đưa ra tính toán lý thuyết các dạng trường âm thường gặp và nhận định tham số góc thoát, góc tới tia âm là yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến cự ly liên lạc. Từ đó đề xuất giải pháp thay đổi góc thoát, góc tới tia âm bằng cách sử dụng anten thủy âm mạng pha; đồng thời cũng trình bày thực nghiệm xây dựng mô hình mạng anten thủy âm gốm áp điện 8 phần tử điều chỉnh được. - Chương 3: Hiệu quả tăng cường tỷ số tín hiệu/tạp âm của kênh liên lạc thủy âm sử dụng anten mạng pha. Chương này đề xuất một mô hình kênh liên lạc thủy âm cố định từ điểm đến điểm giữa hai thiết bị liên lạc thủy âm dựa theo tính toán lý thuyết. Các điều kiện truyền âm và giới hạn biên được tính toán trên cơ sở bộ dữ liệu về trường âm khu vực biển Quy Nhơn năm 2002 của trạm thủy hải văn thành phố Quy Nhơn, từ đó tham chiếu thành mô hình tương đương trong môi trường MATLAB để tính toán tỷ số S/N ở đầu ra máy thu trong hai trường hợp dùng anten vô hướng và dùng anten mạng pha 8 phần tử. Phương pháp: - Phân tích lý thuyết: từ lý thuyết thuỷ âm xây dựng cơ sở khoa học cho giải pháp đảm bảo khả năng làm việc ổn định thông qua tăng cường các tham số cự ly và tỷ số S/N của kênh liên lạc thủy âm. - Mô phỏng và khảo sát: đánh giá tác động của các tham số ảnh hưởng tới khả năng làm việc ổn định của kênh liên lạc thủy âm. - Tính toán mô phỏng để đánh giá hiệu quả giải pháp đối với một tuyến kênh liên lạc thủy âm cơ bản. Kết cấu luận án: Luận án được trình bày trong 135 trang khổ A4 bao gồm mở đầu, 3 chương, kết luận, danh mục các bài báo đã công bố và tài liệu tham khảo. 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT THỦY ÂM BIỂN VÀ BÀI TOÁN MẤT ỔN ĐỊNH CỦA KÊNH LIÊN LẠC THỦY ÂM 1.1. Lý thuyết thủy âm biển. 1.1.1. Các đặc trưng dẫn âm của môi trường biển. Truyền âm trong môi trường đồng nhất không có hấp thụ được mô tả bằng phương trình truyền âm [41]: 2 2 2 2 p c p t     . (1.1) Trong đó: p - áp suất âm(Pa); c - vận tốc âm (m/s). Khi nghiên cứu về mối quan hệ giữa vận tốc âm và một số tham số của nước biển, người ta thường sử dụng công thức thực nghiệm đơn giản [78]: 3 2 2 2 2 1492,9 3( 10) 6 10 ( 10) 4 10 ( 18) 1,2( 35) 10 ( 18)( 35) / 61, c T T T S T S z                    (1.2) Trong đó: T - Nhiệt độ nước biển (0C); S - Độ mặn nước biển (‰); z - độ sâu khảo sát (m). 1.1.2. Đặc tính suy giảm âm trong biển. Hệ số suy giảm có thể được tính bằng công thức Marsh và M. Schulkin [29]:   2 2 2 2 4 2 2 2,03 10 2,93 10 1 6,54 10T T T Sf f f P f f f             , (1.3) Trong đó:  - hệ số suy giảm (dB/km); S - độ mặn của nước biển (‰); f - tần số tín hiệu thủy âm (kHz); P - áp suất tĩnh của nước biển (atm); Tf - hàm nhiệt độ 6 1520/( 273)21,9 10 TTf    ; T - nhiệt độ nước biển (0C). 1.1.3. Các phương pháp đánh giá mô hình truyền âm trong biển. - Phương pháp âm học sóng: Cơ sở của phương pháp là giải phương trình sóng (1.1) với các điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho trước [41], [42]. - Phương pháp sử dụng lý thuyết tia: Lý thuyết tia là giải pháp tiệm cận của lý thuyết sóng và có kết quả chính xác khi f  ( 0 ), nghĩa là tần số càng cao sẽ cho kết quả càng chính xác [78]. 4 1.2. Các yếu tố tác động đến kênh liên lạc thủy âm. 1.2.1. Các yếu tố tác động đến kênh liên lạc thủy âm. - Không gian truyền: Khi truyền âm trong vùng biển sâu luôn tồn tại các vùng sáng âm và vùng tối âm. Khi vận tốc âm thay đổi thì vị trí các vùng tối âm và vùng sáng âm cũng thay đổi, gây ra hiện tượng mất ổn định trong truyền âm biển và đến nay vẫn chưa có giải pháp nào khắc phục cơ bản hiện tượng trên. - Các yếu tố khác như nhiễu nội của thiết bị thu tín hiệu thuỷ âm, tạp âm biển, nhiễu vang, hiện tượng xâm thực bọt khí, hiệu ứng Doppler.... 