Phân tích và ứng dụng các thuật toán dạng DEMON dùng trong phát hiện tín hiệu tàu

Bài viết nghiên cứu, phân tích phương pháp xử lý tín hiệu thủy âm bằng các thuật toán dạng DEMON (Detection of Envelope Modulation On Noise). Đề xuất phương án xây dựng một cấu trúc hệ thống ứng dụng phương pháp xử lý tín hiệu thủy âm bằng các thuật toán dạng DEMON để phát hiện tàu nổi. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng bản thu tín hiệu thủy âm do tàu tạo ra trong các tình huống thực tế làm dữ liệu xử lý cho mô hình hệ thống.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Phân tích và ứng dụng các thuật toán dạng DEMON dùng trong phát hiện tín hiệu tàu Nghiên cứu khoa học công nghệ PHÂN TÍCH VÀ ỨNG DỤNG CÁC THUẬT TOÁN DẠNG DEMON DÙNG TRONG PHÁT HIỆN TÍN HIỆU TÀU Bạch Nhật Hoàng1*, Nguyễn Văn Đức2, Vũ Lê Hà1, Vũ Hải Lăng1 Tóm tắt: Bài báo nghiên cứu, phân tích phương pháp xử lý tín hiệu thủy âm bằng các thuật toán dạng DEMON (Detection of Envelope Modulation On Noise). Đề xuất phương án xây dựng một cấu trúc hệ thống ứng dụng phương pháp xử lý tín hiệu thủy âm bằng các thuật toán dạng DEMON để phát hiện tầu nổi. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng bản thu tín hiệu thủy âm do tàu tạo ra trong các tình huống thực tế làm dữ liệu xử lý cho mô hình hệ thống. Các kết quả thu được khi phân tích thử nghiệm thuật toán chứng minh tính đúng đắn của mô hình kiến trúc đề xuất, yêu cầu ít tài nguyên tính toán hơn và đồng thời có hiệu quả hơn đối với những phép toán có tính tới ảnh hưởng của nhiễu ngẫu nhiên. Đồng thời, mở ra một số hướng nghiên cứu mới, nâng cao hiệu quả của hệ thống phát hiện mục tiêu trên biển ứng dụng các thuật toán dạng DEMON. Từ khóa: Xử lý tín hiệu sonar thụ động; Thuật toán DEMON; Tàu nổi. 1. MỞ ĐẦU 1.1. Mô hình và nguyên lý hoạt động của hệ thống phát hiện mục tiêu Có nhiều phương pháp phát hiện đối tượng xâm nhập khu vực cần bảo vệ trên mặt biển như hệ thống radar, hệ giám sát quang học, vệ tinh, hệ phao thả tự do,... và dưới nước như sonar chủ động, sonar thụ động,... Các phương pháp đó tương đối tốn kém về đầu tư, bảo trì và khó tiếp cận với mục đích học tập. Các hệ thống này phù hợp với các biện pháp phòng thủ vòng ngoài, từ xa đối với từng vùng biển đã biết trước. Trong bài báo này, nhóm nghiên cứu đề xuất giải pháp xây dựng mô hình hệ thống thu tín hiệu thủy âm gọn nhẹ cơ động để phát hiện và cảnh báo mục tiêu là tàu nhỏ trong bài toán xâm nhập khu vực bờ biển duyên hải, bến cảng. Hệ thống có chức năng thu thập, phân tích một số đặc trưng của tín hiệu thủy âm phát ra từ mục tiêu theo những hướng dự kiến bằng một số thuật toán dạng DEMON. Mô hình đề xuất là hệ thống bao gồm một hydrophone, mô-đun khuếch đại tín hiệu, bộ lọc và số hóa, một mô-đun để xử lý tín hiệu số, và các bộ ghi thời gian thực. Hệ thống cũng có thể được mở rộng để đo nhiều kênh đồng thời bằng cách ghép các hydrophones khi cần trong từng trường hợp cụ thể. 1.2. Cơ chế phát sinh tiếng ồn của tàu Theo Nielsen [1], các nguồn tiếng ồn đặc trưng cho một con tàu gồm: - Tiếng ồn do động cơ, máy móc và thiết bị trên tàu khi chuyển động tạo ra; - Tiếng