Phương pháp thiết kế các hệ thống sonar chủ động 320068
- 58 trang
- file .pdf
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Phương Pháp Thiết Kế Các Hệ Thống
Sonar Chủ Động
NGUYỄN ĐĂNG CÔNG
[email protected]
Ngành Kỹ thuật Viễn Thông
Giảng viên hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Văn Đức
Chữ ký của GVHD
Viện: Viện Điện tử - Viễn thông
HÀ NỘI, 10/2020
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn có tên "Phương Pháp Thiết Kế Các Hệ Thống
Sonar Chủ Động" là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi. Các số liệu sử
dụng phân tích trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng, tin cậy. Kết quả nghiên cứu trong
luận văn do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực khách quan và phù hợp với
thực tiễn ở Việt Nam.
Vậy tôi viết lời cam đoan này kính đề nghị Viện Điện tử - Viễn thông, Trường
Đại Học Bách Khoa Hà Nội xem xét để tôi có thể bảo vệ luận văn theo quy định.
Tôi xin chân thành cảm ơn.
Hà Nội, ngày 30 tháng 10, năm 2020
Tác giả luận văn
Nguyễn Đăng Công
LỜI CẢM ƠN
Luận văn được thực hiện ở Phòng nghiên cứu WicomLab, trường ĐH Bách
Khoa Hà Nội, trong khuôn khổ của đề tài NCKH do PGS. TS. Nguyễn Văn Đức làm
chủ nhiệm. Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS. TS. Nguyễn Văn Đức - người
đã tận tình hướng dẫn, chia sẻ kinh nghiệm và đưa ra những ý kiến góp ý quý báu
cùng sự động viên tinh thần trong suốt quá trình em thực hiện luận văn này.
Do thời gian thực hiện có hạn, kiến thức chuyên môn còn nhiều hạn chế nên
luận văn do em thực hiện sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận
được những ý kiến góp ý quý báu của quý thầy cô và bạn đọc.
Em xin chân thành cảm ơn!
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Công nghệ SONAR Chirp có nhiều ưu điểm so với SONAR truyền thống như
độ phân giải cao hơn, có thể thích ứng với nhiều đối tượng và nhiều môi trường có
đặc điểm khác nhau, sử dụng công suất phát bé hơn. Vì vậy hiện nay Công nghệ
SONAR Chirp đã được ứng dụng rộng rãi và có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh
vực cả dân dụng và quân sự: Điều khiển xa trong ngành công nghiệp khai thác dầu
mỏ trên biển, vẽ đáy đại dương để tìm các nguồn tài nguyên mới, Thông tin liên lạc
giữa các thiết bị ngầm, người nhái, Phát hiện và định vị ngư lôi, tầu gầm…
Trong luận văn này em tập trung nghiên cứu Phương pháp thiết kế một hệ
thống SONAR chủ động sử dụng xung Chirp để phát hiện và đo khoảng cách của một
đối tượng trong môi trường nước.
Công cụ mô phỏng hoạt động của hệ thống là phần mềm Matlab. Dữ liệu đầu
ra được thống kê, phân tích và đánh giá. Kết quả là hệ thống có thể phát hiện và đo
khoảng cách của một đối tượng trong môi trường nước với độ chính xác chấp nhận
được (sai số <0.95m, với dải đo 2-100m) có khả năng ứng dụng được trong thực tiễn.
Đề tài là tiền đề phát triển nhiều ứng dụng quan trọng trong một số lĩnh vực
khác nhau như: Máy dò cá (Fish Finder), quét bề mặt dưới ước (3D side scan)…
Hà Nội, ngày 30 tháng 10, năm 2020.
Tác giả luận văn
Nguyễn Đăng Công
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ 5
DANH MỤC CÁC BẢNG 7
CHƯƠNG 1. LÝ THUYẾT VỀ SONAR VÀ SONAR CHIRP 1
1.1 Sự phát triển của hệ thống SONAR kỹ thuật số ...............................................1
1.2 Định nghĩa và phân loại SONAR .....................................................................4
Định nghĩa SONAR ..................................................................................4
SONAR chủ động .....................................................................................5
SONAR thụ động ......................................................................................6
1.3 Xung Chirp trong hệ thống SONAR chủ động .................................................7
Kỹ thuật dò tìm sử dụng xung Chirp ........................................................7
Ưu điểm của việc sử dụng xung Chirp trong hệ thống SONAR ..............8
1.4 Ứng dụng hệ thống SONAR ...........................................................................10
Ứng dụng trong lĩnh vực dân sự .............................................................10
Ứng dụng trong lĩnh vực quân sự ...........................................................10
1.5 Kết luận chương .............................................................................................13
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG SONAR CHỦ ĐỘNG 14
2.1 Phương pháp thiết kế .....................................................................................14
Xác định các thông số kỹ thuật của hệ thống Sonar ...............................15
Thiết kế kỹ thuật .....................................................................................16
2.2 Thiết kế chi tiết hệ thống ................................................................................17
Sơ đồ khối hệ thống ................................................................................17
Thiết kế chi tiết khối phát .......................................................................18
a) Bộ tạo xung CHIRP ....................................................................................18
b) Bộ khuếch đại công suất .............................................................................20
Thiết kế chi tiết khối thu. ........................................................................24
a) Sơ đồ khối chi tiết bên thu. .........................................................................24
b) Lý thuyết về các mạch sử dụng trong khối thu ..........................................25
c) Kết quả mô phỏng: .....................................................................................25
d) Thuật toán xử lý khoảng cách ở khối thu trên MatLab ..............................25
2.3 Kết luận chương .............................................................................................28
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 29
3.1 Các thông số đầu vào mô phỏng ....................................................................29
3.2 Kết quả mô phỏng ..........................................................................................30
3.3 Đánh giá kết quả mô phỏng ...........................................................................42
3.4 Kết luận chương .............................................................................................44
KẾT LUẬN CHUNG 45
1. Kết luận ..........................................................................................................45
2. Hướng phát triển của đề tài: ..........................................................................45
TÀI LIỆU THAM KHẢO 47
PHỤ LỤC 48
A1. Mã mô phỏng điều chế xung Chirp .................................................................48
A2. Mã mô phỏng và xử lý tín hiệu ........................................................................49
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sơ đồ tổng quan về một hệ thống SONAR [1] ............................................2
Hình 1.2 Nguyên lý sonar chủ động ...........................................................................5
Hình 1. 3 Nguyên lý Sonar thụ động ..........................................................................6
Hình 1.4 Ảnh quét được từ máy tầm ngư sử dụng công nghệ SONAR đơn tần [4] 7
Hình 1.5 Mô tả dạng xung Sonar truyền thống và Sonar Chirp [5][9] .......................8
Hình 1.6 Độ phân giải mục tiêu của xung chirp [5] ...................................................9
Hình 1.7 CHIRP tùy chỉnh độ nhạy để phân biệt giữa các khác biệt khó thấy [5] .....9
Hình 1.8 Sonar quét sườn [10] ..................................................................................11
Hình 2.1 Quy trình cơ bản thiết kế một hệ thống SONAR .......................................14
Hình 2.2 Sơ đồ tổng quan hệ thống SONAR xác định khoảng cách ........................16
Hình 2.3 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống Sonar ...........................................................17
Hình 2.4 Sơ đồ khối bên phát ....................................................................................18
Hình 2.5 Tạo xung chirp trên matlab (đồ thị trong miền thời gian) .........................19
Hình 2.6 Phổ tần số xung Chirp sau biến đổi FFT (đồ thị trong miền tần số) ..........20
Hình 2.7 Xung Chirp phát với chu kỳ 100ms, độ rộng xung 1ms ............................20
Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý mạch ................................................................................21
Hình 2.9 Sơ đồ chân IC khuếch đại thuật toán LF356N[12] ....................................22
Hình 2.10 Biểu đồ hệ số khuếch đại của IC LF356N. [11].......................................22
Hình 2.11 Tín hiệu mô phỏng sau khi qua mạch khuếch đại. ...................................23
Hình 2.12 Đồ thị đáp ứng tần số của mạch khuếch đại công suất. ...........................23
Hình 2.13 Sơ đồ khối chi tiết bên thu .......................................................................24
Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý mạch thu ........................................................................24
Hình 2.15 Tín hiệu sau khi mô phỏng trên phần mềm ORCAD ...............................25
Hình 2.16 Sơ đồ hệ thống xử lý tín hiệu thu .............................................................26
Hình 2.17 Sơ đồ thuật toán tính toán khoảng cách ...................................................26
Hình 2.18 Tín hiệu sau khi qua lọc và tách sóng đường bao (chỉ lấy biên độ) .........27
Hình 3.1 Sơ đồ mô phỏng xử lý trong Matlab ..........................................................28
Hình 3.2 Xung Chirp có tần số biến đổi 0 - 40 kHz, biên độ 1 V .............................29
Hình 3.3 Tín hiệu mô phỏng xung gốc và xung phản xạ ..........................................30
Hình 3.4 Tín hiệu thu khi đi qua kênh nhiễu trắng ...................................................31
Hình 3.5 Đồ thị đáp ứng tần số của bộ lọc ................................................................32
Hình 3.6 Tín hiệu sau khi đi qua bộ lọc thông thấp fc = 40 kHz .............................32
Hình 3.7 Tín hiệu sau khi đi qua bộ lọc tách sóng đường bao ..................................33
Hình 3.8 Kết quả tính toán xác định khoảng cách giữa xung gốc và xung phản xạ .34
Hình 3.9 Kết quả mô phỏng xung phát và xung phản xạ sau khi lọc thông thấp từ cự
ly khoảng 37 m ..........................................................................................................34
Hình 3.10 Kết quả mô phỏng xung phát và xung phản xạ sau khi lọc tách đường bao
từ cự ly khoảng 37 m.................................................................................................35
Hình 3. 11 Kết quả sau khi tính toán 37 m ...............................................................37
Hình 3. 12 Kết quả mô phỏng xung phát và xung phản xạ sau khi lọc thông thấp từ
cự ly khoảng 52 m .....................................................................................................38
Hình 3. 13 Kết quả mô phỏng xung phát và xung phản xạ sau khi lọc tách đường bao
từ cự ly khoảng 52 m.................................................................................................39
Hình 4. 14 Kêt quả sau khi tính toán 52m ................................................................40
Hình 3. 15 Kết quả mô phỏng cho khoảng cách 7.8 m .............................................40
Hình 3. 16 Xung gốc và xung phản xạ khi phóng to ra của D=7.8 m ......................40
Hình 3. 17 Kết quả sau khi tính toán D=7.8 m .........................................................41
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Kết quả giá trị mô phỏng mạch phát với dãi tần rộng ...............................22
Bảng 3.1 Bảng thống kê kết quả thu được sau khi mô phỏng ..................................41
CHƯƠNG 1. LÝ THUYẾT VỀ SONAR VÀ SONAR
CHIRP
SONAR là một công nghệ dựa trên sự lan truyền sóng âm thanh được dùng
để liên lạc, xác định và giám giát đối tượng trong môi trường nước... Các ứng dụng
của SONAR có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực cả dân dụng và quân sự:
Điều khiển xa trong ngành công nghiệp khai thác dầu mỏ trên biển, vẽ đáy đại
dương để tìm các nguồn tài nguyên mới, Thông tin liên lạc giữa các thiết bị ngầm,
người nhái, Phát hiện và định vị ngư lôi, tầu gầm…
Cơ sở quan trọng của thiết kế SONAR có liên quan chặt chẽ đến các lĩnh
vực khác, chẳng hạn như âm học, tin học, điều khiển học và kỹ thuật đại dương.
Vào những năm 1960, các nhà thiết kế sonar bắt đầu sử dụng các kỹ thuật số để
thực hiện các thiết kế của họ. Với sự phát triển nhanh chóng của lý thuyết xử lý tín
hiệu số và bộ vi xử lý, quy trình số hóa cho các hệ thống sonar phát triển nhanh
chóng. Chip DSP (bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số) được sử dụng rộng rãi trong các
hệ thống SONAR giúp làm tăng đáng kể khả năng và hiệu suất xử lý.
Ngoài ra, triết lý thiết kế của SONAR kỹ thuật số và các ứng dụng của nó
thúc đẩy nghiên cứu về âm học dưới nước và xử lý tín hiệu số. Nghiên cứu này đã
tạo ra nhiều ý tưởng mới và tạo ra nhiều cơ hội mới, chẳng hạn như giao tiếp âm
thanh kỹ thuật số dưới nước, NeW (chiến tranh tập trung vào mạng), GPS dưới
nước (hệ thống định vị toàn cầu) và DDS kỹ thuật số (sonar phát hiện thợ lặn).
1.1 Sự phát triển của hệ thống SONAR kỹ thuật số
Sóng âm là phương tiện vật lý duy nhất có thể truyền trong nước trong một
khoảng cách xa. Các loại phát xạ năng lượng khác, chẳng hạn như sóng quang học
và điện từ sẽ nhanh chóng suy hao trong đại dương. Mặc dù sóng điện từ có bước
sóng dài (100 m - 100 km) và một số sóng quang học có bước sóng 440 - 580 nm
như laze xanh lam và xanh lục có thể lan truyền xa hơn một chút, nhưng khoảng
cách mà chúng có thể đạt được nhỏ hơn nhiều lần so với sử dụng sóng âm dưới
nước. Vì vậy, các ứng dụng của sóng vô tuyến dưới nước rất hạn chế.[1]
1
Kênh truyền sóng âm dưới nước (kênh âm thanh dưới nước) có đặc tính rất
phức tạp. Việc nghiên cứu các quy luật phát, truyền và thu âm thanh dưới nước là
rất quan trọng cả về lý thuyết và ứng dụng. SONAR là một trong những lĩnh vực
ứng dụng quan trọng nhất của các nghiên cứu như vậy. SONAR yêu cầu thiết bị
đặc biệt, thường bao gồm hai phần, "đầu ướt" được lắp đặt dưới nước và "đầu khô"
được lắp đặt trên bệ, trên mặt nước (Hình 1.1).[1]
Hệ thống SONAR
Đầu ướt Đầu khô
Đầu phát và đầu
Bộ xử lý tín hiệu
thu (Tranducer)
Hình 1. 1 Sơ đồ tổng quan về một hệ thống SONAR [1]
Đầu ướt bao gồm các thành phần được lắp đặt dưới nước và đầu khô bao
gồm các thành phần được lắp đặt trong tàu thuyền, trên bờ, máy bay...
Âm thanh dưới nước có lẽ đã được sử dụng bởi động vật biển trong hàng
triệu năm. Năm 1687, Isaac Newton đã viết Nguyên lý Toán học của Triết học Tự
nhiên, trong đó bao gồm phương pháp xử lý toán học đầu tiên về âm thanh.
Bước quan trọng tiếp theo trong sự phát triển của âm học dưới nước được
thực hiện bởi Daniel Colladon, một nhà vật lý Thụy Sĩ và Charles Sturm, một nhà
toán học Pháp. Năm 1826, trên Hồ Geneva, họ đo thời gian trôi qua giữa một tia
sáng và tiếng chuông từ một con tàu chìm bằng thiết bị nghe dưới nước. Họ đo
được tốc độ âm thanh là 1,435 m/s trong khoảng cách 17 km, cung cấp phép đo
định lượng đầu tiên về tốc độ âm thanh trong nước. Kết quả họ thu được nằm trong
khoảng 2% giá trị hiện được chấp nhận. [1]
Từ cuối Chiến tranh thế giới thứ nhất đến trước Chiến tranh thế giới thứ hai,
các ứng dụng thực tế của âm học dưới nước phát triển chậm nhưng liên tục. Thành
2
tựu quan trọng nhất trong thời kỳ này là sự hiểu biết và kiến thức thu được về sự
truyền âm dưới nước trong đại dương. [1]
Động lực do Thế chiến II đã thúc đẩy đáng kể sự phát triển của thiết kế âm
học dưới nước và thiết kế SONAR. Bởi vì các nước tham gia muốn thiết lập sức
mạnh hải quân của họ, các nhà khoa học và kỹ sư của họ chú ý nhất đến việc nghiên
cứu âm học dưới nước. Ngày nay, hầu hết tất cả các khái niệm quan trọng trong
âm học dưới nước đều có thể bắt nguồn từ những khám phá khoa học được thực
hiện trong Thế chiến thứ hai, bao gồm suy hao truyền dẫn, hấp thụ, độ vang và
cường độ mục tiêu, v.v.[1]
Sau Thế chiến thứ hai, sự phát triển của các hệ thống sonar chủ yếu là do
chiến tranh lạnh, dẫn đến những tiến bộ trong lý thuyết và thực tiễn về âm học dưới
nước, được hỗ trợ bởi các kỹ thuật dựa trên máy tính. Các kỹ thuật và thiết bị mới
đã được giới thiệu trong lĩnh vực sonar quân sự, chẳng hạn như sonar mảng kéo,
sonar mảng bên sườn, sonar độ sâu thay đổi, sonar mảng thích ứng và sonar hình
ảnh… Trong lĩnh vực ứng dụng dân dụng, hệ thống sonar cũng được nhiều nhà
khoa học và kỹ sư quan tâm vì các ứng dụng trong thăm dò dầu khí dưới nước, cứu
hộ và phục hồi thảm họa biển, khảo cổ học dưới nước...