1.2.2. Phân chia dải tần-khoảng cách trong liên lạc thủy âm. Bảng 1.1. Băng tần tín hiệu liên lạc thủy âm phân chia theo khoảng cách. Khoảng cách liên lạc Cự ly (Km) Dải tần (kHz) Rất xa 1000 <1 Xa 10-100 2-5 Vừa 1-10 ≈ 10 Ngắn 0,1-1 20-50 Rất ngắn 100 1.3. Tình hình nghiên cứu tăng cƣờng khả năng ổn định kênh liên lạc thủy âm trên thế giới và trong nƣớc. 1.3.1. Giải pháp sử dụng máy thu đa kênh. Đặc trưng của hệ thống thủy âm đa kênh là sử dụng nhiều kênh thu phát tín hiệu đồng thời. Các phần tử anten là các phần tử định hướng. Nghiên cứu [17] sử dụng kỹ thuật IMED cho một máy thu 20 kênh, làm việc với tín hiệu điều chế QPSK tốc độ 46,7 kbps tại tần số sóng mang 100 kHz trong kênh nước nông. Kết quả đã cho khoảng cách truyền tối đa đo đạc được là 530 m với đường cong tỷ số lỗi bít (Bit-Error-Rate: BER) như minh họa trong hình 1.1. Hình 1.1. Đường cong BER ước lượng cho máy thu 20 kênh sử dụng kỹ thuật IMED. 5 1.3.2. Giải pháp sử dụng tín hiệu điều chế. - Sử dụng tín hiệu điều chế không tương can NCM (Non-Coherent Modulation). - Sử dụng giải điều chế tương can pha PCD (Phase-Coherent Detection). 1.3.3. Giải pháp truyền đa kênh kết hợp với xử lý tín hiệu phức tạp. Đây là giải pháp kết hợp ưu điểm của giải pháp sử dụng máy thu đa kênh và giải pháp sử dụng tín hiệu điều chế.Các nghiên cứu [24], [28] theo giải pháp này tại tần số mang 880 Hz, cho cự ly liên lạc theo tính toán tới 100 km. Kết quả tính toán được tách riêng cho trường hợp vận tốc âm có gradient không đổi (Invariable Sound Velocity Gradients: ISVG) và trường hợp vận tốc âm có gradient âm (Negative Sound Velocity Gradients: NSVG). Đường cong BER cho hai trường hợp này như minh họa trong hình 1.2. Hình 1.2. Đường cong BER cho kênh liên lạc thủy âm ISVG (a) và NSVG (b). 1.3.4. Giải pháp kết hợp pha Giải pháp kết hợp pha PC(Phase – Conjugation) sử dụng mạng các máy phát và mạng các máy thu cho kênh truyền tín hiệu thủy âm. Máy phát sử dụng giải pháp pha chủ động APC (Active Phase – Conjugation), còn máy thu sử dụng giải pháp pha thụ động PPC (Passive Phase – Conjugation). Giải pháp PPC khi kết hợp với phương pháp thu tín hiệu đảo dạng TRM có thể cho khoảng cách liên lạc rất xa, có thể đến 900 km[59]. 1.4. Sự thay đổi vận tốc âm và tính bất ổn định của tín hiệu thủy âm. 1.4.1. Trường hợp kênh liên lạc được đặt trong sơ đồ truyền ống dẫn sóng. a) b) 6 Mô tả đường vận tốc âm đã tuyến tính hóa như trong hình 1.3a, biên giới hạn kênh thủy âm như trong hình 1.3b. Hình 1.3. Kênh liên lạc đặt trong sơ đồ truyền ống dẫn sóng. 1.4.2. Trường hợp kênh liên lạc được đặt trong sơ đồ truyền phản ống dẫn sóng. Đường cong vận tốc âm tuyến tính hóa và giới hạn kênh liên lạc thủy âm như minh họa trong hình 1.4. Hình 1.4. Kênh liên lạc đặt trong sơ đồ truyền phản ống dẫn sóng. 1.4.3. Tính mất ổn định của tín hiệu thủy âm khi đường cong vận tốc âm thay đổi . Biểu diễn cả hai sơ đồ hình 1.3 và 1.4 trên cùng trục tọa độ, ta được minh họa của kênh liên lạc thủy âm trong trường hợp có sự thay đổi sơ đồ truyền âm như trong hình 1.5. Từ hình 1.5 ta thấy có 4 vùng có thể có hoặc không có tín hiệu âm tương ứng với từng sơ đồ truyền âm: Vùng A (phần chấm): luôn có tín hiệu âm; Vùng B (phần gạch chéo đứt nét): Chỉ có tín hiệu âm với sơ đồ truyền ống dẫn sóng; Vùng C (phần lưới vuông): Không có tín hiệu âm; Vùng D (phần caro): Chỉ có tín hiệu âm với sơ đồ truyền phản ống dẫn sóng; Như vậy vùng B và C có thể có z0 z r1 x 0 z0 Vùng sáng âm Vùng tối âm c1 c0 0 r2 c α1 α2 r z0 z r1 x 0 z0 Vùng sáng âm Vùng tối âm c1 c0 0 r2 c α1 α2 r 7 tín hiệu hoặc không tùy thuộc vào sơ đồ truyền nên được gọi là vùng xám. Và do đó, cự ly của kênh liên lạc thủy âm có thể đạt tối đa đến hơn 8,74 km nhưng cũng có thể chỉ đạt tối đa 