Nghiên cứu cải thiện độ phân giải dọc cho sonar mặt mở tổng hợp nhiều máy thu sử dụng xung lfm tại vùng biển Việt Nam

Nội dung text: Nghiên cứu cải thiện độ phân giải dọc cho sonar mặt mở tổng hợp nhiều máy thu sử dụng xung lfm tại vùng biển Việt Nam

1. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử NGHIấN CỨU CẢI THIỆN ĐỘ PHÂN GIẢI DỌC CHO SONAR MẶT MỞ TỔNG HỢP NHIỀU MÁY THU SỬ DỤNG XUNG LFM TẠI VÙNG BIỂN VIỆT NAM Nguyễn Đỡnh Tĩnh*, Trịnh Đăng Khỏnh, Nguyễn Ngọc Đụng Túm tắt: Bài bỏo này đề xuất một giải phỏp cải thiện độ phõn giải dọc cho sonar mặt mở tổng hợp (SAS) nhiều mỏy thu sử dụng xung điều tần tuyến tớnh (LFM) tại vựng biển Việt Nam cú tớnh đến sự thay đổi vector vận tốc truyền õm khi phỏt và tần số Doppler. Bằng việc mụ tả cỏc quỏ trỡnh vật lý đầy đủ hơn giải phỏp kinh điển, giải phỏp đề xuất cú thể cải thiện độ phõn giải dọc cho SAS trong trường hợp cú và khụng cú sai số vận tốc truyền õm. Cỏc kết quả mụ phỏng minh chứng cho hiệu quả của giải phỏp đề xuất với cỏc số liệu đo được ở vựng biển Việt Nam. Từ khúa: Sonar mặt mở tổng hợp; Nhiều mỏy thu; Phõn giải dọc; Chiếu xạ ngược; Sai số vận tốc truyền õm. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Sonar mặt mở tổng hợp (SAS) hoạt động dựa trờn việc kết hợp cỏc tớn hiệu thu ở cỏc chu kỳ lặp liờn tiếp khi phương tiện mang chuyển động trờn một quỹ đạo thẳng để tạo ra độ phõn giải dọc (phõn giải theo chiều chuyển động của phương tiện mang) cao [1]. Nhờ vậy, SAS được sử dụng rộng rói trong cỏc ứng dụng tỡm kiếm xỏc tàu đắm, phỏt hiện cỏc vật thể nhỏ và khảo sỏt đại dương. Để nõng cao tốc độ quan sỏt, người ta sử dụng cỏc SAS nhiều mỏy thu trong cỏc ứng dụng hiện nay của SAS [1, 2]. Trong cỏc hệ thống SAS nhiều mỏy thu, cỏc xung LFM được sử dụng phổ biến để nõng cao độ phõn giải cự ly [3-5]. Khi làm việc trong điều kiện lý tưởng, độ phõn giải dọc của SAS bằng một nửa độ dài của một phần tử thu (theo chiều dọc), khụng phụ thuộc vào cự ly và tần số [1, 3]. Khi cú sai số vận tốc truyền õm, nú kộm đi theo sai số của vận tốc truyền õm [4]. Để cải thiện giỏ trị này, cú thể giảm kớch thước của phần tử thu và tăng số lượng chu kỳ lặp [5, 6]. Giải phỏp này yờu cầu tăng số lượng phần tử thu và thời gian xử lý, khú ỏp dụng trờn một phần cứng cú sẵn. Giải phỏp mềm dẻo hơn là tối ưu húa cỏc xử lý dựa trờn thuật toỏn tạo ra ảnh SAS cú chất lượng cao như thuật toỏn chiếu xạ ngược (BP - Back projection) [7]. Để giảm sự phụ thuộc của chất lượng ảnh SAS vào độ chớnh xỏc nội suy, người ta sử dụng thuật toỏn BP trờn miền tần số [8]. Thuật toỏn này dựa trờn tớnh chất của biến đổi Fourier là thay thế việc xoay pha trờn miền thời gian bằng xoay pha trờn miền tần số. Tuy nhiờn, thuật toỏn BP trờn miền tần số trong [8] tớnh thời gian giữ chậm bỏ qua sự thay đổi vector vận tốc truyền