Là một hệ thống điện tử tích hợp, sự phát triển của hệ thống SONAR bị ảnh
hưởng và hạn chế bởi nhiều ngành khoa học liên quan, bao gồm kỹ thuật điện, kỹ
thuật đại dương, liên lạc vô tuyến, khoa học vật liệu, công nghệ vi xử lý và lý
thuyết xử lý tín hiệu. Cho đến những năm 1960, kỹ thuật được áp dụng trong các
hệ thống sonar là xử lý tín hiệu tương tự. Các thành phần được sử dụng trong phần
cứng sonar là ống điện tử hoặc bóng bán dẫn. Do việc sử dụng xử lý tín hiệu tương
tự bị hạn chế bởi nhiều điều kiện khác nhau, bao gồm băng thông tần số của tín
hiệu, tốc độ truyền dữ liệu và dung lượng bộ nhớ, nên hiệu suất của các hệ thống
này vẫn ở mức thấp. Tuy nhiên, khuôn khổ cơ bản của xử lý tín hiệu SONAR đã
được thiết lập trong thời kỳ này và đã trở thành một lĩnh vực độc lập trong âm học
dưới nước. [1]
Ngày nay các ứng dụng của các hệ thống SONAR viết tắt của “Sound
Navigation An Range” (Dò tìm và Định vị bằng sóng âm) rất phổ biến và có tầm
quan trọng lớn trong nhiều lĩnh vực kể cả dân sự và quân sự. [1]
3
Trong các lĩnh vực dân sự radar thường được dùng để tránh va chạm và
tai nạn cho tàu thuyền và xe cộ khi có thời tiết xấu như sương mù hay mưa to, hay
dùng để giám sát giao thông và một số loại radar đặc biệt dùng laser được dùng
trong dự báo khí tượng thuỷ văn. Còn trong dân sự sonar có rất nhiều ứng dụng
như dò cá, đo độ sâu mực nước, lập bản đồ vùng nước hay vẽ hình dạng bề mặt
đại dương…[1]
Trong các lĩnh vực quân sự radar và sonar có rất nhiều ứng dụng quan
trọng. Về radar ứng dụng để quét và theo dõi các mục tiêu quân sự như máy bay,
tàu chiến, xe cộ quân sự… các hệ thống radar được tích hợp trong hầu hết các thiết
bị quân sự hiện đại như máy bay chiến đấu, hệ thống phòng thủ tên lửa, tàu chiến,
xe tăng… Nhưng do radar sử dụng sóng vô tuyến nên chủ yếu sử dụng để quét trên
mặt đất và trên không chứ không thể quét ở dưới nước, vì sóng điện từ bị suy hao
rất lớn nên hầu như ko thể lan truyền được ở trong môi trường nước. Nên để quét
và dò tìm mục tiêu ở dưới nước, không dùng radar mà người ta nghiên cứu ra công
nghệ sonar dùng để trang bị cho các tàu ngầm, hay các thiết bị quét tàu ngầm được
gắn ở dưới thân các tàu chiến… [1]
1.2 Định nghĩa và phân loại SONAR
Định nghĩa SONAR
SONAR (Sound Navigation And Ranging) là kỹ thuật sử dụng sự lan
truyền sóng âm thanh (thường là dưới nước) để tìm đường di chuyển, liên lạc hoặc
phát hiện các đối tượng khác ở trên mặt, trong lòng nước hoặc dưới đáy nước, như
các cá, tàu bè, vật thể trôi nổi hoặc chìm trong bùn cát đáy…[2][7]
SONAR được chia thành 2 loại:
SONAR chủ động: Tự phát xung sóng và nghe tiếng vọng lại.
SONAR thụ động: Chỉ nghe âm thanh do tàu thuyền hoặc các vật khác
phát ra.
4
SONAR chủ động
SONAR chủ động dùng đầu phát (Transmitter) phát xung sóng, thường
được gọi là một "ping", và nghe tiếng vọng lại ở đầu thu (Receiver). Có nhiều cách
bố trí hình học các đầu phát và thu, cho ra cách thức định vị đối tượng khác nhau:
Nếu phát và thu ở cùng một chỗ, hoạt động của nó là đơn
tĩnh (monostatic).
Nếu phát và thu tách biệt, hoạt động của nó là song tĩnh (bistatic).
Nếu có nhiều đầu phát (hoặc nhiều đầu thu) ở vị trí tách biệt, hoạt động
của nó là đa tĩnh (multistatic).
Xung phát
Tranducer Phát
Vật thể
Tranducer Thu
Xung phản xạ
Hình 1. 2 Nguyên lý sonar chủ động
Hầu hết SONAR là đơn tĩnh. Xung âm thanh phát ra có thể được bộ phận
tạo tia (beamformer) tập trung sóng thành một chùm mạnh. Ngoài ra một số công
cụ khác cũng có thể tạo sóng âm.
SONAR chủ động cũng được sử dụng để đo khoảng cách trong môi trường
nước giữa hai đầu dò SONAR hoặc kết hợp một Hydrophone (micrô âm thanh
dưới nước) và projector (loa âm thanh dưới nước). Đầu dò là một thiết bị có thể
truyền và nhận tín hiệu âm thanh ("ping"). Để đo khoảng cách, một đầu dò truyền
một tín hiệu xung và đo khoảng thời gian giữa xung phát đi và xung nhận về sau
đó dựa vào đặc tính truyền của sóng âm trong nước chúng ta sẽ tính được khoảng
cách. Sự khác biệt về thời gian nhân với tốc độ âm thanh truyền trong môi trường
nước và chia cho hai ta được khoảng cách giữa hai vật. Giá trị vận tốc sóng âm
trong môi trường nước là 1500 m/s. Để có độ chính xác khoảng cách cao hơn, phải
5
đo giá trị đó trong môi trường cụ thể, hoặc tính ra theo quan hệ tốc độ với độ mặn
và nhiệt độ. Nếu các đối tượng ở xa, tín hiệu phản xạ nhỏ, thì người ta dùng kỹ
thuật đa tia và đa tần. Xử lý tín hiệu thu (Digital processing) dựa theo khuôn mẫu
của tín hiệu phát ra, và so sánh kết quả của các lần phát, từ đó sẽ cho ra giá trị tin
cậy.
Khi phát xung đơn tần hoặc biến đổi tần trong dải hẹp, thì bằng hiệu ứng
Doppler sẽ tính được tốc độ dịch chuyển xuyên tâm của đối tượng. Khi bố trí nhiều
đầu thu và xử lý tín hiệu đồng thời, sẽ định vị được đối tượng. Cách thức bố trí đầu
thu xác định vùng định vị tin cậy.
Ngoài tác dụng dò tìm, thì SONAR còn dùng cho trao đổi thông tin dưới
nước. Thông tin được mã hóa theo cách thức nào đó, và được gửi vào nước.
SONAR thụ động
SONAR thụ động là hệ thống SONAR lắng nghe mà không phát tín hiệu.
