Xây dựng giải pháp định vị nguồn âm theo nguyên lý TDOA trong điều kiện vận tốc âm thanh biến đổi
Số trang: 8
Loại file: pdf
Dung lượng: 736.62 KB
Lượt xem: 14
Lượt tải: 0
Xem trước 2 trang đầu tiên của tài liệu này:
Thông tin tài liệu:
Bài viết trình bày một số kết quả nghiên cứu xây dựng giải pháp định vị nguồn âm theo nguyên lý TDOA. Trong đó, vận tốc âm thanh là tham số quan trọng, ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác định vị, nhất là với các ứng dụng ngoài trời.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Xây dựng giải pháp định vị nguồn âm theo nguyên lý TDOA trong điều kiện vận tốc âm thanh biến đổi Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường XÂY DỰNG GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ NGUỒN ÂM THEO NGUYÊN LÝ TDOA TRONG ĐIỀU KIỆN VẬN TỐC ÂM THANH BIẾN ĐỔI Trần Công Thìn1*, Bùi Ngọc Mỹ1, Nguyễn Huy Hoàng2 , Phạm Văn Hòa1 Tóm tắt: Bài báo trình bày một số kết quả nghiên cứu xây dựng giải pháp định vị nguồn âm theo nguyên lý TDOA. Trong đó, vận tốc âm thanh là tham số quan trọng, ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác định vị, nhất là với các ứng dụng ngoài trời. Trên cơ sở phân tích lý thuyết và tiến hành mô phỏng Monte-Carlo trên Matlab, bài báo sẽ đánh giá ảnh hưởng của vận tốc âm thanh đến sai số định vị, từ đó đưa ra giải pháp định vị nguồn âm mà vận tốc âm thanh được coi là một biến số chưa biết, cho phép cải thiện được độ chính xác định vị theo nguyên lý TDOA. Từ khóa: Định vị nguồn âm; TDOA; Vận tốc âm thanh; Độ chính xác định vị. 1. MỞ ĐẦU Trong các hệ thống định vị nguồn âm thanh sử dụng nguyên lý TDOA (Time Differences of Arrival), vận tốc âm thanh là yếu tố quan trọng, ảnh hưởng đến phép biến đổi giữa chênh lệch thời gian và chênh lệch khoảng cách của các cảm biến âm thanh. Nhiều nghiên cứu trước đây đã coi vận tốc âm thanh là hằng số nhằm đơn giản hóa việc tính toán hoặc áp dụng trong các môi trường hẹp (in-door) [4]. Tuy nhiên, trong thực tế, vận tốc âm thanh phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trường như độ ẩm không khí, áp suất khí quyển và đặc biệt là nhiệt độ môi trường và gió, điều này càng thấy rõ hơn khi nghiên cứu trong phạm vi rộng hoặc ở ngoài trời (out-door) [2]. Do đó, việc coi vận tốc âm thanh như một hằng số trong tính toán định vị nguồn âm sẽ gây ra sai số định vị đáng kể. Bài báo sẽ trình bày một số kết quả trong đánh giá ảnh hưởng của vận tốc âm thanh tới độ chính xác định vị theo nguyên lý TDOA, đồng thời đề xuất giải pháp định vị, trong đó, coi vận tốc âm thanh là một biến số, cho phép nâng cao độ chính xác định vị. 2. ĐỊNH NGUỒN ÂM THEO NGUYÊN LÝ TDOA 2.1. Phương pháp định vị nguồn âm theo nguyên lý TDOA a. Nguồn âm và các cảm biến (b) Tín hiệu trên các cảm biến Hình 1. Mô hình hệ thống định vị nguồn âm thanh theo nguyên lý TDOA. Trong các bài toán định vị nguồn âm ngoài trời như trinh sát phát hiện FlyCam, định vị điểm nổ, phát hiện hỏa lực bắn tỉa,… phương pháp định vị sử dụng nguyên lý TDOA có nhiều ưu điểm như: Cho phép định vị nguồn âm chỉ với số lượng ít cảm biến, không đòi hỏi độ phức tạp trong đồng bộ tín hiệu thu, không yêu cầu năng lực tính toán quá cao [1]. 118 T. C. Thìn, …, P. V. Hòa, “Xây dựng giải pháp định vị … vận tốc âm thanh biến đổi.