2,13 km. Hình 1.5. Kênh liên lạc thủy âm trong trường hợp có sự thay đổi sơ đồ truyền âm. CHƢƠNG 2 GIẢI PHÁP TĂNG CƢỜNG CỰ LY KÊNH LIÊN LẠC THỦY ÂM SỬ DỤNG ANTEN MẠNG PHA 2.1. Mối quan hệ giữa cự ly liên lạc và góc thoát tia âm trong kênh âm sâu. 2.1.1. Quỹ đạo tia âm. Hình 2.1. Quỹ đạo tia âm khi gradient vận tốc âm không đổi. Giả sử có một nguồn phát âm đặt tại độ sâu 0z , có quỹ đạo tia âm và đường cong vận tốc âm tương ứng như trong hình 2.1.Khi đó khoảng cách tia âm được tính: 2 2 0 0 0 0 1 sin 1 1 ( ) cos cos r a z z a a             . (2.1) 8,74 6,88 2,13 0,57 0,73 3,8 x(km) 0,2 0 z (km) 1,5 A B C D 0 0 8 2.1.2. Khảo sát khoảng cách truyền âm theo góc thoát tia âm. Luận án đã dựng được đường cong vận tốc âm đã tuyến tính hóa cho 3 sơ đồ truyền âm thường gặp như trong hình 2.2. Hình 2.2. Đường cong vận tốc âm tuyến tính hóa với các sơ đồ truyền âm khác nhau:Truyền âm bề mặt (a); Truyền âm ống dẫn sóng (b); Truyền âm phản ống dẫn sóng(c) 2.1.3. Kết quả khảo sát. a) Sơ đồ truyền âm bề mặt (hình 2.3) b) Sơ đồ truyền âm ống dẫn sóng - Trường hợp điểm phát và điểm thu nằm phía trên trục kênh âm (hình 2.4); - Trường hợp điểm phát và điểm thu nằm phía dưới trục kênh âm(hình 2.5); c) Sơ đồ truyền âm phản ống dẫn sóng(hình 2.6): Hình 2.3. Cự ly liên lạc phụ thuộc góc thoát của tia âm trong sơ đồ truyền âm bề mặt: Hình 2.4. Cự ly liên lạc phụ thuộc góc thoát của tia âm trong sơ đồ truyền âm ống dẫn sóng khi điểm phát và điểm thu nằm trên trục kênh âm. a) b) c) 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 1000 1020 1040 1060 1080 1100 1120 1140 1160 1180 1200 Goc thoat (rad) C u l y ( m ) Su phu thuoc cua cu ly truyen vao goc thoat 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.98 1 1.02 1.04 1.06 1.08 1.1 1.12 1.14 1.16 1.18 x 10 4 Goc thoat (rad) C u l y ( m ) Su phu thuoc cua cu ly truyen vao goc thoat 9 Hình 2.5. Cự ly liên lạc phụ thuộc góc thoát của tia âm trong sơ đồ truyền âm ống dẫn sóng khi điểm phát và điểm thu nằm dưới trục kênh âm. Hình 2.6. Cự ly liên lạc phụ thuộc góc thoát của tia âm trong sơ đồ truyền âm phản ống dẫn sóng. 2.2. Mạng anten thủy âm và phƣơng pháp điều khiển giản đồ hƣớng không gian. 2.2.1. Anten thủy âm và đặc trưng hướng trong không gian. Xét theo tính định hướng, tham số đặc trưng anten là giản đồ hướng không gian, được biểu diễn bằng công thức: max ( , ) ( , ) A R A      , (2.2) Trong đó: ,  - góc tà và góc phương vị trong không gian biểu diễn giản đồ hướng; ( , )R   - giản đồ hướng chuẩn hoá; ( , )A   - giá trị đo được tại hướng có tọa độ ( , )  ; 2.2.2. Mạng anten thủy âm và khả năng điều chỉnh đặc trưng hướng không gian bằng phương pháp điều chỉnh pha các phần tử. Hình 2.7. Cấu trúc của một mạng anten thủy âm tuyến tính phẳng điều khiển giản đồ hướng theo nguyên tắc điều chỉnh pha các phần tử 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4 x 10 4 Goc thoat (rad) C u l y ( m ) Su phu thuoc cua cu ly truyen vao goc thoat 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 7 7.2 7.4 7.6 7.8 8 8.2 8.4 x 10 4 Goc thoat (rad) C u l y ( m ) Su phu thuoc cua cu ly truyen vao goc thoat z x . 1 2 3 i n ( 1).L n d   b d 10 Cấu trúc của một mạng anten thủy âm tuyến tính phẳng điều khiển giản đồ hướng theo nguyên tắc điều chỉnh pha từng phần tử như minh họa trong hình 2.7. 