Nó thường được sử dụng trong quân sự, mặc dù nó cũng được sử dụng trong các
ứng dụng khoa học, ví dụ để phát hiện cá trong nghiên cứu biển hoặc đánh cá, các
vụ nổ mìn ở đảo, để nghe các vụ rung chấn hay phun trào đáy biển. Theo nghĩa
rộng SONAR thụ động bao gồm các kỹ thuật phân tích liên quan đến âm thanh
phát ra từ xa nhằm tới xác định vị trí và bản chất nguồn phát.
Tranducer thu Vật thể
Tín hiệu do đối tượng phát ra
Hình 1. 3 Nguyên lý Sonar thụ động
6
1.3 Xung Chirp trong hệ thống SONAR chủ động
Kỹ thuật dò tìm sử dụng xung Chirp
SONAR Chirp là gì?
SONAR Chirp là SONAR sử dụng điều chế xung Chirp cho phép cung
cấp chất lượng hình ảnh tốt hơn nhiều so với SONAR truyền thống mà chúng
ta đã từng sử dụng trước đây.
Rất nhiều người vẫn sử dụng SONAR chỉ với một đầu dò tần số đơn,
tần số kép hoặc có thể là tần số ba. Chúng đã được chứng minh là phục vụ
tốt cho các ứng dụng quân sự và dân sự trong nhiều năm gần đây. Tuy nhiên,
chúng ta sẽ xem xét và so sánh một chút qua với hệ thống sonar tần số cố
định.
a) SONAR tần số cố định truyền thống
Hình 1.4 Ảnh quét được từ máy tầm ngư sử dụng công nghệ SONAR đơn tần [4]
SONAR truyền thống truyền một xung năng lượng vào môi trường
nước ở một tần số đã chọn, sau đó "lắng nghe" tiếng vọng trở lại. Sau đó, hệ
thống phần mềm của đơn vị sẽ xử lý dữ liệu này để tạo thành hình ảnh cấu
trúc đáy và cá mà bạn vừa nhìn thấy trên màn hình. Loại xung năng lượng
7
này cũng có công suất cao, tuy nhiên nó có thời gian ngắn khủng khiếp. Điều
này hạn chế toàn bộ năng lượng có thể được truyền vào trong môi trường
nước sâu.
Các tần số khác nhau cho thấy mức độ chi tiết hoàn toàn khác nhau. Ví
dụ, xung tần số cao 200 kHz cung cấp độ chi tiết tuyệt vời, tuy nhiên không
thể xuyên qua độ sâu cực lớn. Xung tần số thấp 50 kHz thâm nhập sâu hơn
tuy nhiên hiển thị ít chi tiết hơn. Đây có thể là lý do tại sao SONAR truyền
thống hiện sử dụng tối thiểu một thiết bị điện tần số kép hoặc có thể là tần số
ba tần số để tạo ra sự kết hợp tốt giữa độ sâu và chi tiết.
b) SONAR Chirp (Sonar tần số biến đổi)
SONAR Chirp là hệ thống SONAR sử dụng xung Chirp, nó phát một
trùm xung với tần số biến đổi vào môi trường nước. nhằm thích ứng tối đa
với các đặc điểm môi trường khác nhau và đối tượng cần xác định khác nhau.
Hình 1.5 Mô tả dạng xung Sonar truyền thống và Sonar Chirp [5][9]
Ưu điểm của việc sử dụng xung Chirp trong hệ thống SONAR
- SONAR Chirp có sức mạnh và độ xử lý nhạy để mang lại độ phân giải mục
tiêu tốt hơn, rõ và sinh động hơn bất kỳ hệ thống SONAR tiêu chuẩn nào.
8
- Việc quét các âm báo cung cấp nhiều dữ liệu và độ phân giải cao hơn đồng
thời mô tả rõ hơn về các mục tiêu.
- Sử dụng công suất phát bé hơn so với SONAR truyền thống.
Hình 1.6 Độ phân giải mục tiêu của xung chirp [5]
Mỗi tần số phản ứng khác nhau với mật độ cấu trúc. CHIRP tùy chỉnh độ
nhạy để phân biệt giữa các khác biệt khó thấy nhằm tạo ra hình ảnh rõ ràng hơn về
những gì bên dưới
Hình 1.7 CHIRP tùy chỉnh độ nhạy để phân biệt giữa các khác biệt khó thấy [5]
9
1.4 Ứng dụng hệ thống SONAR
Ứng dụng trong lĩnh vực dân sự
Trong lĩnh vự dân sự ứng dụng của SONAR rất rộng và có nhiều ứng dụng
quan trọng. Một ứng dụng hiện nay được sử dụng rất nhiều trên các tàu cá là máy
tầm ngư. Người ta sử dụng công nghệ SONAR để quét và phát hiện cá trên ao hồ
và biển để dễ dàng đánh bắt. Công nghệ hiện tại được trang bị cho các tàu cá hiện
đại có thể phát hiện được các đàn cá lớn ở khoảng cách khá xa giúp các tàu cá ra
khơi đạt hiệu suất cao. Giúp tiết kiệm ngày ra khơi công sức của ngư dân.
Ứng dụng đo sâu hồi âm (Echo sounding) là một loại SONAR nhỏ gọn
dùng cho xác định độ sâu nước, bằng cách phát xung siêu âm vào nước và thu nhận
tín hiệu phản xạ từ đáy nước, từ đó xác định ra độ sâu. Chúng còn có tên là máy
đo sải nước. Thông thường các đầu phát-thu được gắn cạnh tàu thuyền sao cho khi
gặp sóng nước thì không lộ ra, phát sóng từ gần mặt nước. Tín hiệu từ đầu thu
được theo dõi liên tục, hiện trên màn hình trượt hoặc in băng ghi giấy nhiệt, ở dạng
một đường ghi có mã hóa cường độ tín hiệu theo thang độ xám. Băng ghi như vậy
hiện ra hình ảnh mặt cắt hồi âm dọc hành trình. Trong trường hợp thuận lợi có thể
hiện ra được những ranh giới hay dị vật trong lớp bùn đáy.
Ứng dụng trong lĩnh vực quân sự
Sonar quét sườn (Side Scan Sonar), còn gọi là Sonar ảnh sườn (Side
imaging sonar), Sonar phân loại đáy (Bottom classification sonar) là hệ thống đo
quét sườn, sử dụng ít nhất hai kênh phát-thu siêu âm đặt bên sườn. Đầu đo có cánh
định hướng để nó nằm ngang. Kết quả phản xạ siêu âm sườn được ghi lên giấy ghi
nhiệt, cho ra hai hình ảnh hồi âm sườn nhìn từ sát đáy của hành trình đo. Sonar
quét sườn được coi là một phương pháp địa vật lý, sử dụng trong nghiên cứu địa
chất biển, và là thành phần không thể thiếu của tàu nghiên cứu biển.[6]
10
Hình 1. 8 Sonar quét sườn [10]
Lập bản đồ địa hình vùng nước: Trong việc lập Bản đồ địa hình trên vùng
biển hoặc vùng nước nói chung, sonar phục vụ đo độ sâu (Bathymetry) và xác định
trạng thái đáy nước, như là đá cứng, dị vật, cát, bùn hay thảm thực vật. Độ sâu
được tính chuyển sang độ cao đáy, còn thông tin trạng thái đáy thì được ghi chú
hoặc đánh dấu bằng các ký hiệu thích hợp, để biểu diễn trên bản đồ hoặc hải đồ.
Phục vụ cho công việc trên là các máy đo hồi âm kỹ thuật.
Máy sử dụng đa tia đa tần. Một số máy có cách thức hoạt động gần như
dạng Sonar quét sườn, nhưng có góc quét hẹp hơn để định vị các đối tượng chính
xác hơn. Những máy này làm việc ở hai tần số: tần số thấp 24 hoặc 33 kHz, và tần
số cao cỡ 200 kHz. Xung được phát đồng thời, và sự khác nhau về tần số đủ lớn
để mạch xử lý tín hiệu tách được chúng với nhau. Tần số 200 kHz dùng cho nghiên
cứu chi tiết, phân giải cao đến độ sâu 100 m. Tần số thấp dùng cho độ sâu lớn hơn,
11
trong nghiên cứu biển sâu và đại dương, nhằm tránh sự hấp thụ của nước đối với
dao động tần cao trên khoảng cách lớn.
