Xây dựng hệ thống phát hiện và định vị hỏa lực bắn tỉa dựa trên nguyên lý TDOA sóng âm

Bài báo trình bày một số kết quả trong việc nghiên cứu xây dựng hệ thống phát hiện và định vị các hỏa lực bắn tỉa dựa trên nguyên lý TDOA sóng âm. Bằng việc sử dụng các sensor thu âm đặt tại các vị trí khác nhau, hệ thống sẽ xác định độ trễ về thời gian truyền sóng âm từ nguồn phát ra tiếng nổ tới các sensor thu âm để định vị hỏa lực, đồng thời điểu khiển camera để quan sát mục tiêu. Mời các bạn tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Xây dựng hệ thống phát hiện và định vị hỏa lực bắn tỉa dựa trên nguyên lý TDOA sóng âm Kỹ thuật điện tử XÂY DỰNG HỆ THỐNG PHÁT HIỆN VÀ ĐỊNH VỊ HỎA LỰC BẮN TỈA DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ TDOA SÓNG ÂM Phạm Văn Hòa*, Trần Quang Huy, Nguyễn Văn Hiếu, Trần Công Thìn Tóm tắt: Bài báo trình bày một số kết quả trong việc nghiên cứu xây dựng hệ thống phát hiện và định vị các hỏa lực bắn tỉa dựa trên nguyên lý TDOA sóng âm. Bằng việc sử dụng các sensor thu âm đặt tại các vị trí khác nhau, hệ thống sẽ xác định độ trễ về thời gian truyền sóng âm từ nguồn phát ra tiếng nổ tới các sensor thu âm để định vị hỏa lực, đồng thời điểu khiển camera để quan sát mục tiêu. Giải pháp đã được kiểm tra, thử nghiệm trên máy tính và đã cho một số kết quả khả quan, làm tiền đề cho việc nghiên cứu chế tạo hệ thống định vị hỏa lực bắn tỉa phục vụ an ninh quốc phòng. Từ khóa: Súng bắn tỉa, Hỏa lực bắn tỉa, Định vị sóng âm, TDOA, Định vị Hypebolic. 1. MỞ ĐẦU Nhiều năm gần đây, các hệ thống định vị hỏa lực đang được nhiều nước trên thế giới đầu tư phát triển, đứng đầu là Mỹ, Anh, Đức, Pháp, Nga... với nhiều chương trình nghiên cứu, triển khai ứng dụng khác nhau trong các hoạt động quân sự và an ninh. Các hệ thống có thể được đặt cố định trên mặt đất, các tòa nhà, công sự hoặc trên các xe chiến đấu, máy bay, tàu chiến. Hầu hết các hệ thống định vị hỏa lực đều dựa trên nguyên lý định vị thụ động để xác định vị trí của tiếng đạn nổ. Bằng việc sử dụng các sensor thu âm đặt tại các vị trí khác nhau, hệ thống sẽ xác định độ trễ về thời gian truyền sóng âm từ nguồn phát ra tiếng nổ tới các sensor để định vị hỏa lực ở cự ly từ vài chục đến hàng nghìn mét. Một số hệ thống còn được tích hợp thêm kính ngắm, camera để quan sát mục tiêu hoặc tự động truyền các thông số định vị cho các lực lượng hỏa lực tiêu diệt mục tiêu một cách nhanh chóng. Bài báo sẽ trình bày một số nội dung chính trong việc xây dựng hệ thống tự động phát hiện và định vị các hỏa lực bắn tỉa, sử dụng nguyên lý sai lệch thời gian đến TDOA (Time Differences Of Arrival) kết hợp với quang - điện tử. 2. PHÁT HIỆN VÀ ĐỊNH VỊ HỎA LỰC BẮN TỈA BẰNG SÓNG ÂM 2.1. Đặc trưng sóng âm của đạn Khi một viên đạn được bắn ra từ súng, có 2 dạng sóng âm khác nhau được phát ra như trên hình 1 gồm: tiếng nổ đầu nòng (Muzzle Blast) và sóng xung kích (Shock Wave). Sóng xung kích được tạo ra khi viên