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Hệ thống định vị nguồn âm thanh theo nguyên lý TDOA điển hình có dạng như trên hình 1, nguồn âm xs và N cảm biến âm thanh được bố trí trong không gian [5]. Trong đó, xs = [xs, ys, zs]T là tọa độ không gian của nguồn âm, ms = [xi, yi, zi]T là tọa độ không gian của cảm biến âm thanh thứ i, với i = 1.. N, ri là cự ly từ cảm biến thứ i tới nguồn âm xs. Khi nguồn âm xs phát tín hiệu âm thanh sk tới vị trí của N cảm biến âm thanh, tín hiệu âm thanh xi(k) thu được tại cảm biến âm thanh thứ i có dạng [5]: xi (k ) i s(k i ) bi (k ) i 1,2,...N (1) Trong đó: αi là hệ số suy giảm âm thanh do môi trường truyền sóng. I là thời gian lan truyền của âm thanh từ nguồn âm tới cảm biến thứ i. bi (k) là tác động của tạp âm lên tín hiệu, có phân bố Gaussian. Chênh lệch thời gian đến của tín hiệu âm thanh trên hai cảm biến i và j là ij i j có thể tính theo chênh lệch cự ly của hai cảm biến tới nguồn âm [5]: ri rj ‖ x s mi‖ ‖ x s m j‖ ij (2) v v v Trong biểu thức (2), v là vận tốc âm thanh trong không khí, mi và mj là tọa độ của hai cảm biến trong không gian. Nếu xác định được τij thì ẩn số chưa biết còn lại chính là tọa độ của nguồn âm thanh xs. Biểu thức (2) cũng là phương trình biểu diễn hyperboloid trong không gian 3 chiều, trong đó, tọa độ của hai cảm biến chính là hai tiêu điểm của hyperboloid. Để xác định tọa độ nguồn âm xs = [xs,ys,zs]T trong không gian 3 chiều, cần giao hội của ít nhất 3 phương trình hyperboloid, tương ứng cần ít nhất 4 cảm biến âm thanh (từ 1 - 4) để tạo thành 3 cặp cảm biến. Khi đó, tọa độ xs = [xs,ys,zs]T của nguồn âm chính là nghiệm của hệ phương trình [1]: v x1 xS 2 y1 zS z1 zS 2 2 ...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Xây dựng giải pháp định vị nguồn âm theo nguyên lý TDOA trong điều kiện vận tốc âm thanh biến đổi Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường XÂY DỰNG GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ NGUỒN ÂM THEO NGUYÊN LÝ TDOA TRONG ĐIỀU KIỆN VẬN TỐC ÂM THANH BIẾN ĐỔI Trần Công Thìn1*, Bùi Ngọc Mỹ1, Nguyễn Huy Hoàng2 , Phạm Văn Hòa1 Tóm tắt: Bài báo trình bày một số kết quả nghiên cứu xây dựng giải pháp định vị nguồn âm theo nguyên lý TDOA. Trong đó, vận tốc âm thanh là tham số quan trọng, ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác định vị, nhất là với các ứng dụng ngoài trời. Trên cơ sở phân tích lý thuyết và tiến hành mô phỏng Monte-Carlo trên Matlab, bài báo sẽ đánh giá ảnh hưởng của vận tốc âm thanh đến sai số định vị, từ đó đưa ra giải pháp định vị nguồn âm mà vận tốc âm thanh được coi là một biến số chưa biết, cho phép cải thiện được độ chính xác định vị theo nguyên lý TDOA. Từ khóa: Định vị nguồn âm; TDOA; Vận tốc âm thanh; Độ chính xác định vị. 1. MỞ ĐẦU Trong các hệ thống định vị nguồn âm thanh sử dụng nguyên lý TDOA (Time Differences of Arrival), vận tốc âm thanh là yếu tố quan trọng, ảnh hưởng đến phép biến đổi giữa chênh lệch thời gian và chênh lệch khoảng cách của các cảm biến âm thanh. Nhiều nghiên cứu trước đây đã coi vận tốc âm thanh là hằng số nhằm đơn giản hóa việc tính toán hoặc áp dụng trong các môi trường hẹp (in-door) [4]. Tuy nhiên, trong thực tế, vận tốc âm thanh phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trường như độ ẩm không khí, áp suất khí quyển và đặc biệt là nhiệt độ môi trường và gió, điều này càng thấy rõ hơn khi nghiên cứu trong phạm vi rộng hoặc ở ngoài trời (out-door) [2]. Do đó, việc coi vận tốc âm thanh như một hằng số trong tính toán định vị nguồn âm sẽ gây ra sai số định vị đáng kể. Bài báo sẽ trình bày một số kết quả trong đánh giá ảnh hưởng của vận tốc âm thanh tới độ chính xác định vị theo nguyên