õm khi phương tiện mang chuyển động và hiệu ứng Doppler. Vỡ vậy, độ phõn giải dọc thu được cú thể chưa đạt được giỏ trị tốt nhất. Ngoài ra, cỏc thuật toỏn tỏi tạo ảnh SAS hiện cú đều chưa sử dụng dữ liệu biển Việt Nam cho việc đỏnh giỏ hiệu quả. Dựa trờn việc xem xột cỏc quỏ trỡnh vật lý đầy đủ hơn giải phỏp đó cú, bài bỏo này đề xuất một giải phỏp cải thiện độ phõn giải dọc cho SAS nhiều mỏy thu sử dụng xung LFM bằng thuật toỏn BP trờn miền tần số ở một vựng biển Việt Nam. Mức cải thiện của giải phỏp đề xuất so với giải phỏp kinh điển [8] được đỏnh giỏ bằng cỏch so sỏnh cỏc kết quả mụ phỏng được tạo ra trờn phần mềm MATLAB trong cả hai trường hợp: cú và khụng cú sai số vận tốc truyền õm. 2. Mễ HèNH TÍN HIỆU THU CỦA SAS SỬ DỤNG XUNG LFM Để tập trung nghiờn cứu giải phỏp cải thiện độ phõn giải dọc, bài bỏo này xột mụ hỡnh hỡnh học 2 chiều của SAS nhiều mỏy thu như hỡnh 1. Hệ thống SAS trong mụ hỡnh này gồm một mỏy phỏt và N phần tử thu đều nhau một khoảng d, chuyển động thẳng đều theo trục Ox (chiều phương vị) với vận tốc v. Gọi c là vận tốc truyền õm trong nước biển. Tại thời điểm t = 0, mỏy phỏt ở điểm O(0,0). Thời gian truyền tớn hiệu từ mỏy phỏt đến điểm M là  được xỏc định bởi [9]: 1 22 N. Đ. Tĩnh, T. Đ. Khỏnh, N. N. Đụng, “Nghiờn cứu cải thiện tại vựng biển Việt Nam.”
2. Nghiờn cứu khoa học cụng nghệ x vt 22 rx22 vt r 1 (1) 2 2 2 vT vccossin v11 Mỏy phỏt Mỏy thu di Tx( ,0) R x O T i v 1 Chiều 2i c d phương vị vT v Độ M(,) x r M(,) x r sõu r 0 0 0 Hỡnh 1. Mụ hỡnh hỡnh học của SAS nhiều mỏy thu. Trong đú, α và v lần lượt được xỏc định theo cỏc biểu thức [9]: 1 T x vt 1 arccos (2) 2 2 x vt r 222 vT vcos 11 c v sin (3) Tớn hiệu thu được ở mỏy thu thứ i theo hướng từ M đến R được xỏc định bởi gúc theo i 2i biểu thức [6, 10]: x dii v 12 vt 2i arccos (4) 2 x d v vt r 2 ii 12 Thời gian truyền tớn hiệu từ M đến mỏy thu thứ i là  2i được xỏc định [9, 10]: v x vt 2 r2 d v cos ii11  2i (5) cv22 Với được xỏc định theo [6, 9]. i Khi sử dụng tớn hiệu xung LFM, biểu thức mụ tả của tớn hiệu phỏt cú dạng: 2 sTc( ) w  exp j 2 f  j  (6) Trong đú, γ là tốc độ điều tần được đo bằng Hz/s, w(τ) là đường bao của tớn hiệu phỏt cú dạng chữ nhật hoặc hỡnh chuụng. Khi bỏ qua giản đồ hướng của mỏy phỏt, tớn hiệu thu được tại điểm M được xỏc định tương tự như [11]: 2 s, t w  exp j 2  f j  (7) Pc 1 1 1 1 1 1  Tạp chớ Nghiờn cứu KH&CN quõn sự, Số 74, 8 - 2021 23
3. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Với 1 là hệ số co gión theo thời gian của tớn hiệu thu được ở điểm M do hiệu ứng Doppler, được xỏc định: c 1 (8) cv cos 1 Sau khi bỏ qua hệ số định hướng của mỏy thu và phản xạ từ mặt biển, tớn hiệu thu được ở mỏy thu thứ i được thể hiện bằng biểu thức: jf2     c1 2 i i _ mo stii , i wexp mo 1  2   _2  (9) j       1 2i i _ mo Trong đú, 2i là hệ số co gión theo thời gian của tớn hiệu thu được ở mỏy thu thứ i,  imo_ là thời gian truyền tớn hiệu sửa đổi. cv cos  2i (10) 2i c 1 i_2 moi (11) 2i Biểu thức (7) mụ tả tớn hiệu thu của SAS cú tớnh đến sự thay đổi của vector vận tốc truyền õm và hiệu ứng Doppler. Từ mụ tả toỏn học này, thời gian trễ của tớn hiệu cú thể xỏc định được chớnh xỏc hơn cỏch tiếp cận kinh điển. Từ đú, một giải phỏp cải thiện độ phõn giải dọc cho SAS nhiều mỏy thu sẽ được đề xuất ở phần 3. 3. CẢI THIỆN ĐỘ PHÂN GIẢI DỌC CHO SAS NHIỀU MÁY THU BẰNG THUẬT TOÁN BP TRấN MIỀN TẦN SỐ Để so sỏnh hiệu quả của giải phỏp đề xuất so với giải phỏp kinh điển, bài bỏo này xột trường hợp cần điều khiển bỳp súng của SAS tới điểm M0(x0, r0) bằng thuật toỏn BP (hay thuật toỏn tương quan [2]). Thuật toỏn BP trờn miền tần số thực hiện bước sau: nộn xung (LPH - Lọc phối hợp) bằng cỏch nhõn phổ của tớn hiệu thu với phổ liờn hợp phức của tớn hiệu tham chiếu (tớn hiệu phỏt); bự pha trờn miền tần số; biến đổi ngược Fourier để biến đổi tớn hiệu trở lại miền thời gian; tớnh tổng và lấy cực đại cỏc tớn hiệu đó được bự pha để thu được ảnh của điểm cần quan sỏt [8]. Với thuật toỏn này, cường độ tớn hiệu phản xạ tại M0(x0, r0) được xỏc định bởi [2, 8]: M P N  x, r , x , r max F 1* S f, t P f exp j 2  f (12) 00  ii    mi 11 -1 Trong đú, F là phộp biến đổi ngược Fourier, f là tần số tức thời tương ứng với thời gian τ, MP là số lượng chu kỳ lặp để xử lý kết hợp, Sti f, là biến đổi Fourier của tớn hiệu sti , và * Pf  là phổ liờn hợp phức của tớn hiệu phỏt.  i là lượng giữ chậm thời gian so với một cự ly tham chiếu r, được xỏc định [8]:  ii  2/rc (13) Với thuật toỏn BP trờn miền tần số [8], thời gian trễ  i được xỏc định bởi: 2 2 2 2 2 2 2 2 v vt di c vt r c v 2 vtd i d i v vt di c vt r  i c2 v 2 c 2 v 2 (14) 24 N. Đ. Tĩnh, T. Đ. Khỏnh, N. N. Đụng, “Nghiờn cứu cải thiện tại vựng biển Việt Nam.”
4. Nghiờn cứu khoa học cụng nghệ Dựa trờn việc tớnh đến đầy đủ cỏc quỏ trỡnh vật lý hơn thuật toỏn kinh điển [8], bài bỏo này đưa ra cỏch tớnh thời gian trễ theo  i biểu thức: ii mo _ xy00, (15) Từ đú, sơ đồ của khối tớnh thời gian giữ chậm sửa đổi được mụ tả như hỡnh 2. Cấu hỡnh hệ (i, m) 2r thống SAS c  i_ mo Tớnh hiệu thời  Vị trớ điểm ảnh Tớnh thời gian giữ i chậm sửa đổi gian giữ chậm (x0, r0) Hỡnh 2. Sơ đồ của khối tớnh thời gian giữ chậm sửa đổi. Với việc xột đầy đủ cỏc quỏ trỡnh vật lý hơn giải phỏp đó cú, giải phỏp đề xuất cú thể cải thiện độ phõn giải dọc cho SAS nhiều mỏy thu và sẽ được minh chứng ở phần 4. Khi cố định biến cự ly r, hàm  x,,, r x00 r trong (12) chỉ phụ thuộc vào biến phương vị x, và được gọi là lỏt cắt phương vị [6, 8 - 10]. 