2.3. Điều khiển góc thoát tia âm khỏi nguồn phát và góc tới tia âm tại điểm thu thông qua điều khiển giản đồ hƣớng không gian anten thủy âm. 2.3.1. Quan hệ giữa góc thoát tia âm (hoặc góc tới máy thu thủy âm) và góc cực đại chính trong giản đồ hướng không gian của mạng anten thủy âm. Khi 2 d   và b = 0, vị trí cực đại chính sẽ là: ( ) ax 2 1 arcsinim i n         (2.3) Góc thoát và góc tới tia âm  trong các kết quả khảo sát ở mục 2.2 sẽ đổi thành giá trị  khi sử dụng tính toán trong mạng anten: 2     (2.4) 2.3.2. Khảo sát khả năng điều khiển góc thoát, góc tới tia âm thông qua điều khiển pha đặt vào từng phần tử mạng anten thủy âm. a. Khảo sát sự phụ thuộc của giản đồ hướng không gian mạng anten thủy âm vào số phần tử anten. Luận án đã tiến hành khảo sát mạng anten thủy âm theo số phần tử anten để tìm hiểu ảnh hưởng của chúng tới giản đồ hướng không gian của mạng ở một số điều kiện nhất định như hình 2.8. Hình 2.8. Đặc trưng hướng không gian của mạng anten thủy âm với số phần tử khác nhau: a) 4n  ; b) 8n  ; c) 12n  . b. Khảo sát khả năng điều khiển giản đồ hướng không gian mạng anten thủy âm 8 phần tử. 0.2 0.4 0.6 0.8 1 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 0 Gian do huong mang anten thuy am tuyen tinh 8 phan tu 0.2 0.4 0.6 0.8 1 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 0 Gian do huong mang anten thuy am tuyen tinh 4 phan tu 0.2 0.4 0.6 0.8 1 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 0 Gian do huong mang anten thuy am tuyen tinh 12 phan tu a) b) c) 11 Luận án đã lựa chọn mạng anten thủy âm 8 phần tử làm đối tượng khảo sát và việc khảo sát chỉ thực hiện trong mặt phẳng tà hoặc hoặc phương vị. Một vài kết quả với 0 010 30   như trong hình 2.9 Hình 2.9. Đặc trưng hướng không gian của mạng anten thủy âm 8 phần tử khi vị trí góc cực đại 1 thay đổi. 2.4. Tín hiệu truyền trên kênh liên lạc thủy âm. 2.4.1. Tín hiệu băng gốc. - Tín hiệu thoại. - Tín hiệu điều chế số. 2.4.2. Tín hiệu băng thông. Tín hiệu băng gốc cần phải được điều chế với sóng mang có tần số phù hợp với anten thủy âm để truyền ra môi trường. Dạng tín hiệu này được gọi là tín hiệu băng thông (Bandpass Signals: BP). 2.4.3. Tín hiệu tương đương băng gốc. Tín hiệu tương đương băng gốc là tín hiệu thu được sau quá trình giải điều chế sóng mang tại máy thu trong kênh liên lạc thủy âm. 2.4.4. Băng tần tín hiệu trong kênh liên lạc thủy âm. Quá trình truyền tín hiệu từ nơi phát đến nơi thu sử dụng kênh liên lạc thủy âm làm thay đổi băng tần tín hiệu. Hình 2.10 mô tả quá trình chuyển đổi tần số của tín hiệu băng gốc trong quá trình liên lạc. 0.2 0.4 0.6 0.8 1 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 0 Gian do huong mang anten thuy am tuyen tinh 8 phan tu, goc bu pha 10 do 0.2 0.4 0.6 0.8 1 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 0 Gian do huong mang anten thuy am tuyen tinh 8 phan tu, 30 do 0.2 0.4 0.6 0.8 1 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 0 Gian do huong mang anten thuy am tuyen tinh 8 phan tu, goc bu ph 20 do 12 Hình 2.10. Minh họa biến đổi băng tần tín hiệu trong kênh liên lạc thủy âm. 2.4.5. Yêu cầu đối với dải thông anten thủy âm. Giả sử tần số tối đa tín hiệu băng gốc cần truyền là 0f thì khi có điều chế sóng mang, tần số tối đa tín hiệu băng thông có thể được điều chế theo định lý Nyquist-Shannon[31]: 02cf f (2.5) 2.5. Thực nghiệm thiết kế chế tạo mạng anten thủy âm 8 phần tử điều khiển giản đồ hƣớng theo pha. 2.5.1. Thiết kế mạng anten thủy âm gốm áp điện 8 phần tử. a. Phần tử anten thủy âm. Hình 2.11. Hình dạng và đáp ứng tần số hai mẫu anten gốm áp điện: loại TCA-35 (a) và loại P3 (b). Điều chế sóng mang Anten thủy âm phát Bit nguồn Lọc dải thông Tín hiệu băng gốc Tín hiệu băng thông Tín hiệu băng thông f x(f) fc Anten thủy âm thu Máy phát Kênh truyền f x(f) fc Lọc dải thông Tín hiệu băng thông Giải điều chế Tín hiệu băng thông f x(f) fc Bit đích Tín hiệu tương đương băng gốc Máy thu f |S(f)| f |x(f)| fc -fc fS -fS f |S*(f)| fS -fS f |x(f)| fc -fc b) a) anten thủy âm gốm áp điện Dây đo 13 Tại Việt Nam hiện nay có hai loại anten thủy âm gốm áp điện là loại do Z181/Tổng cục CNQP sản xuất