ồn của dòng chảy thủy động lực trên thân tàu; - Tiếng ồn chân vịt và động cơ. Trong quá trình di chuyển, nguồn tiếng ồn chính của tàu là sự xâm thực của các cánh quạt (khoảng 80-85% cường độ tiếng ồn tạo ra trong môi trường biển). Đặc điểm của nhiễu bức xạ này là phụ thuộc vào tần số quay của lưỡi chân vịt. Tiếng ồn xâm thực tăng theo tỷ lệ thuận với tốc độ quay của chân vịt và giảm khi độ sâu hoạt động của chân vịt tăng. Ở trường hợp tốc độ thấp, tiếng ồn do tàu mặt nước Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 9 - 2020 125 Kỹ thuật điện tử gây ra chủ yếu là do các động cơ (động cơ đẩy chính hoặc các máy phát điện diesel). Giá trị tối đa của mật độ phổ nhiễu cho các loại tàu khác nhau được tính khoảng 140dB ref.1µPa@1m đối với tàu cá nhỏ và khoảng 195dB ref.1µPa@1m cho tàu chở hàng viễn dương [1]. Đối với các tàu lớn đã tồn tại các mô hình và công thức có thể ước tính mức độ ồn tối đa chúng phát ra trong môi trường biển [1], nhưng đối với các tàu nhỏ di chuyển nhanh (đôi khi là người nhái) là các mục tiêu có kích thước và nguồn phát âm nhỏ, chúng ta không thể xác định được sự tồn tại bằng các mô hình đó, mà phải dùng các phương pháp khác. Một trong những phương pháp phát hiện mục tiêu như vậy là sử dụng các thuật toán dạng DEMON. 2. KỸ THUẬT DEMON TRONG BÀI TOÁN ƯỚC LƯỢNG TẦN SỐ 2.1. Tổng quan về DEMON Kỹ thuật DEMON là một tập hợp các thuật toán dùng để phân tích tín hiệu thủy âm băng hẹp dựa trên nguyên tắc coi tiếng ồn hay tín hiệu thủy âm được tạo ra bởi các tàu biển như chân vịt trục quay động cơ như là đường bao điều chế biên độ của các dạng sóng mang có tần số f đặc trưng cho nguồn âm đó (trong bài báo này là chân vịt tàu nhỏ hoặc bộ điều chỉnh áp suất hệ thống lặn và nhịp thở của người nhái). Tín hiệu thủy âm này (đường bao) là một dạng sóng ngẫu nhiên đặc trưng cho tiếng ồn xâm thực và dạng sóng điều chế, xác định tính tuần hoàn trong vòng quay chân vịt với tần số cơ bản. Đối với các dạng tàu chân vịt có số lưỡi là b và tốc độ r , thì tần số điều chế cơ bản f được coi là b.r. Thuật toán dạng DEMON được Nielsen đề xuất lần đầu tiên từ năm 1991 [1], từ đó đến nay đã có nhiều biến thể được đề xuất để giải quyết những bài toán cụ thể khác nhau. Ví dụ như theo dõi từng nguồn đối tượng theo dạng phân tích chập tách rời [3], phân tích phổ 3/2D để trích xuất các tính năng chân vịt từ dữ liệu thu được bởi cảm biến âm [4]. Các thuật toán DEMON cơ bản đã được thử nghiệm trên thực tế [5] và cũng đã được sử dụng để phát hiện kiểu thở của người nhái từ dữ liệu âm thu được [6] từ môi trường thực tế,… 2.2. Cơ sở lý thuyết của kỹ thuật DEMON Mô hình toán học cơ bản của kỹ thuật DEMON theo Nielsen coi tiếng ồn của tàu trong môi trường biển là tín hiệu thủy âm x(t ) phát xạ từ đối tượng có dạng: x(t )  s (t )  n(t ) (1) s(t )  m( f , t )w(t ) (2) Trong đó, tín hiệu s (t ) được hình thành từ xâm thực do việc quay của trục chân vịt tàu, được điều chế bằng sóng mang w(t ) theo dạng điều chế m( f , t ) . Còn n(t ) là nhiễu môi trường ngoài. Dạng sóng điều chế m( f , t ) là tuần hoàn với tần số được cho bởi f . Nếu m( f , t ) là tuần hoàn, ...