12
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Phương Pháp Thiết Kế Các Hệ Thống
Sonar Chủ Động
NGUYỄN ĐĂNG CÔNG
[email protected]
Ngành Kỹ thuật Viễn Thông
Giảng viên hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Văn Đức
Chữ ký của GVHD
Viện: Viện Điện tử - Viễn thông
HÀ NỘI, 10/2020
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn có tên "Phương Pháp Thiết Kế Các Hệ Thống
Sonar Chủ Động" là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi. Các số liệu sử
dụng phân tích trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng, tin cậy. Kết quả nghiên cứu trong
luận văn do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực khách quan và phù hợp với
thực tiễn ở Việt Nam.
Vậy tôi viết lời cam đoan này kính đề nghị Viện Điện tử - Viễn thông, Trường
Đại Học Bách Khoa Hà Nội xem xét để tôi có thể bảo vệ luận văn theo quy định.
Tôi xin chân thành cảm ơn.
Hà Nội, ngày 30 tháng 10, năm 2020
Tác giả luận văn
Nguyễn Đăng Công
LỜI CẢM ƠN
Luận văn được thực hiện ở Phòng nghiên cứu WicomLab, trường ĐH Bách
Khoa Hà Nội, trong khuôn khổ của đề tài NCKH do PGS. TS. Nguyễn Văn Đức làm
chủ nhiệm. Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS. TS. Nguyễn Văn Đức - người
đã tận tình hướng dẫn, chia sẻ kinh nghiệm và đưa ra những ý kiến góp ý quý báu
cùng sự động viên tinh thần trong suốt quá trình em thực hiện luận văn này.
Do thời gian thực hiện có hạn, kiến thức chuyên môn còn nhiều hạn chế nên
luận văn do em thực hiện sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận
được những ý kiến góp ý quý báu của quý thầy cô và bạn đọc.
Em xin chân thành cảm ơn!
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Công nghệ SONAR Chirp có nhiều ưu điểm so với SONAR truyền thống như
độ phân giải cao hơn, có thể thích ứng với nhiều đối tượng và nhiều môi trường có
đặc điểm khác nhau, sử dụng công suất phát bé hơn. Vì vậy hiện nay Công nghệ
SONAR Chirp đã được ứng dụng rộng rãi và có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh
vực cả dân dụng và quân sự: Điều khiển xa trong ngành công nghiệp khai thác dầu
mỏ trên biển, vẽ đáy đại dương để tìm các nguồn tài nguyên mới, Thông tin liên lạc
giữa các thiết bị ngầm, người nhái, Phát hiện và định vị ngư lôi, tầu gầm…
Trong luận văn này em tập trung nghiên cứu Phương pháp thiết kế một hệ
thống SONAR chủ động sử dụng xung Chirp để phát hiện và đo khoảng cách của một
đối tượng trong môi trường nước.
Công cụ mô phỏng hoạt động của hệ thống là phần mềm Matlab. Dữ liệu đầu
ra được thống kê, phân tích và đánh giá. Kết quả là hệ thống có thể phát hiện và đo
khoảng cách của một đối tượng trong môi trường nước với độ chính xác chấp nhận
được (sai số <0.95m, với dải đo 2-100m) có khả năng ứng dụng được trong thực tiễn.
Đề tài là tiền đề phát triển nhiều ứng dụng quan trọng trong một số lĩnh vực
khác nhau như: Máy dò cá (Fish Finder), quét bề mặt dưới ước (3D side scan)…
Hà Nội, ngày 30 tháng 10, năm 2020.
Tác giả luận văn
Nguyễn Đăng Công
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ 5
DANH MỤC CÁC BẢNG 7
CHƯƠNG 1. LÝ THUYẾT VỀ SONAR VÀ SONAR CHIRP 1
1.1 Sự phát triển của hệ thống SONAR kỹ thuật số ...............................................1
1.2 Định nghĩa và phân loại SONAR .....................................................................4
Định nghĩa SONAR ..................................................................................4
SONAR chủ động .....................................................................................5
SONAR thụ động ......................................................................................6
1.3 Xung Chirp trong hệ thống SONAR chủ động .................................................7
Kỹ thuật dò tìm sử dụng xung Chirp ........................................................7
Ưu điểm của việc sử dụng xung Chirp trong hệ thống SONAR ..............8
1.4 Ứng dụng hệ thống SONAR ...........................................................................10
Ứng dụng trong lĩnh vực dân sự .............................................................10
Ứng dụng trong lĩnh vực quân sự ...........................................................10
1.5 Kết luận chương .............................................................................................13
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG SONAR CHỦ ĐỘNG 14
2.1 Phương pháp thiết kế .....................................................................................14
Xác định các thông số kỹ thuật của hệ thống Sonar ...............................15
Thiết kế kỹ thuật .....................................................................................16
2.2 Thiết kế chi tiết hệ thống ................................................................................17
Sơ đồ khối hệ thống ................................................................................17
Thiết kế chi tiết khối phát .......................................................................18
a) Bộ tạo xung CHIRP ....................................................................................18
b) Bộ khuếch đại công suất .............................................................................20
Thiết kế chi tiết khối thu. ........................................................................24
a) Sơ đồ khối chi tiết bên thu. .........................................................................24
b) Lý thuyết về các mạch sử dụng trong khối thu ..........................................25
c) Kết quả mô phỏng: .....................................................................................25
d) Thuật toán xử lý khoảng cách ở khối thu trên MatLab ..............................25
2.3 Kết luận chương .............................................................................................28
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 29
3.1 Các thông số đầu vào mô phỏng ....................................................................29
3.2 Kết quả mô phỏng ..........................................................................................30
3.3 Đánh giá kết quả mô phỏng ...........................................................................42
3.4 Kết luận chương .............................................................................................44
KẾT LUẬN CHUNG 45
1. Kết luận ..........................................................................................................45
2. Hướng phát triển của đề tài: ..........................................................................45
TÀI LIỆU THAM KHẢO 47
PHỤ LỤC 48
A1. Mã mô phỏng điều chế xung Chirp .................................................................48
A2. Mã mô phỏng và xử lý tín hiệu ........................................................................49
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sơ đồ tổng quan về một hệ thống SONAR [1] ............................................2
Hình 1.2 Nguyên lý sonar chủ động ...........................................................................5
Hình 1. 3 Nguyên lý Sonar thụ động ..........................................................................6
Hình 1.4 Ảnh quét được từ máy tầm ngư sử dụng công nghệ SONAR đơn tần [4] 7
Hình 1.5 Mô tả dạng xung Sonar truyền thống và Sonar Chirp [5][9] .......................8
Hình 1.6 Độ phân giải mục tiêu của xung chirp [5] ...................................................9
Hình 1.7 CHIRP tùy chỉnh độ nhạy để phân biệt giữa các khác biệt khó thấy [5] .....9
Hình 1.8 Sonar quét sườn [10] ..................................................................................11
Hình 2.1 Quy trình cơ bản thiết kế một hệ thống SONAR .......................................14
Hình 2.2 Sơ đồ tổng quan hệ thống SONAR xác định khoảng cách ........................16
Hình 2.3 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống Sonar ...........................................................17
Hình 2.4 Sơ đồ khối bên phát ....................................................................................18
Hình 2.5 Tạo xung chirp trên matlab (đồ thị trong miền thời gian) .........................19
Hình 2.6 Phổ tần số xung Chirp sau biến đổi FFT (đồ thị trong miền tần số) ..........20
Hình 2.7 Xung Chirp phát với chu kỳ 100ms, độ rộng xung 1ms ............................20
Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý mạch ................................................................................21
Hình 2.9 Sơ đồ chân IC khuếch đại thuật toán LF356N[12] ....................................22
Hình 2.10 Biểu đồ hệ số khuếch đại của IC LF356N. [11].......................................22
Hình 2.11 Tín hiệu mô phỏng sau khi qua mạch khuếch đại. ...................................23
Hình 2.12 Đồ thị đáp ứng tần số của mạch khuếch đại công suất. ...........................23
Hình 2.13 Sơ đồ khối chi tiết bên thu .......................................................................24
Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý mạch thu ........................................................................24
Hình 2.15 Tín hiệu sau khi mô phỏng trên phần mềm ORCAD ...............................25
Hình 2.16 Sơ đồ hệ thống xử lý tín hiệu thu .............................................................26
Hình 2.17 Sơ đồ thuật toán tính toán khoảng cách ...................................................26
Hình 2.18 Tín hiệu sau khi qua lọc và tách sóng đường bao (chỉ lấy biên độ) .........27
Hình 3.1 Sơ đồ mô phỏng xử lý trong Matlab ..........................................................28
Hình 3.2 Xung Chirp có tần số biến đổi 0 - 40 kHz, biên độ 1 V .............................29
Hình 3.3 Tín hiệu mô phỏng xung gốc và xung phản xạ ..........................................30
Hình 3.4 Tín hiệu thu khi đi qua kênh nhiễu trắng ...................................................31
Hình 3.5 Đồ thị đáp ứng tần số của bộ lọc ................................................................32
Hình 3.6 Tín hiệu sau khi đi qua bộ lọc thông thấp fc = 40 kHz .............................32
Hình 3.7 Tín hiệu sau khi đi qua bộ lọc tách sóng đường bao ..................................33
Hình 3.8 Kết quả tính toán xác định khoảng cách giữa xung gốc và xung phản xạ .34
Hình 3.9 Kết quả mô phỏng xung phát và xung phản xạ sau khi lọc thông thấp từ cự
ly khoảng 37 m ..........................................................................................................34
Hình 3.10 Kết quả mô phỏng xung phát và xung phản xạ sau khi lọc tách đường bao
từ cự ly khoảng 37 m.................................................................................................35
Hình 3. 11 Kết quả sau khi tính toán 37 m ...............................................................37
Hình 3. 12 Kết quả mô phỏng xung phát và xung phản xạ sau khi lọc thông thấp từ
cự ly khoảng 52 m .....................................................................................................38
Hình 3. 13 Kết quả mô phỏng xung phát và xung phản xạ sau khi lọc tách đường bao
từ cự ly khoảng 52 m.................................................................................................39
Hình 4. 14 Kêt quả sau khi tính toán 52m ................................................................40
Hình 3. 15 Kết quả mô phỏng cho khoảng cách 7.8 m .............................................40
Hình 3. 16 Xung gốc và xung phản xạ khi phóng to ra của D=7.8 m ......................40
Hình 3. 17 Kết quả sau khi tính toán D=7.8 m .........................................................41
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Kết quả giá trị mô phỏng mạch phát với dãi tần rộng ...............................22
Bảng 3.1 Bảng thống kê kết quả thu được sau khi mô phỏng ..................................41
CHƯƠNG 1. LÝ THUYẾT VỀ SONAR VÀ SONAR
CHIRP
SONAR là một công nghệ dựa trên sự lan truyền sóng âm thanh được dùng
để liên lạc, xác định và giám giát đối tượng trong môi trường nước... Các ứng dụng
của SONAR có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực cả dân dụng và quân sự:
Điều khiển xa trong ngành công nghiệp khai thác dầu mỏ trên biển, vẽ đáy đại
dương để tìm các nguồn tài nguyên mới, Thông tin liên lạc giữa các thiết bị ngầm,
người nhái, Phát hiện và định vị ngư lôi, tầu gầm…
Cơ sở quan trọng của thiết kế SONAR có liên quan chặt chẽ đến các lĩnh
vực khác, chẳng hạn như âm học, tin học, điều khiển học và kỹ thuật đại dương.
Vào những năm 1960, các nhà thiết kế sonar bắt đầu sử dụng các kỹ thuật số để
thực hiện các thiết kế của họ. Với sự phát triển nhanh chóng của lý thuyết xử lý tín
hiệu số và bộ vi xử lý, quy trình số hóa cho các hệ thống sonar phát triển nhanh
chóng. Chip DSP (bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số) được sử dụng rộng rãi trong các
hệ thống SONAR giúp làm tăng đáng kể khả năng và hiệu suất xử lý.
Ngoài ra, triết lý thiết kế của SONAR kỹ thuật số và các ứng dụng của nó
thúc đẩy nghiên cứu về âm học dưới nước và xử lý tín hiệu số. Nghiên cứu này đã
tạo ra nhiều ý tưởng mới và tạo ra nhiều cơ hội mới, chẳng hạn như giao tiếp âm
thanh kỹ thuật số dưới nước, NeW (chiến tranh tập trung vào mạng), GPS dưới
nước (hệ thống định vị toàn cầu) và DDS kỹ thuật số (sonar phát hiện thợ lặn).
1.1 Sự phát triển của hệ thống SONAR kỹ thuật số
Sóng âm là phương tiện vật lý duy nhất có thể truyền trong nước trong một
khoảng cách xa. Các loại phát xạ năng lượng khác, chẳng hạn như sóng quang học
và điện từ sẽ nhanh chóng suy hao trong đại dương. Mặc dù sóng điện từ có bước
sóng dài (100 m - 100 km) và một số sóng quang học có bước sóng 440 - 580 nm
như laze xanh lam và xanh lục có thể lan truyền xa hơn một chút, nhưng khoảng
cách mà chúng có thể đạt được nhỏ hơn nhiều lần so với sử dụng sóng âm dưới
nước. Vì vậy, các ứng dụng của sóng vô tuyến dưới nước rất hạn chế.[1]
1
Kênh truyền sóng âm dưới nước (kênh âm thanh dưới nước) có đặc tính rất
phức tạp. Việc nghiên cứu các quy luật phát, truyền và thu âm thanh dưới nước là
rất quan trọng cả về lý thuyết và ứng dụng. SONAR là một trong những lĩnh vực
ứng dụng quan trọng nhất của các nghiên cứu như vậy. SONAR yêu cầu thiết bị
đặc biệt, thường bao gồm hai phần, "đầu ướt" được lắp đặt dưới nước và "đầu khô"
được lắp đặt trên bệ, trên mặt nước (Hình 1.1).[1]
Hệ thống SONAR
Đầu ướt Đầu khô
Đầu phát và đầu
Bộ xử lý tín hiệu
thu (Tranducer)
Hình 1. 1 Sơ đồ tổng quan về một hệ thống SONAR [1]
Đầu ướt bao gồm các thành phần được lắp đặt dưới nước và đầu khô bao
gồm các thành phần được lắp đặt trong tàu thuyền, trên bờ, máy bay...
Âm thanh dưới nước có lẽ đã được sử dụng bởi động vật biển trong hàng
triệu năm. Năm 1687, Isaac Newton đã viết Nguyên lý Toán học của Triết học Tự
nhiên, trong đó bao gồm phương pháp xử lý toán học đầu tiên về âm thanh.
Bước quan trọng tiếp theo trong sự phát triển của âm học dưới nước được
thực hiện bởi Daniel Colladon, một nhà vật lý Thụy Sĩ và Charles Sturm, một nhà
toán học Pháp. Năm 1826, trên Hồ Geneva, họ đo thời gian trôi qua giữa một tia
sáng và tiếng chuông từ một con tàu chìm bằng thiết bị nghe dưới nước. Họ đo
được tốc độ âm thanh là 1,435 m/s trong khoảng cách 17 km, cung cấp phép đo
định lượng đầu tiên về tốc độ âm thanh trong nước. Kết quả họ thu được nằm trong
khoảng 2% giá trị hiện được chấp nhận. [1]
Từ cuối Chiến tranh thế giới thứ nhất đến trước Chiến tranh thế giới thứ hai,
các ứng dụng thực tế của âm học dưới nước phát triển chậm nhưng liên tục. Thành
2
tựu quan trọng nhất trong thời kỳ này là sự hiểu biết và kiến thức thu được về sự
truyền âm dưới nước trong đại dương. [1]
Động lực do Thế chiến II đã thúc đẩy đáng kể sự phát triển của thiết kế âm
học dưới nước và thiết kế SONAR. Bởi vì các nước tham gia muốn thiết lập sức
mạnh hải quân của họ, các nhà khoa học và kỹ sư của họ chú ý nhất đến việc nghiên
cứu âm học dưới nước. Ngày nay, hầu hết tất cả các khái niệm quan trọng trong
âm học dưới nước đều có thể bắt nguồn từ những khám phá khoa học được thực
hiện trong Thế chiến thứ hai, bao gồm suy hao truyền dẫn, hấp thụ, độ vang và
cường độ mục tiêu, v.v.[1]
Sau Thế chiến thứ hai, sự phát triển của các hệ thống sonar chủ yếu là do
chiến tranh lạnh, dẫn đến những tiến bộ trong lý thuyết và thực tiễn về âm học dưới
nước, được hỗ trợ bởi các kỹ thuật dựa trên máy tính. Các kỹ thuật và thiết bị mới
đã được giới thiệu trong lĩnh vực sonar quân sự, chẳng hạn như sonar mảng kéo,
sonar mảng bên sườn, sonar độ sâu thay đổi, sonar mảng thích ứng và sonar hình
ảnh… Trong lĩnh vực ứng dụng dân dụng, hệ thống sonar cũng được nhiều nhà
khoa học và kỹ sư quan tâm vì các ứng dụng trong thăm dò dầu khí dưới nước, cứu
hộ và phục hồi thảm họa biển, khảo cổ học dưới nước...