và loại nhập ngoại sử dụng cho các mục đích khác nhau như anten máy điện thoại dưới nước, anten SONAR.... Luận án đã chọn mẫu anten thủy âm gốm áp điện loại miếng vuông P3 làm phần tử để xây dựng mạng anten thủy âm. Đặc trưng hướng của phần tử anten gốm áp điện tại tần số 33f kHz như sau: Hình 2.12. Giản đồ hướng phần tử anten gốm áp điện: a) Biểu diễn trong mặt phẳng tà; b) Biểu diễn trong mặt phẳng phương vị b. Mạng anten thủy âm gốm áp điện 8 phần tử. Luận án đã thiết kế được một mô hình mạng anten thủy âm 8 phần tử. như minh họa trong hình 2.13. Hình 2.13. Mô hình mạng anten thủy âm gốm áp điện 8 phần tử. 2.5.2. Thiết kế bộ điều khiển pha cho anten thủy âm gốm áp điện 8 phần tử. - Mạch điều khiển pha ở chế độ phát: Sơ đồ chức năng mạch điều khiển pha ở chế độ phát được minh họa trong hình 2.14. Các phần tử transducer U(V) U(V) b) a) 14 Hình 2.14. Sơ đồ khối chức năng mạch điều khiển dịch pha dùng cho chế độ phát. - Mạch điều khiển pha ở chế độ thu: Sơ đồ chức năng mạch điều khiển pha ở chế độ thu như minh họa trong hình 2.15. Hình 2.15. Sơ đồ khối chức năng mạch điều khiển dịch pha dùng cho chế độ thu. Khối điều khiển pha tín hiệu thu Khối khuếch đại thuật toán và AD Điều khiển pha Lệnh điều khiển Tín hiệu thu (số) Dịch pha số 1 Dịch pha số 2 Dịch pha số 8 ADC 1 ADC 2 ADC 8 KĐTT 1 KĐTT 2 KĐTT 8 Mạng anten thủy âm Phần tử 1 Phần tử 2 Phần tử 8 Tổng hợp tín hiệu Tín hiệu đồng bộ Khối điều khiển pha tín hiệu phát Điều khiển pha Lệnh điều khiển Tín hiệu phát (số) Dịch pha số 1 Dịch pha số 2 Dịch pha số 8 DAC 1 DAC 2 DAC 8 Khối khuếch đại công suất KĐCS 1 KĐCS 2 KĐCS 8 Mạng anten thủy âm Phần tử 1 Phần tử 2 Phần tử 8 Tín hiệu đồng bộ 15 Bộ điều khiển dịch pha và dịch pha số cho cả hai chế độ thu và phát được tích hợp chung trên một bo mạch FPGA. Lưu đồ thuật toán hình 2.16 thực hiện chức năng dịch pha tín hiệu ra theo địa chỉ đặt sẵn trong ROM với số lượng đầu ra là 8 và bước dịch pha là 100 trong khoảng (0-π). Hình 2.16. Lưu đồ thuật toán mạch điều khiển dịch pha mạng anten thủy âm. 2.5.3. Khảo sát giản đồ hướng không gian mô hình anten thủy âm mạng pha. a. Khảo sát với tín hiệu điều hòa. Kết quả đo đạc giản đồ hướng mô hình mạng anten thủy âm gốm áp điện 8 phần tử đã chế tạo khi độ lệch pha đặt vào các phần tử lần lượt là 00 và 300 như trong hình 2.17 và 2.18. Dịch pha số dữ liệu tại bộ đệm kênh i theo giá trị tại Add i=i+1 Bắt đầu i=8 Đẩy dữ liệu ra mạng anten phát (hoặc vào bộ tổng hợp tín hiệu thu) Dừng chương trình ? Kết thúc Sai Đúng Sai Đúng Cho phép dữ liệu vào/ra bộ đệm kênh i Nhận lệnh truy cập mảng ROM theo địa chỉ Add; i=1 16 Hình 2.17. Giản đồ hướng mạng anten thủy âm gốm áp điện 8 phần tử trong trường hợp tín hiệu đặt vào các phần tử đồng pha: a) Giản đồ hướng trong mặt phẳng tà (đo tại hướng 00 trong mặt phẳng phương vị); b) Giản đồ hướng trong mặt phẳng phương vị. Hình 2.18. Giản đồ hướng mạng anten thủy âm gốm áp điện 8 phần tử trong trường hợp tín hiệu đặt vào các phần tử dịch pha 300: a) Giản đồ hướng trong mặt phẳng tà (đo tại hướng 00 trong mặt phẳng phương vị); b) Giản đồ hướng trong mặt phẳng phương vị. b. Khảo sát với tín hiệu điều chế QPSK. Từ các kết quả thu được, biểu diễn tỷ số SNR tại anten thủy âm thu trên mặt phẳng phương vị, ta được các kết quả như trong hình 2.19. a) b) U(V) U(V) a) b) U(V) U(V) 17 Hình 2.19. Biểu diễn tỷ số SNR của kênh thủy âm trên mặt phẳng phương vị. a) Trường hợp góc lệch pha 00 b) Trường hợp góc lệch pha 300 CHƢƠNG 3 HIỆU QUẢ TĂNG CƢỜNG TỶ SỐ TÍN HIỆU/TẠP ÂM CỦA KÊNH LIÊN LẠC THỦY ÂM SỬ DỤNG ANTEN MẠNG PHA 3.1. Kênh liên lạc thủy âm. 3.1.1. Mô hình không gian kênh liên lạc thủy âm. Mô hình kênh liên lạc thủy âm đã minh họa trong hình 3.1 Hình 3.1. Mô hình không gian kênh