Một phương pháp xây dựng mô hình đo xa dưới nước dạng hỏi-đáp sử dụng tín hiệu điều tần tuyến tính

Bài báo giới thiệu và phân tích các đặc tính của kênh thông tin thủy âm và các yếu tố tác động đến sự lan truyền tín hiệu trong môi trường nước, đề xuất một mô hình và thuật toán xử lý tín hiệu trong bài toán đo xa dưới nước. Các kết quả thực nghiệm đã chứng tỏ mô hình đề xuất làm việc tốt trong các điều kiện thực tế.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Một phương pháp xây dựng mô hình đo xa dưới nước dạng hỏi-đáp sử dụng tín hiệu điều tần tuyến tính Rada MéT PH¦¥NG PH¸P x©y dùng m« h×nh ®o xa d­íi n­íc D¹NG HáI - §¸P Sö dông TÝN HIÖU §IÒU TÇN TUYÕN TÝNH VŨ HẢI LĂNG*, TRẦN QUANG GIANG*, TRỊNH ĐĂNG KHÁNH**, DƯƠNG TỬ CƯỜNG** Tóm tắt: Bài báo giới thiệu và phân tích các đặc tính của kênh thông tin thủy âm và các yếu tố tác động đến sự lan truyền tín hiệu trong môi trường nước, đề xuất một mô hình và thuật toán xử lý tín hiệu trong bài toán đo xa dưới nước. Các kết quả thực nghiệm đã chứng tỏ mô hình đề xuất làm việc tốt trong các điều kiện thực tế. Từ khóa: Kênh thông tin thủy âm, Xử lý tín hiệu, Điều tần tuyến tính, Đa đường, CA-CFAR. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Kỹ thuật truyền tin và định vị thuỷ âm có một ý nghĩa quan trọng trong thực tiễn, đặc biệt các ứng dụng trong lĩnh vực an ninh, quốc phòng. Việc truyền tin dưới nước gặp rất nhiều khó khăn vì: vận tốc truyền âm thay đổi phụ thuộc vào các tham số môi trường, ảnh hưởng của tạp âm và nhiễu, hiện tượng thăng giáng biên độ tín hiệu, phading nhiều tia, phading chọn lọc theo tần số. Điều này gây ảnh hưởng đến chất lượng truyền tin, giảm độ chính xác trong đo xa, định vị dưới nước. Vì vậy, việc nghiên cứu xây dựng các mô hình, các phương pháp xử lý tín hiệu nhằm nâng cao chất lượng thông tin và giảm thiểu ảnh hưởng của các loại nhiễu, ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường… là một vấn đề cấp thiết. Bài báo sẽ trình bày các đặc tính của kênh thông tin thủy âm, các yếu tố tác động đến sự lan truyền tín hiệu trong môi trường nước, phân tích, ứng dụng kỹ thuật điều tần tuyến tính, xây dựng mô hình và thuật toán xử lý tín hiệu trong bài toán đo xa dưới nước. 2. TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA KÊNH TRUYỀN TIN THỦY ÂM 2.1. Ảnh hưởng của môi trường đến tín hiệu qua kênh thủy âm 2.1.1. Sự phụ thuộc của tốc độ âm vào các tham số của môi trường nước biển Bằng thực nghiệm người ta chỉ ra rằng tốc độ lan truyền của sóng âm phụ thuộc vào các tham số của môi trường nước biển theo công thức sau [1]: c  1410  4.21T  0.037 T 2  1.14 S  0.018h (1) trong đó, T là nhiệt độ của nước biển (°C); S là độ mặn (‰); h là độ sâu (m); c là tốc độ lan truyền của sóng âm (m/s). Bằng các tính toán thực nghiệm người ta đưa ra tốc độ lan truyền của sóng âm trong môi trường nước biển xấp xỉ 1500m/s. 2.1.2 Ảnh hưởng của tạp âm và nhiễu trong thông tin thủy âm Tất cả các loại tạp âm: tạp âm sinh học (sinh vật biển như cá, san hô, rong, tảo); tạp âm kỹ thuật (tàu bè, dàn khoan, trạm nghiên cứu đại dương, tạp âm nhân tạo…); tạp âm do địa chấn, băng đá, dòng chảy, thủy triều, trạng thái bề mặt biển (sóng biển, mưa)... đều làm thay đổi về tần số, biên độ và pha của sóng âm làm cho sóng âm có đặc trưng ngẫu nhiên. Trong môi trường truyền sóng âm dưới nước, ảnh hưởng do tác động của nhiễu rất lớn khi tần số làm việc của thiết bị trong dải tần số thấp hoặc dải tần số cao hơn 100kHz [1]. 2.1.3 Ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường 26 V. H. Lăng, T. Q. Giang, T. Đ. Khánh, D. T. Cường, “Xây dựng mô hình … tuyến tính.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Các hiện tượng phản xạ và tán xạ sóng âm ở đáy biển, mặt biển và vật cản gây ra hiệu ứng đa đường (hình 1) và làm ảnh hưởng rất lớn đến đặc tính lan truyền của sóng âm biển (do sự bất đồng nhất của môi trường, đáy và mặt biển). Do sự bất đồng nhất của môi trường và hiệu ứng đa đường nên gây ra hiện tượng thăng giáng tín hiệu làm hạn chế hiệu quả của các hệ thống thông tin thủy âm. Khi hệ thống làm việc trong vùng nước nông, hiện tượng đa đường do phản xạ sóng từ mặt nước và đáy biển. Khi hệ thống làm việc ở vùng nước sâu, hiện tượng đa đường còn ảnh hưởng bởi sự lệch tia sóng theo độ cao (vì sự bất đồng nhất của nhiệt độ và áp suất nước biển theo chiều cao). Mô hình toán học của tín hiệu tại điểm thu được mô tả theo công thức (2). Tín hiệu s(t) là tổng của nhiều tia tới từ nhiều hướng khác nhau [3]: N s(t )   ai (t ) [t   i (t )]  n(t ) (2) i 1 trong đó, N là số tia tại điểm thu;  i (t ) là thời gian giữ chậm của tia thứ i; a i (t ) là biên độ của tia thứ i; n(t) là tạp âm tại điểm thu. a, b, Hình 1. Hiệu ứng đa đường (a) và biểu đồ tín hiệu thu được trong miền thời gian (b). Trên cơ sở phân tích các đặc tính của kênh thông tin thủy âm và các yếu tố tác động đến sự lan truyền tín hiệu trong môi trường nước. Mô hình và thuật toán xử lý tín hiệu sau đây sẽ khắc phục tác động của nhiễu, giảm thiểu hiệu ứng đa đường và nâng cao khả năng phát hiện tại máy thu trong bài toán đo xa dưới nước. 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ ĐO XA DƯỚI NƯỚC 3.1 Mô hình hệ thống đo xa dưới nước Nguyên lý đo xa dưới nước dạng hỏi-đáp trình bày trong hình 2. Phát hỏi Thiết bị 1 Thiết bị 2 Phát đáp r Hình 2. Mô hình hệ thống đo xa dưới nước dạng hỏi đáp. Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 34, 12 - 2014 27  Rada Nguyên lý đo xa dưới nước: Như ta đã biết, để tính khoảng cách giữa hai thiết bị thu và phát trong môi trường truyền sóng nói chung, ta theo công thức (3): r  c *t (3) trong đó, r là khoảng cách cần đo, t là khoảng thời gian truyền sóng giữa thiết bị 1 và thiết bị 2 (giữa máy phát và máy thu), c là vận tốc truyền sóng (với môi trường truyền sóng dưới n ...