Là một hệ thống điện tử tích hợp, sự phát triển của hệ thống SONAR bị ảnh
hưởng và hạn chế bởi nhiều ngành khoa học liên quan, bao gồm kỹ thuật điện, kỹ
thuật đại dương, liên lạc vô tuyến, khoa học vật liệu, công nghệ vi xử lý và lý
thuyết xử lý tín hiệu. Cho đến những năm 1960, kỹ thuật được áp dụng trong các
hệ thống sonar là xử lý tín hiệu tương tự. Các thành phần được sử dụng trong phần
cứng sonar là ống điện tử hoặc bóng bán dẫn. Do việc sử dụng xử lý tín hiệu tương
tự bị hạn chế bởi nhiều điều kiện khác nhau, bao gồm băng thông tần số của tín
hiệu, tốc độ truyền dữ liệu và dung lượng bộ nhớ, nên hiệu suất của các hệ thống
này vẫn ở mức thấp. Tuy nhiên, khuôn khổ cơ bản của xử lý tín hiệu SONAR đã
được thiết lập trong thời kỳ này và đã trở thành một lĩnh vực độc lập trong âm học
dưới nước. [1]
Ngày nay các ứng dụng của các hệ thống SONAR viết tắt của “Sound
Navigation An Range” (Dò tìm và Định vị bằng sóng âm) rất phổ biến và có tầm
quan trọng lớn trong nhiều lĩnh vực kể cả dân sự và quân sự. [1]
3
Trong các lĩnh vực dân sự radar thường được dùng để tránh va chạm và
tai nạn cho tàu thuyền và xe cộ khi có thời tiết xấu như sương mù hay mưa to, hay
dùng để giám sát giao thông và một số loại radar đặc biệt dùng laser được dùng
trong dự báo khí tượng thuỷ văn. Còn trong dân sự sonar có rất nhiều ứng dụng
như dò cá, đo độ sâu mực nước, lập bản đồ vùng nước hay vẽ hình dạng bề mặt
đại dương…[1]
Trong các lĩnh vực quân sự radar và sonar có rất nhiều ứng dụng quan
trọng. Về radar ứng dụng để quét và theo dõi các mục tiêu quân sự như máy bay,
tàu chiến, xe cộ quân sự… các hệ thống radar được tích hợp trong hầu hết các thiết
bị quân sự hiện đại như máy bay chiến đấu, hệ thống phòng thủ tên lửa, tàu chiến,
xe tăng… Nhưng do radar sử dụng sóng vô tuyến nên chủ yếu sử dụng để quét trên
mặt đất và trên không chứ không thể quét ở dưới nước, vì sóng điện từ bị suy hao
rất lớn nên hầu như ko thể lan truyền được ở trong môi trường nước. Nên để quét
và dò tìm mục tiêu ở dưới nước, không dùng radar mà người ta nghiên cứu ra công
nghệ sonar dùng để trang bị cho các tàu ngầm, hay các thiết bị quét tàu ngầm được
gắn ở dưới thân các tàu chiến… [1]
1.2 Định nghĩa và phân loại SONAR
Định nghĩa SONAR
SONAR (Sound Navigation And Ranging) là kỹ thuật sử dụng sự lan
truyền sóng âm thanh (thường là dưới nước) để tìm đường di chuyển, liên lạc hoặc
phát hiện các đối tượng khác ở trên mặt, trong lòng nước hoặc dưới đáy nước, như
các cá, tàu bè, vật thể trôi nổi hoặc chìm trong bùn cát đáy…[2][7]
SONAR được chia thành 2 loại:
SONAR chủ động: Tự phát xung sóng và nghe tiếng vọng lại.
SONAR thụ động: Chỉ nghe âm thanh do tàu thuyền hoặc các vật khác
phát ra.
4
SONAR chủ động
SONAR chủ động dùng đầu phát (Transmitter) phát xung sóng, thường
được gọi là một "ping", và nghe tiếng vọng lại ở đầu thu (Receiver). Có nhiều cách
bố trí hình học các đầu phát và thu, cho ra cách thức định vị đối tượng khác nhau:
Nếu phát và thu ở cùng một chỗ, hoạt động của nó là đơn
tĩnh (monostatic).
Nếu phát và thu tách biệt, hoạt động của nó là song tĩnh (bistatic).
Nếu có nhiều đầu phát (hoặc nhiều đầu thu) ở vị trí tách biệt, hoạt động
của nó là đa tĩnh (multistatic).
Xung phát
Tranducer Phát
Vật thể
Tranducer Thu
Xung phản xạ
Hình 1. 2 Nguyên lý sonar chủ động
Hầu hết SONAR là đơn tĩnh. Xung âm thanh phát ra có thể được bộ phận
tạo tia (beamformer) tập trung sóng thành một chùm mạnh. Ngoài ra một số công
cụ khác cũng có thể tạo sóng âm.
SONAR chủ động cũng được sử dụng để đo khoảng cách trong môi trường
nước giữa hai đầu dò SONAR hoặc kết hợp một Hydrophone (micrô âm thanh
dưới nước) và projector (loa âm thanh dưới nước). Đầu dò là một thiết bị có thể
truyền và nhận tín hiệu âm thanh ("ping"). Để đo khoảng cách, một đầu dò truyền
một tín hiệu xung và đo khoảng thời gian giữa xung phát đi và xung nhận về sau
đó dựa vào đặc tính truyền của sóng âm trong nước chúng ta sẽ tính được khoảng
cách. Sự khác biệt về thời gian nhân với tốc độ âm thanh truyền trong môi trường
nước và chia cho hai ta được khoảng cách giữa hai vật. Giá trị vận tốc sóng âm
trong môi trường nước là 1500 m/s. Để có độ chính xác khoảng cách cao hơn, phải
5
đo giá trị đó trong môi trường cụ thể, hoặc tính ra theo quan hệ tốc độ với độ mặn
và nhiệt độ. Nếu các đối tượng ở xa, tín hiệu phản xạ nhỏ, thì người ta dùng kỹ
thuật đa tia và đa tần. Xử lý tín hiệu thu (Digital processing) dựa theo khuôn mẫu
của tín hiệu phát ra, và so sánh kết quả của các lần phát, từ đó sẽ cho ra giá trị tin
cậy.
Khi phát xung đơn tần hoặc biến đổi tần trong dải hẹp, thì bằng hiệu ứng
Doppler sẽ tính được tốc độ dịch chuyển xuyên tâm của đối tượng. Khi bố trí nhiều
đầu thu và xử lý tín hiệu đồng thời, sẽ định vị được đối tượng. Cách thức bố trí đầu
thu xác định vùng định vị tin cậy.
Ngoài tác dụng dò tìm, thì SONAR còn dùng cho trao đổi thông tin dưới
nước. Thông tin được mã hóa theo cách thức nào đó, và được gửi vào nước.
SONAR thụ động
SONAR thụ động là hệ thống SONAR lắng nghe mà không phát tín hiệu.