liên lạc thủy âm. Máy phát A z0 z1 B h α1 α2 0 x x0 x1 Máy thu r a) b) SNR(dB) SNR(dB) 18 3.1.2. Sơ đồ khối chức năng máy phát. Để phục vụ tính toán, trong phần này luận án sử dụng máy phát điều chế tín hiệu QPSK có sơ đồ chức năng [2], [7] như trong hình 3.2. Hình 3.2. Sơ đồ chức năng máy phát tín hiệu QPSK 3.1.3. Sơ đồ khối chức năng máy thu. Sơ đồ chức năng máy thu được minh họa trong hình 3.3. Hình 3.3. Sơ đồ chức năng máy thu 3.1.4. Mạng transducer gốm áp điện. a. Phương pháp điều khiển tối ưu mạng transducer gốm áp điện. Việc điều khiển mạng transducer thông qua khối điều khiển giản đồ hướng transducer. Phương pháp tính toán được thực hiện theo công thức: 1 2 ax 1 ax 0 ( ) os cos . ( ) m m c z c c z    (3.1) Trong đó: 1 axm - góc thoát tối ưu tại transducer phát; 2 axm - góc tới tối ưu tại transducer thu ; b. Thuật toán điều khiển máy liên lạc thủy âm có giản đồ hướng mạng transducer điều khiển được - Thuật toán điều khiển phía máy chủ động (hình 3.4); - Thuật toán điều khiển phía máy bị động (hình 3.5): Điều chế QPSK Điều chế sóng mang Chuỗi bit nhị phân Mã hóa xung QPSK Mạng transducer gốm áp điện Lọc dải thông Bộ lọc cosin nâng Lọc dải thông Giải mã tín hiệu QPSK Lấy mẫu tín hiệu và lọc kết hợp Mạng transducer gốm áp điện Tách sóng mang Chuỗi bit nhị phân 19 Hình 3.4. Lưu đồ thuật toán điều khiển thu phát phía máy chủ động. Hình 3.5. Lưu đồ thuật toán điều khiển thu phát phía máy bị động. 3.1.5. Mô hình kênh truyền. Mô hình kênh truyền được xây dựng như trong hình 3.6. Thu chuỗi xung phản hồi Bắt đầu Ước lượng vận tốc c(z0) Kết thúc Không có Điều khiển góc cực đại giản đồ hướng mạng transducer theo góc 0 0 Phát chuỗi xung kiểm tra Trễ thời gian t Ước lượng vận tốc c(z1) Thu giá trị 2 axm Tính 1 axm từ công thức (3.4) Điều khiển góc cực đại giản đồ hướng mạng transducer theo góc 1 axm Cho phép máy thu phát chủ động làm việc Bắt đầu i=8 Kết thúc Đúng Sai Thu chuỗi xung kiểm tra đưa về từ kênh i Tổng hợp, xác định tín hiệu chuẩn Phát giá trị 2 axm về máy chủ động Tính giá trị pha cần điều chỉnh từ tín hiệu đưa đến từ các transducer 1 , 2 , 8 Ghi chuỗi xung i=i+1 Cho phép máy thu phát bị động làm việc i=1 Tính giá trị 2 axm từ tập giá trị 1 , 2 , 8 20 Hình 3.6. Mô hình kênh truyền. 3.2. Các tham số kênh truyền. 3.2.1. Đường cong vận tốc âm. Sử dụng các thông số trong Phụ lục 2, luận án đã vẽ được đường cong vận tốc âm tham khảo cho khu vực biển Quy Nhơn. 3.2.2. Quan hệ giữa góc thoát tia âm và cự ly liên lạc cho trường âm đặc trưng trong khu vực biển Quy Nhơn . Hình 3.7. Cự ly liên lạc phụ thuộc vào góc thoát trong khu vực biển Quy Nhơn. Luận án đã tính toán quan hệ giữa góc thoát và cự ly liên lạc tại vùng biển Quy Nhơn với 4 trường hợp: không có nhiễu tạp, máy thu có độ nhạy là -60 dB, - 90 dB và -120 dB 3.2.3. Thời gian truyền của tia âm trong môi trƣờng. Luận án đã vẽ được đường cong biểu diễn thời gian truyền tín hiệu phụ thuộc vào độ sâu của kênh liên lạc thủy âm. Khối pha đinh mô tả nhiễu vang (8 tia) Tín hiệu phát h1(t) h2(t) h8(t) β β β Nhiễu biển và tạp âm máy thu Tín hiệu thu 21 3.2.4. Xác định hệ số suy giảm tia âm trong môi trường. Bảng 3.1. Hệ số suy giảm âm theo độ sâu tại khu vực biển Quy Nhơn. Độ sâu (z,m) Nhiệt độ trung bình (T, 0 C) Độ mặn trung bình (S,‰) Áp suất trung bình (P,atm) Hệ số suy giảm âm (dB/km) 300 10,09 34,42 302 0,81 400 9,11 34,40 402 0,68 402 8,55 34,41 404 0,64 493 7,96 34,41 496 0,56 500 7,51 34,42 503 0,53 600 6,67 34,44 604 0,43 700 5,87 34,45 705 0,34 800 5,49 34,46 806 0,29 806 4,97 34,49 812 0,26 988 4,42 34,52 996 0,18 1000 3,99 34,54 1008 0,16 1200 3,57 34,56 1210 0,09 1206 3,29 34,57 1217 0,08 1446 3,39 33,71 1460 0,02 3.2.5. Góc thoát của tia âm tại điểm phát và góc tới