lý TDOA, đồng thời đề xuất giải pháp định vị, trong đó, coi vận tốc âm thanh là một biến số, cho phép nâng cao độ chính xác định vị. 2. ĐỊNH NGUỒN ÂM THEO NGUYÊN LÝ TDOA 2.1. Phương pháp định vị nguồn âm theo nguyên lý TDOA a. Nguồn âm và các cảm biến (b) Tín hiệu trên các cảm biến Hình 1. Mô hình hệ thống định vị nguồn âm thanh theo nguyên lý TDOA. Trong các bài toán định vị nguồn âm ngoài trời như trinh sát phát hiện FlyCam, định vị điểm nổ, phát hiện hỏa lực bắn tỉa,… phương pháp định vị sử dụng nguyên lý TDOA có nhiều ưu điểm như: Cho phép định vị nguồn âm chỉ với số lượng ít cảm biến, không đòi hỏi độ phức tạp trong đồng bộ tín hiệu thu, không yêu cầu năng lực tính toán quá cao [1]. 118 T. C. Thìn, …, P. V. Hòa, “Xây dựng giải pháp định vị … vận tốc âm thanh biến đổi.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Hệ thống định vị nguồn âm thanh theo nguyên lý TDOA điển hình có dạng như trên hình 1, nguồn âm xs và N cảm biến âm thanh được bố trí trong không gian [5]. Trong đó, xs = [xs, ys, zs]T là tọa độ không gian của nguồn âm, ms = [xi, yi, zi]T là tọa độ không gian của cảm biến âm thanh thứ i, với i = 1.. N, ri là cự ly từ cảm biến thứ i tới nguồn âm xs. Khi nguồn âm xs phát tín hiệu âm thanh sk tới vị trí của N cảm biến âm thanh, tín hiệu âm thanh xi(k) thu được tại cảm biến âm thanh thứ i có dạng [5]: xi (k ) i s(k i ) bi (k ) i 1,2,...N (1) Trong đó: αi là hệ số suy giảm âm thanh do môi trường truyền sóng. I là thời gian lan truyền của âm thanh từ nguồn âm tới cảm biến thứ i. bi (k) là tác động của tạp âm lên tín hiệu, có phân bố Gaussian. Chênh lệch thời gian đến của tín hiệu âm thanh trên hai cảm biến i và j là ij i j có thể tính theo chênh lệch cự ly của hai cảm biến tới nguồn âm [5]: ri rj ‖ x s mi‖ ‖ x s m j‖ ij (2) v v v Trong biểu thức (2), v là vận tốc âm thanh trong không khí, mi và mj là tọa độ của hai cảm biến trong không gian. Nếu xác định được τij thì ẩn số chưa biết còn lại chính là tọa độ của nguồn âm thanh xs. Biểu thức (2) cũng là phương trình biểu diễn hyperboloid trong không gian 3 chiều, trong đó, tọa độ của hai cảm biến chính là hai tiêu điểm của hyperboloid. Để xác định tọa độ nguồn âm xs = [xs,ys,zs]T trong không gian 3 chiều, cần giao hội của ít nhất 3 phương trình hyperboloid, tương ứng cần ít nhất 4 cảm biến âm thanh (từ 1 - 4) để tạo thành 3 cặp cảm biến. Khi đó, tọa độ xs = [xs,ys,zs]T của nguồn âm chính là nghiệm của hệ phương trình [1]: v x1 xS 2 y1 zS z1 zS 2 2 ...
Tìm kiếm theo từ khóa liên quan:
Định vị nguồn âm Vận tốc âm thanh Độ chính xác định vị Nguyên lý TDOA Mô phỏng Monte-CarloGợi ý tài liệu liên quan:
-
10 trang 29 0 0
-
KỸ THUẬT PHÂN TÍCH RỦI RO BẰNG MÔ PHỎNG MONTE-CARLO
27 trang 28 0 0 -
Nâng cao chất lượng phát hiện sự kiện âm thanh trong bài toán định vị nguồn âm theo nguyên lý TDOA
11 trang 28 0 0 -
Ảnh hưởng của nhiệt độ, độ mặn tới sự thay đổi vận tốc âm tại khu vực vịnh Bắc Bộ
8 trang 25 0 0 -
Hiệu năng mạng cảm biến không dây sử dụng kỹ thuật truyền thông tán xạ ngược và các cơ chế lựa chọn
9 trang 20 0 0 -
Nghiên cứu dao động của dầm cầu trục khi các tham số mô hình là đại lượng ngẫu nhiên
15 trang 17 0 0 -
Thiết kế tiền mã hóa tuyến tính cho kênh truyền two-way relay
4 trang 17 0 0 -
Phân tích hiệu năng truyền bảo mật sử dụng mã Fountain với kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát
6 trang 16 0 0 -
Hệ thống giám sát đa điểm MLAT – Các tính toán cơ bản về trạm thu
4 trang 15 0 0 -
26 trang 15 0 0