Một giải pháp cải thiện tỷ số tín hiệu/tạp cho Sonar mặt mở tổng hợp nhiều máy thu

Bài viết này đề xuất một giải pháp cải thiện tỷ số tín hiệu/tạp cho sonar mặt mở tổng hợp (SAS) nhiều máy thu bằng cách giảm kích thước phần tử thu, tăng số chu kỳ lặp trong xử lý kết hợp, tổng hợp búp sóng tính đến sự thay đổi của vector vận tốc truyền âm khi phát và tính đến tần số Doppler.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Một giải pháp cải thiện tỷ số tín hiệu/tạp cho Sonar mặt mở tổng hợp nhiều máy thuNghiên cứu khoa học công nghệ MỘT GIẢI PHÁP CẢI THIỆN TỶ SỐ TÍN HIỆU/TẠP CHO SONAR MẶT MỞ TỔNG HỢP NHIỀU MÁY THU Nguyễn Đình Tĩnh1*, Trịnh Đăng Khánh1, Nguyễn Thanh Hưng1, Nguyễn Văn Trà2 Tóm tắt: Bài báo này đề xuất một giải pháp cải thiện tỷ số tín hiệu/tạp cho sonar mặt mở tổng hợp (SAS) nhiều máy thu bằng cách giảm kích thước phần tử thu, tăng số chu kỳ lặp trong xử lý kết hợp, tổng hợp búp sóng tính đến sự thay đổi của vector vận tốc truyền âm khi phát và tính đến tần số Doppler. Với việc xét đầy đủ các quá trình vật lý hơn giải pháp truyền thống, giải pháp đề xuất cải thiện tỷ số tín hiệu/tạp khi giảm kích thước của phần tử thu/phát để tăng độ phân giải dọc. Các kết quả mô phỏng thu được từ các giải pháp minh chứng cho hiệu quả của giải pháp đề xuất.Từ khóa: Sonar mặt mở tổng hợp (SAS); Tổng hợp búp sóng; Ảnh SAS; Bù Doppler; SNR. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Sonar mặt mở tổng hợp (SAS) hoạt động dựa trên nguyên tắc kết hợp các tín hiệu phản xạ ởcác chu kỳ lặp liên tiếp khi phương tiện mang sonar chuyển động theo một quỹ đạo đã biết(thường được xét trên một đường thẳng) [1-3]. Dựa trên việc kết hợp này, SAS có thể tạo ra mộtmặt mở ảo có kích thước lớn hơn nhiều kích thước của mặt mở thực nhằm tạo ra độ phân giảidọc độc lập với cự ly và tần số tín hiệu [1]. Với khả năng này, SAS được sử dụng rộng rãi trongcác ứng dụng vẽ bản đồ đáy biển, phát hiện các vật thể nhỏ, tìm kiếm xác tàu đắm và khảo sátđịa chất ở đáy đại dương [1, 2]. Để vừa nâng cao được độ phân giải dọc và tốc độ quét khu vựcquan sát, các SAS nhiều máy thu được cấu hình gồm một bộ chiếu xạ và một mạng nhiều phầntử thu được sử dụng một cách rộng rãi hiện nay [3, 4]. Với cấu hình phức tạp hơn SAS đơn máy thu, việc kết hợp các tín hiệu phản xạ trong SASnhiều máy thu trở nên khó khăn hơn khi thực hiện tái tạo ảnh SAS. Để thu được ảnh SAS có chấtlượng cao, việc cải thiện tỷ số tín hiệu/tạp (SNR) là một trong những giải pháp cần được thựchiện [5-7]. Việc tăng SNR trong hệ thống SAS có thể được thực hiện bằng cách tăng độ rộngxung, tuy nhiên, giải pháp này làm cho hệ thống SAS bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Doppler do sựdịch chuyển của các phần tử thu/phát [7]. Nhằm khắc phục tác động tiêu cực này, việc bù hiệuứng Doppler có thể được thực hiện bằng thuật toán chiếu xạ ngược (BPA) và biến đổi Lorentztrong [7]. Tuy nhiên, thuật toán bù Doppler trong [7] sử dụng phép xấp xỉ tâm pha (PCA) [8] gâyra các sai số khi tính thời gian giữ chậm tín hiệu và các phép tính xấp xỉ tần số Doppler do việcxem hai phần tử thu phát ở hai vị trí là một phần tử duy nhất nằm ở trung điểm. Do vậy, việc bùDoppler không được thực hiện một cách hoàn toàn. Để tính chính xác hơn thời gian giữ chậm tín hiệu, mô hình hình học ảnh tính đến khoảngcách thu phát và sự chuyển động của phương tiện mang được sử dụng trong [9, 10]. Sau đó, việctổng hợp búp sóng có thể được thực hiện bằng BPA để thu được ảnh SAS có chất lượng cao.Mặc dù thời gian giữ chậm được tính chính xác hơn, việc tổng hợp búp sóng này vẫn bỏ qua sựthay đổi của vector vận tốc truyền âm khi phát và tần số Doppler. Với các điều kiện giới hạn này,việc kết hợp đồng pha các tín hiệu phản xạ cũng không được thực hiện một cách hoàn toàn. Dựa trên việc giảm kích thước của các phần tử thu/phát, nhằm tăng số lượng chu kỳ lặp khixử lý kết hợp các tín hiệu phản xạ cùng với việc tính chính xác thời gian giữ chậm tín hiệu vàtính đến hiệu ứng Doppler, bài báo này đề xuất một giải pháp làm tăng SNR cho SAS nhiều máythu. Các cải thiện SNR được đánh giá bằng cách so sánh các kết quả mô phỏng thu được từ giảipháp đề xuất với các kết quả mô phỏng được tạo từ giải pháp tổng hợp búp sóng truyền thống. 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH LÝ THUYẾT CỦA TÍN HIỆU Mô hình hình học của SAS nhiều máy thu được mô tả trong hình 1 với một máy phát và NTạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 71, 02 - 2021 49 Kỹ thuật điều khiển & Điện tửphần tử thu cách đều nhau một khoảng d. SAS chuyển động dọc trục x (chiều phương vị) với vậntốc v và ở O tại thời điểm t = 0, trục r thể hiện độ sâu (chiều cự ly) [11, 12]. Gọi c là vận tốc âmthanh trong nước biển. Trong quá trình phát sóng âm đến điểm M(x, r), vector vận tốc âm vT làtổng hợp của 2 vector v và c . Giá trị vận tốc truyền âm thay đổi theo độ sâu và mức thay đổicàng nhiều ở các độ sâu lớn [13]. Mô hình này xem như vận tốc truyền âm là không đổi để tậptrung vào tổng hợp búp sóng nhằm nâng cao SNR. Giả thiết này có thể chấp nhận được ở độ sâunhỏ và được sử dụng cho các khảo sát trong các tài liệu [3, 9, 10]. Thời gian truyền tín hiệu từmáy phát đến điểm M là  1 đượ ...