của tia âm tại điểm thu khi cự ly liên lạc tối đa. Bảng 3.2. Góc tới tia âm khi cự ly liên lạc đạt tối đa. Vị trí máy thu Góc tới tia âm (Rad) Máy thu đặt tại gần mặt biển ( 0z  ) 1,095 Máy thu đặt tại đáy biển ( 1440z m ) 1.096 3.3. Hiệu quả nâng cao tỷ số tín/tạp (SNR) của thiết bị liên lạc thủy âm sử dụng mạng transducer gốm áp điện. 3.3.1. Sơ đồ tính toán tỷ số tín/tạp đầu ra máy thu. Sơ đồ khối mô phỏng phục vụ tính toán tỷ số S/N đầu ra máy thu của kênh liên lạc thủy âm được minh họa trong hình 3.10. Nguồn dữ liệu Điều chế QPSK Tạo nhiễu vang Tạo tạp âm AWGN Quyết định Tách lỗi & Tính BER/SER ksˆ k g k g  ˆ k y  ˆ ˆk ks Q y ˆ k s k s k skb k g k g k z Tạo hệ số suy giảm âm L k y Hình 3.8. Sơ đồ tính toán hiệu quả nâng cao SNR của kênh liên lạc thủy âm với máy phát, máy thu sử dụng mạng transducer gốm áp điện. 22 3.3.2. Kết quả tính toán SNR đầu ra máy thu của kênh liên lạc thủy âm. Với những dữ liệu và giả thiết đầu vào như đã phân tích ở trên, luận án đã tính toán, ước lượng SNR đầu ra máy thu máy liên lạc thủy âm như trong hình 3.9. Hình 3.9. Tỷ số tín hiệu/tạp âm ở đầu ra máy thu máy liên lạc thủy âm sử dụng transducer mạng pha với các khoảng cách khác nhau. 3.3.3. So sánh SNR đầu ra máy thu của kênh liên lạc thủy âm trong trường hợp sử dụng mạng transducer và sử dụng phần tử đơn. Tính toán bằng công cụ MATLAB với hai trường hợp máy thu sử dụng transducer đơn và mạng transducer ở cự ly 413.10 m khi góc cực đại đạt tối ưu, luận án đã thu được đường BER và tỉ SER như trong hình 3.10. Hình 3.10. Tỷ số BER và tỉ số SER trong hai trường hợp sử dụng phần tử transducer đơn và transducer mạng pha 8 phần tử. 23 3.4. Lựa chọn số lƣợng phần tử cho mạng transducer điều khiển pha. Với mạng transducer tuyến tính N phần tử có phân bố thẳng đều với khoảng cách giữa các phần tử bằng nửa bước sóng ( 2 d   ) thì số lượng phần tử được tính bằng công thức: 22 2 ar 22 2 ( ) / ( ) rayt n element SNRu u N SNRn n   (3.2) 3.5. So sánh hiệu quả cải thiện chất lƣợng kênh liên lạc của giải pháp dùng mạng transducer và một số giải pháp thế giới đã tiến hành. Từ kết quả đánh giá chất lượng kênh liên lạc thông qua đường cong BER tại hình 3.15, luận án đã so sánh các kết quả đạt được theo tính toán của luận án với các kết quả đã công bố ở các công trình [17] và [24] như trong hình 3.11 Hình 3.11. So sánh chất lượng kênh liên lạc thủy âm sử dụng 3 giải pháp ổn định kênh. KẾT LUẬN Những kết quả đạt đƣợc của luận án. 1. Luận án đã áp dụng những kiến thức cơ bản về thủy âm học và lý thuyết tia trong truyền sóng thủy âm để xây dựng và giải quyết bài toán mất ổn định của một tuyến kênh liên lạc thủy âm cố định từ điểm đến điểm khi đặt trong các sơ đồ truyền âm khác nhau. 2. Luận án đã tìm ra có bốn yếu tố quy định hình dạng của vùng sáng âm (vùng luôn có tín hiệu thủy âm): độ sâu đặt máy phát thủy âm; góc giới hạn vùng mở của anten thủy âm; độ sâu của khu vực biển có kênh liên lạc và đường cong 3 1 2 24 vận tốc âm tại khu vực truyền âm. Luận án đã đi sâu vào nghiên cứu giải pháp khả thi là thay đổi góc giới hạn biên trên và biên dưới của kênh liên lạc thủy âm thông qua điều chỉnh góc thoát của tia âm khỏi anten máy phát và góc tới của tia âm đến anten máy thu với kỹ thuật sử dụng là anten mạng pha ở tần số 33 kHz. 3. Luận án đã tính toán, xác định được mối quan hệ giữa góc thoát tia âm và góc cực đại chính trong giản đồ hướng của mạng anten thủy âm. Từ đó đã khảo sát, đánh giá định lượng ảnh hưởng của góc pha đặt vào các phần tử của mạng anten thủy âm 8 phần tử đến góc cực đại chính của mạng anten thủy âm. 4. Luận án đã xây dựng một chương trình tính toán lý thuyết cho kênh liên lạc thủy âm sử dụng dữ liệu trường âm được công bố năm 2002 ở khu vực biển Quy Nhơn. Chương trình tính toán được thực hiện với kênh liên lạc thủy âm điểm-điểm với máy thu phát sử dụng mạng anten thủy âm 8 phần tử có điều khiển pha khi góc cực đại chính thay đổi từ 0 đến 3600. 