4. CÁC KẾT QUẢ Mễ PHỎNG Để đỏnh giỏ hiệu quả của giải phỏp đề xuất, bài bỏo này xột một hệ thống SAS nhiều mỏy thu cú cấu hỡnh như bảng 1. Trong đú, độ dài mạng thu, vận tốc phương tiện mang, chu kỳ lặp được chọn từ điều kiện lấy mẫu khụng gian để giảm mức cỏnh súng phụ [1]. Bảng 1. Cỏc tham số của hệ thống SAS nhiều mỏy thu sử dụng xung LFM. Cỏc tham số Giỏ trị Đơn vị Tần số trung tõm (tần số súng mang) (fc) 100 kHz Dải thụng của tớn hiệu (ΔfM) 20 kHz Độ rộng xung phỏt (TP) 10 ms Vận tốc của vật mang (v) 1,8 m/s Khoảng cỏch từ tõm mỏy phỏt đến tõm phần tử thu đầu tiờn (d1) 0,03 m Khoảng cỏch giữa hai phần tử thu (d) 0,02 m Số lượng cỏc phần tử thu (N) 32 Phần tử Chu kỳ lặp của xung phỏt (TL) 0,15 s Xột trường hợp vận tốc truyền õm trong nước biển khụng đổi và bằng 1500 m/s. Với hai mục tiờu ở cỏc tọa độ (42 m, 6 m) và (84 m, 12 m), số lượng chu kỳ lặp được chọn tương ứng lần lượt là 75 và 150. Cỏc giỏ trị số chu kỳ lặp này tạo ra gần như cựng độ phõn giải của SAS ở hai cự ly và thỏa món điều kiện cỏc bỳp súng thu chồng lờn nhau ở vị trớ cỏc mục tiờu được chọn. Giả sử việc lấy mẫu được thực hiện đối với tớn hiệu phức, tần số lấy mẫu được chọn lớn hơn tần số cực đại của tớn hiệu [12] (fS = 125 kHz). Cỏc lỏt cắt phương vị của cỏc mục tiờu được minh họa trờn cỏc hỡnh 3a và hỡnh 3b. Trong mỗi hỡnh vẽ, cỏc đường nột liền và nột đứt lần lượt thể hiện cỏc lỏt cắt phương vị thu được từ giải phỏp đề xuất và giải phỏp kinh điển. Tạp chớ Nghiờn cứu KH&CN quõn sự, Số 74, 8 - 2021 25
5. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử (a) (b) Hỡnh 3. Cỏc lỏt cắt phương vị của SAS nhiều mỏy thu sử dụng xung LFM a) Mục tiờu ở (42 m, 6 m), b) Mục tiờu ở (84 m, 12 m). Cỏc kết quả mụ phỏng ở hỡnh 3 cho thấy giải phỏp đề xuất cung cấp vị trớ mục tiờu với sai số xấp xỉ bằng khụng. Trong khi đú, giải phỏp kinh điển tạo ra ảnh mục tiờu với cỏc sai số vị trớ lần lượt là 0,029 m và 0,060 m với hai tọa độ (42 m, 6 m) và (84 m, 12 m). Khi mục tiờu ở cự ly càng xa, giỏ trị của độ lệch vị trớ thu được từ giải phỏp kinh điển càng lớn. Độ phõn giải dọc (tớnh ở mức -3 dB) thu được giải phỏp đề xuất khụng thay đổi khi ở cỏc cự ly khỏc nhau theo tỷ lệ của số chu kỳ lặp. Giỏ trị này là 0,0155 m ở cả hai vị trớ (42 m, 6 m) và (84 m, 12 m). Trong khi đú, độ phõn giải dọc thu được từ giải phỏp kinh điển lần lượt là 0,0161 m và 0,0184 m cho mục tiờu ở (42 m, 6 m) và (84 m, 12 m). Với cựng số chu kỳ lặp, giải phỏp đề xuất cho độ phõn giải dọc tốt hơn giải phỏp truyền thống. Sự cải thiện độ phõn giải dọc của giải phỏp đề xuất so với giải phỏp truyền thống càng lớn khi mục tiờu ở cự ly càng xa. Khi xột đến sự thay đổi của vận tốc truyền õm theo độ sõu, bài bỏo này sử dụng số liệu về vận tốc õm thu được ở vựng biển Việt Nam cú tọa độ (017°03’09’’N, 107°27’17’’E) ngày 15 thỏng 4 năm 2021. Bản ghi vận tốc õm thanh này thu Hỡnh 4. Bản ghi tốc độ õm thanh được nhờ thiết bị đo SWiFT SVP của hóng ở vựng biển