Cấu hình mạng cảm biến thuỷ âm trên cơ sở tiền xử lý ICA nhằm nâng cao độ chính xác định vị đa mục tiêu

Bài viết đề xuất và xây dựng một giải pháp mới dựa trên mô hình phân tích phần tử độc lập ICA để thiết kế mạng cảm biến thủy âm để định vị đa mục tiêu. Bài viết ứng dụng kỹ thuật tiền xử lý ICA (Independent Component Analysis - phân tích phần tử độc lập) để tách riêng các nguồn âm trước khi tính toán vị trí để định vị bất kỳ mục tiêu nào trong các mục tiêu đang theo dõi.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Cấu hình mạng cảm biến thuỷ âm trên cơ sở tiền xử lý ICA nhằm nâng cao độ chính xác định vị đa mục tiêu Kỹ thuật điều khiển & Điện tử CẤU HÌNH MẠNG CẢM BIẾN THUỶ ÂM TRÊN CƠ SỞ TIỀN XỬ LÝ ICA NHẰM NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỊNH VỊ ĐA MỤC TIÊU Phan Hồng Minh1*, Phan Trọng Hanh2, Lương Thị Ngọc Tú2 Tóm tắt: Bài báo đề xuất và xây dựng một giải pháp mới dựa trên mô hình phân tích phần tử độc lập ICA để thiết kế mạng cảm biến thuỷ âm để định vị đa mục tiêu. Việc định vị trong một môi trường phức tạp có nhiều mục tiêu (nguồn âm) hay nói một cách khác tín hiệu thu được tại cảm biến là hỗn hợp của tất cả tín hiệu có trong môi trường với một hệ số suy giảm khác nhau điều này dẫn đến khó quan trắc và định vị được. Bài báo ứng dụng kỹ thuật tiền xử lý ICA (Independent Component Analysis - phân tích phần tử độc lập) để tách riêng các nguồn âm trước khi tính toán vị trí để định vị bất kỳ mục tiêu nào trong các mục tiêu đang theo dõi. Từ khóa: Cảm biến thuỷ âm, Mạng cảm biến sonar thụ động, TDOA, ICA, PAM. 1. GIỚI THIỆU Trong mạng cảm biến thuỷ âm, các cảm biến được bố trí ở các độ sâu và cấu trúc hình học khác nhau để quan sát một hiện tượng hoặc một mục tiêu nhất định, ưu điểm là khả năng linh hoạt trong cấu trúc và không phát xạ sóng âm cho nên khó bị phát hiện bởi kẻ địch. Việc nghiên cứu ứng dụng mạng cảm biến sonar thụ động để nghiên cứu định vị cá voi đã được thực hiện ở nhiều quốc gia trên thế giới và đã có nhiều kết qủa đa dạng [5][6], bên cạnh đó, tối ưu mặt mở (aperture) của mạng cảm biến[12] hoặc điều khiển búp sóng thích nghi để để tăng tỷ số SNR nhằm nâng cao độ chính xác định vị cũng có những thành quả nhất định. Xử lý tín hiệu sonar sử dụng kỹ thuật ICA cũng được nghiên cứu trong việc phát hiện, nhận dạng và định hướng mục tiêu[2][10][11]. Việc áp dụng kỹ thuật ICA nhằm mục đích là tách các nguồn âm riêng biệt từ các mục tiêu đến các cụm hydrophone để khi tính TDOA (Time Diffirence Of Arrivals - thời điểm khác nhau của sóng tới) của các cặp hydrophone được chính xác hơn. 2. SỬ DỤNG MẠNG CẢM BIẾN ĐỂ ĐỊNH VỊ MỤC TIÊU 2.1. Cơ sở của phương pháp Mạng cảm biến sonar thụ động bao gồm một số lượng hữu hạn M các cảm biến thuỷ âm (hydrophone) hi, i = 1,…., M được gắn tại các vị trí có toạ độ cố định (xi, yi, zi) và mục tiêu cần định vị là các nguồn phát xạ sóng âm có toạ độ (xs, ys, zs) và khoảng cách từ mục tiêu đến các hydrophone là Ri. Ta có phương thức tổng quan tính khoảng cách từ mục tiêu đến các hydrophone [3]: (1) Ở Hình 1 gọi h0 là hydro-phone tham chiếu thì có thể thay Ri = R0 + δRi, R0 là khoảng cách từ mục tiêu đến cảm biến h0, δRi là khoảng cách tia âm đi từ h0 đến các hi. δRi = c.