5. Từ mô hình tính toán đề xuất, luận án đã đưa ra cách tính số lượng phần tử của mạng anten trong kênh liên lạc thủy âm có sử dụng giải pháp anten mạng pha và so sánh các kết quả đạt được với các nghiên cứu trước đó. Những đóng góp mới của luận án. - Đã đề xuất được một mô hình kênh liên lạc thủy âm có ứng dụng giải pháp mạng transducer xử lý pha ở tần số 33 kHz nhằm nâng cao tỷ số tín hiệu/tạp âm tại đầu ra máy thu cuối kênh truyền. - Đã xây dựng một chương trình tính toán cho một kênh liên lạc thủy âm có sử dụng dữ liệu trường âm được công bố năm 2002 ở khu vực biển Quy Nhơn, từ đó làm cơ sở để tính toán các vùng khác khi có các bộ cơ sở dữ liệu được cung cấp. Kiến nghị về các hƣớng nghiên cứu tiếp theo. - Bổ sung thêm một số điều kiện truyền âm cận thực tế như có xét đến phản xạ, khúc xạ tại mặt biển, đáy biển và các vật cản trong nước; trong các sơ đồ truyền âm khác như kênh âm bề mặt, kênh âm sâu và sơ đồ phản ống dẫn sóng; với các dạng nhiễu đặc trưng như nhiễu vang, nhiễu ngắm và ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler. - Tính toán số phần tử transducer tối ưu trong mạng transducer mạng pha. - Nghiên cứu áp dụng các giải pháp xử lý tín hiệu truyền trên kênh liên lạc thủy âm có sử dụng giải pháp anten mạng pha. D N MỤ N TRÌN Ủ TÁ Ả 1. Nguyễn hế iếu, Lê Minh Ngọc, rần Mạnh hắng (2007), “ hiết kế chế tạo thiết bị truyền dữ liệu thủy âm“, Tạp chí Nghiên cứu KHKT&CNQS - số 18, trang 115-123; 2. Nguyễn hế iếu, Lê Minh Ngọc, Nguyễn uy Luyến, ũ ải Lăng (2007), “Kỹ thuật đơn biên và ứng dụng trong thiết kế chế tạo thiết bị truyền dữ liệu thủy âm“, Hội nghị thông tin và định vị vì sự phát triển kinh tế biển Việt Nam ComNaVi-07- Kỷ yếu tháng 11/2007, trang 57-64; 3. Nguyễn uy Luyến, Lê Minh Ngọc, ũ ải Lăng (2007), “ ính toán tham số của một hệ thống truyền tin dưới nước“, Hội nghị thông tin và định vị vì sự phát triển kinh tế biển Việt Nam ComNaVi-07 - Kỷ yếu tháng 11/2007, trang 64-70; 4. ũ ải Lăng, Lê Minh Ngọc, Nguyễn ải hanh, Nguyễn hị hủy (2009), “Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật truyền tin thủy âm trong điều khiển từ xa dưới nước“, Tạp chí Nghiên cứu KHKT&CNQS - Số đặc biệt tháng 3/2009, trang 134-141; 5. Lê Minh Ngọc, ũ ải Lăng, Nguyễn hị huỷ (2009), “ ề một giải pháp thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển từ xa dưới nước“, Tạp chí Nghiên cứu KHKT&CNQS - Số đặc biệt tháng 3/2009, trang 142-149; 6. hu Xuân Quang, Lê Minh Ngọc, ũ ải Lăng, Nguyễn hị huỷ (2010),“ ombining frequency modulation and single side band modulation to design an underwater remote control system“, Hội nghị Khoa học tự nhiên lần thứ nhất của các Thạc sĩ và Nghiên cứu sinh 3 nước Đông Dương - Kỷ yếu tháng 3/2010, trang 117-128; 7. Nguyễn Anh Minh, Lê Minh Ngọc, rần Xuân Nam (2011),“ hực hiện phần cứng bộ xử lý sau tách tín hiệu cho các hệ thống M MO-S M“- Tạp chí Nghiên cứu KHKT&CNQS - Số 16, trang 34-40; 8. Lê Minh Ngọc, hu Xuân Quang, Nguyễn hị huỷ, Nguyễn uy Luyến, ũ ải Lăng, Nguyễn hế iếu (2013), “Khảo sát đặc trưng một số loại transducer gốm áp điện sử dụng trong liên lạc thủy âm“, Tạp chí Nghiên cứu KHKT&CNQS - Số 23, trang 26-32; 9. Lê Minh Ngọc, hu Xuân Quang, Nguyễn uy Luyến, Nguyễn ăn hành, Nguyễn hị huỷ, Nguyễn hế iếu (2013),“Mô phỏng một số yếu tố tác động đến tín hiệu thủy âm“, ạp chí Nghiên cứu K K & NQS - Số 23, trang 33-39; 10. Lê Minh Ngọc, Nguyễn hị huỷ (2014),“Nghiên cứu giải pháp sử dụng anten mạng pha cho máy liên lạc thủy âm“, ạp chí Nghiên cứu K K & NQS - Số 32, trang 73-81.