Nó thường được sử dụng trong quân sự, mặc dù nó cũng được sử dụng trong các
ứng dụng khoa học, ví dụ để phát hiện cá trong nghiên cứu biển hoặc đánh cá, các
vụ nổ mìn ở đảo, để nghe các vụ rung chấn hay phun trào đáy biển. Theo nghĩa
rộng SONAR thụ động bao gồm các kỹ thuật phân tích liên quan đến âm thanh
phát ra từ xa nhằm tới xác định vị trí và bản chất nguồn phát.
Tranducer thu Vật thể
Tín hiệu do đối tượng phát ra
Hình 1. 3 Nguyên lý Sonar thụ động
6
1.3 Xung Chirp trong hệ thống SONAR chủ động
Kỹ thuật dò tìm sử dụng xung Chirp
SONAR Chirp là gì?
SONAR Chirp là SONAR sử dụng điều chế xung Chirp cho phép cung
cấp chất lượng hình ảnh tốt hơn nhiều so với SONAR truyền thống mà chúng
ta đã từng sử dụng trước đây.
Rất nhiều người vẫn sử dụng SONAR chỉ với một đầu dò tần số đơn,
tần số kép hoặc có thể là tần số ba. Chúng đã được chứng minh là phục vụ
tốt cho các ứng dụng quân sự và dân sự trong nhiều năm gần đây. Tuy nhiên,
chúng ta sẽ xem xét và so sánh một chút qua với hệ thống sonar tần số cố
định.
a) SONAR tần số cố định truyền thống
Hình 1.4 Ảnh quét được từ máy tầm ngư sử dụng công nghệ SONAR đơn tần [4]
SONAR truyền thống truyền một xung năng lượng vào môi trường
nước ở một tần số đã chọn, sau đó "lắng nghe" tiếng vọng trở lại. Sau đó, hệ
thống phần mềm của đơn vị sẽ xử lý dữ liệu này để tạo thành hình ảnh cấu
trúc đáy và cá mà bạn vừa nhìn thấy trên màn hình. Loại xung năng lượng
7
này cũng có công suất cao, tuy nhiên nó có thời gian ngắn khủng khiếp. Điều
này hạn chế toàn bộ năng lượng có thể được truyền vào trong môi trường
nước sâu.
Các tần số khác nhau cho thấy mức độ chi tiết hoàn toàn khác nhau. Ví
dụ, xung tần số cao 200 kHz cung cấp độ chi tiết tuyệt vời, tuy nhiên không
thể xuyên qua độ sâu cực lớn. Xung tần số thấp 50 kHz thâm nhập sâu hơn
tuy nhiên hiển thị ít chi tiết hơn. Đây có thể là lý do tại sao SONAR truyền
thống hiện sử dụng tối thiểu một thiết bị điện tần số kép hoặc có thể là tần số
ba tần số để tạo ra sự kết hợp tốt giữa độ sâu và chi tiết.
b) SONAR Chirp (Sonar tần số biến đổi)
SONAR Chirp là hệ thống SONAR sử dụng xung Chirp, nó phát một
trùm xung với tần số biến đổi vào môi trường nước. nhằm thích ứng tối đa
với các đặc điểm môi trường khác nhau và đối tượng cần xác định khác nhau.
Hình 1.5 Mô tả dạng xung Sonar truyền thống và Sonar Chirp [5][9]
Ưu điểm của việc sử dụng xung Chirp trong hệ thống SONAR
- SONAR Chirp có sức mạnh và độ xử lý nhạy để mang lại độ phân giải mục
tiêu tốt hơn, rõ và sinh động hơn bất kỳ hệ thống SONAR tiêu chuẩn nào.
8
- Việc quét các âm báo cung cấp nhiều dữ liệu và độ phân giải cao hơn đồng
thời mô tả rõ hơn về các mục tiêu.
- Sử dụng công suất phát bé hơn so với SONAR truyền thống.
Hình 1.6 Độ phân giải mục tiêu của xung chirp [5]
Mỗi tần số phản ứng khác nhau với mật độ cấu trúc. CHIRP tùy chỉnh độ
nhạy để phân biệt giữa các khác biệt khó thấy nhằm tạo ra hình ảnh rõ ràng hơn về
những gì bên dưới
Hình 1.7 CHIRP tùy chỉnh độ nhạy để phân biệt giữa các khác biệt khó thấy [5]
9
1.4 Ứng dụng hệ thống SONAR
Ứng dụng trong lĩnh vực dân sự
Trong lĩnh vự dân sự ứng dụng của SONAR rất rộng và có nhiều ứng dụng
quan trọng. Một ứng dụng hiện nay được sử dụng rất nhiều trên các tàu cá là máy
tầm ngư. Người ta sử dụng công nghệ SONAR để quét và phát hiện cá trên ao hồ
và biển để dễ dàng đánh bắt. Công nghệ hiện tại được trang bị cho các tàu cá hiện
đại có thể phát hiện được các đàn cá lớn ở khoảng cách khá xa giúp các tàu cá ra
khơi đạt hiệu suất cao. Giúp tiết kiệm ngày ra khơi công sức của ngư dân.
Ứng dụng đo sâu hồi âm (Echo sounding) là một loại SONAR nhỏ gọn
dùng cho xác định độ sâu nước, bằng cách phát xung siêu âm vào nước và thu nhận
tín hiệu phản xạ từ đáy nước, từ đó xác định ra độ sâu. Chúng còn có tên là máy
đo sải nước. Thông thường các đầu phát-thu được gắn cạnh tàu thuyền sao cho khi
gặp sóng nước thì không lộ ra, phát sóng từ gần mặt nước. Tín hiệu từ đầu thu
được theo dõi liên tục, hiện trên màn hình trượt hoặc in băng ghi giấy nhiệt, ở dạng
một đường ghi có mã hóa cường độ tín hiệu theo thang độ xám. Băng ghi như vậy
hiện ra hình ảnh mặt cắt hồi âm dọc hành trình. Trong trường hợp thuận lợi có thể
hiện ra được những ranh giới hay dị vật trong lớp bùn đáy.
Ứng dụng trong lĩnh vực quân sự
Sonar quét sườn (Side Scan Sonar), còn gọi là Sonar ảnh sườn (Side
imaging sonar), Sonar phân loại đáy (Bottom classification sonar) là hệ thống đo
quét sườn, sử dụng ít nhất hai kênh phát-thu siêu âm đặt bên sườn. Đầu đo có cánh
định hướng để nó nằm ngang. Kết quả phản xạ siêu âm sườn được ghi lên giấy ghi
nhiệt, cho ra hai hình ảnh hồi âm sườn nhìn từ sát đáy của hành trình đo. Sonar
quét sườn được coi là một phương pháp địa vật lý, sử dụng trong nghiên cứu địa
chất biển, và là thành phần không thể thiếu của tàu nghiên cứu biển.[6]
10
Hình 1. 8 Sonar quét sườn [10]
Lập bản đồ địa hình vùng nước: Trong việc lập Bản đồ địa hình trên vùng
biển hoặc vùng nước nói chung, sonar phục vụ đo độ sâu (Bathymetry) và xác định
trạng thái đáy nước, như là đá cứng, dị vật, cát, bùn hay thảm thực vật. Độ sâu
được tính chuyển sang độ cao đáy, còn thông tin trạng thái đáy thì được ghi chú
hoặc đánh dấu bằng các ký hiệu thích hợp, để biểu diễn trên bản đồ hoặc hải đồ.
Phục vụ cho công việc trên là các máy đo hồi âm kỹ thuật.
Máy sử dụng đa tia đa tần. Một số máy có cách thức hoạt động gần như
dạng Sonar quét sườn, nhưng có góc quét hẹp hơn để định vị các đối tượng chính
xác hơn. Những máy này làm việc ở hai tần số: tần số thấp 24 hoặc 33 kHz, và tần
số cao cỡ 200 kHz. Xung được phát đồng thời, và sự khác nhau về tần số đủ lớn
để mạch xử lý tín hiệu tách được chúng với nhau. Tần số 200 kHz dùng cho nghiên
cứu chi tiết, phân giải cao đến độ sâu 100 m. Tần số thấp dùng cho độ sâu lớn hơn,
11
trong nghiên cứu biển sâu và đại dương, nhằm tránh sự hấp thụ của nước đối với
dao động tần cao trên khoảng cách lớn.
12