đạn bay trong không khí với tốc độ siêu âm, sóng âm có dạng hình nón dọc theo quỹ đạo của đạn, suy giảm nhanh trong môi trường không khí, thời gian tồn tại ngắn (< 200s), tần số đặc trưng cho mỗi loại đầu đạn và thường nằm trong dải từ 1-4kHz. Tiếng nổ đầu nòng là âm thanh có cường độ lớn, vượt trội hơn so với các âm thanh từ môi trường xung quanh, sóng lan truyền có dạng hình cầu, tỏa ra mọi hướng và có tần số tập 88 P.V. Hòa, Tr.Q. Huy, N.V. Hiếu, Tr. C. Thìn, “Xây dựng hệ thống … TDOA sóng âm.” Nghiên cứu khoa học công nghệ trung trong dải 100-500Hz [2,3,4]. Do đó, trong các hệ thống cần phải nhận dạng loại đạn, việc sử dụng sóng xung kích có lợi thế hơn, nhưng đòi hỏi phải có đủ thông tin thống kê một số đặc trưng của các loại đạn. Với các hệ thống chỉ cần xác định vị trí của hỏa lực thì việc thu và xử lý tiếng nổ đầu nòng là giải pháp đơn giản hơn mà vẫn đạt được các yêu cầu về độ chính xác và thời gian xử lý [4]. Hình 1. Dạng tín hiệu sóng âm của đạn [2]. 2.2. Nguyên lý TDOA trong định vị hỏa lực bằng sóng âm Trong các bài toán định vị thụ động, nguyên lý TDOA được sử dụng rộng rãi, có thể định vị với độ chính xác cao. Với các hệ thống định vị hỏa lực, các sensor thu âm được đặt tại các vị trí sao cho cự ly đến điểm đặt hỏa lực khác nhau, do đó thời điểm sóng âm truyền tới các sensor cũng khác nhau như trên hình 2. Hình 2. Lan truyền của tiếng đạn nổ đến sensor [5]. Bên cạnh đó, hiệu cự ly R12 có thể biểu diễn qua tọa độ của các điểm M, S1 và S2. Do đó ta có phương trình [1,5]: 2 2 2 2 2 2 Vat .t12   x1  x    y1  y    z1  z    x2  x    y2  y    z2  z  (1) Phương trình (1) được gọi là phương trình TDOA. Trong không gian 3 chiều, để tìm tọa độ (x, y, z) của nguồn âm, cần tối thiểu 3 phương trình TDOA độc lập tuyến tính, tương ứng cần có 4 sensor không cùng nằm trong một mặt phẳng. Khi đó, hệ phương trình TDOA cho 4 sensor có dạng [1,5]: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 89  Kỹ thuật điện tử  V .t  x  x 2  y  y 2  z  z 2  x  x 2  y  y 2  z  z 2  at 12 1   1  1   2   2   2   2 2 2 2 2 2 Vat .t23   x2  x    y2  y    z2  z    x3  x    y3  y    z3  z  (2)   Vat .t34  ( x3  x) 2  ( y3  y ) 2  ( z3  z ) 2  ( x4  x) 2  ( y4  y ) 2  ( z4  z ) 2  trong đó: (x1, y1, z1), (x2, y2, z2), (x3, y3, z3), (x4, y4, z4) tương ứng là tọa độ của 4 sensor S1, S2, S3 và S4. Tuy nhiên, việc giải hệ phương trình TDOA (2) đã được trình bày trong nhiều tài liệu, nhất là [5] cho thấy, hệ phương trình TDOA thường có 2 nghiệm. Do đó, bài toán định vị theo nguyên lý TDOA sẽ xác định được 2 điểm, trong đó có 1 điểm ảo. Để loại trừ các nghiệm ảo, có thể sử dụng các thông tin tiên nghiệm về vị trí nguồn âm hoặc cần có thêm một hay nhiều trạm thu âm cùng hoạt động. Với các hệ thống định vị hỏa lực bắn tỉa, nguyên lý TDOA mang lại nhiều ưu điểm như: thiết kế đơn giản, gọn nhẹ, dễ triển khai, lắp đặt và sử dụng, giá thành thấp hơn các phương pháp khác, nhưng lại có kh ...