δTi, c là tốc độ âm trong nước. Triển khai (1) cho hydrophone h0, ta có được: (2) và cho các hydrophone khác: 42 P. H. Minh, P. T. Hanh, L. T. N. Tú, “Cấu hình mạng cảm biến thủy âm… đa mục tiêu.” Nghiên cứu khoa học công nghệ = (3) Như vậy: (4) Để định vị với số lượng tối thiểu hydro-phone, bố trí chúng có cùng độ sâu zi bằng nhau (planar - array) thì (zi - z0) = 0. Viết (4) dưới dạng ma trận ta có: Hình 1. Mạng cảm biến thuỷ âm định vị mục tiêu. (5) số lượng hydrophone cần thiết sẽ là 4 và zs được tính như sau: (6) 2.2. Tính TDOA của tín hiệu thuỷ âm đến mạng cảm biến Tín hiệu thuỷ âm thu được từ hydrophone sau khi được lấy mẫu với tần số 8Khz với độ phân giải 8 bit sẽ được các mẫu số liệu S(i), i = 1,…., n là các cụm bit có giá trị cụ thể mang thông tin về biên độ và pha của tín hiệu. Ở đây, việc xác định thời điểm tín hiệu đến các hydrophone được tính trên mức năng lượng có độ lớn tương đương thu được tại các thời điểm xác định. Để tính TDOA trước hết tính năng lượng của tín hiệu trong một cụm bít có độ dài 8 mẫu tương ứng với 1ms của tín hiệu tới theo công thức: (7) Sau đó, xét trong khoảng thời gian từ 100ms đến 200ms, khoảng thời gian này phù hợp với tín hiệu thuỷ âm cũng như thuật toán định vị với các vạch năng lượng trong Hình 2 có độ lớn tín hiệu tính theo (7) và khoảng thời gian là 1ms. Với thời gian 100ms đến 200ms xác định được vị trí một lần, trong 1s sẽ xác định được vị trí từ 5 đến 9 lần và để tránh báo động lầm, từ các vị trí này sẽ chọn ra vị trí có số Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 48, 04 - 2017 43  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử lượng xuất hiện nhiều nhất. Ngoài ra để loại bỏ các vạch có năng lượng nhỏ (nhiễu nền hoặc hài) chỉ cần thiết lập một mức ngưỡng tín hiệu đủ lớn là được. Tính năng lượng của tín hiệu thu được từ các hydrophone trong khoảng thời gian 120ms ta thu được tín hiệu tới các hydrophone ở các thời điểm khác nhau (Hình 2). Dễ thấy tín hiệu có mức năng lượng lớn hơn 2dB tới hydro-phone h0 ở thời điểm T0 = 50ms, nhưng đến h1, h2, h3 là 62ms chậm hơn khoảng 12ms. Từ đây, có thể tính được các T1, T2, T3 và xác định được các giá trị δR1, δR2, δR3 bởi δRi = c.( Ti - T0 ). Hình 2. Xác định TDOA của tín hiệu thuỷ âm đến các hydrophone. Thay vào công thức (5), (6) xác định được toạ độ của mục tiêu cũng như khoảng cách từ mục tiêu đến mạng cảm biến. Hết chu kỳ thuật toán lại lặp lại từ đầu. 3. GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG T ...