Việt Nam. Valeport [13]. Với cỏc số liệu thu được, bản ghi vận tốc õm thanh ở vựng biển Việt Nam cú tọa độ như trờn được mụ tả như hỡnh 4. Giả thiết rằng độ sõu của SAS và của mục tiờu (nằm ở đỏy) lần lượt là 3 m và 45 m. Từ cỏc giỏ trị này, độ sõu của mục tiờu so với SAS như mụ hỡnh ở phần 2 là 42 m. Với bản ghi vận tốc õm như hỡnh 4, mụ hỡnh tớn hiệu cú thể được mụ tả với giỏ trị của c được thay bằng giỏ trị trung bỡnh (c = 1529,13 m/s). Để khảo sỏt hiệu quả của giải phỏp đề xuất khi cú sai số vận tốc truyền õm, bài bỏo này giả thiết rằng vận tốc truyền õm cho xử lý được lấy tại điểm đặt SAS c = 1535,27 m/s (sai số 0,4%) như trong tài liệu [5]. Với cỏc giả thiết này, cỏc lỏt cắt phương vị của mục tiờu ở (42 m, 6 m) thu được từ giải phỏp đề xuất và giải phỏp kinh điển được mụ tả trờn hỡnh 5. 26 N. Đ. Tĩnh, T. Đ. Khỏnh, N. N. Đụng, “Nghiờn cứu cải thiện tại vựng biển Việt Nam.”
6. Nghiờn cứu khoa học cụng nghệ Hỡnh 5. Lỏt cắt phương vị của SAS nhiều mỏy thu khi cú sai số vận tốc truyền õm. Hỡnh 5 cho thấy, khi sai số vận tốc truyền õm là 0,4% như trờn, độ phõn giải thu được từ giải phỏp đề xuất và giải phỏp kinh điển lần lượt là 0,0114 m và 0,0143 m. Từ đú, giải phỏp đề xuất cho độ phõn giải tốt hơn 0,0029 m so với giải phỏp kinh điển [8]. 5. KẾT LUẬN Bài bỏo đó đề xuất được giải phỏp cải thiện độ phõn giải dọc cho SAS nhiều mỏy thu sử dụng xung LFM ở vựng biển Việt Nam bằng thuật toỏn BP trờn miền tần số. Giải phỏp đề xuất đó xột đến cỏc quỏ trỡnh vật lý đầy đủ hơn giải phỏp kinh điển gồm việc tớnh đến sự thay đổi của vector vận tốc truyền õm và hiệu ứng Doppler. Cỏc kết quả mụ phỏng cho thấy hiệu quả cải thiện độ phõn giải dọc của giải phỏp đề xuất khi tỏi tạo ảnh SAS trong cả hai trường hợp cú và khụng cú sai số vận tốc truyền õm. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. N. Kolev, “Sonar Systems,” InTech, Croatia (2011), pp.3-25. [2]. M. P. Hayes, and P. T. Gough, “Synthetic Aperture Sonar: A Review of Current Status,” IEEE J. Oceanic Engineering, Vol. 34, No. 3 (2009), pp. 207-224. [3]. J. Dillon and R. Charron, “Resolution Measurement for Synthetic Aperture Sonar,” OCEANS 2019 MTS/IEEE SEATTLE, Seattle, USA, 2019, pp. 1-6. [4]. Xia Ji, Lisheng Zhou, and Weihua Cong, “Effect of incorrect sound velocity on synthetic aperture sonar resolution,” proc. MATEC Web of Conf.283, 04013 (2019). [5]. R. E. Hansen, T. O. Sổbứ, H. J. Callow, and P. E. Hagen, “The SENSOTEK Synthetic Aperture Sonar - results from HUGIN AUV trials,” Norwegian Defence Research Establishment (2007), pp. 11-12. [6]. N. Đ. Tĩnh, T. Đ. Khỏnh, N. T. Hưng, and N. V. Trà, “Một giải phỏp cải thiện tỷ số tớn hiệu/tạp cho sonar mặt mở tổng hợp nhiều mỏy thu,” Tạp chớ Nghiờn cứu KH&CN quõn sự, Số 71, 02 - 2021, tr. 49-56. [7]. X. Zhang, W. Ying, and X. Dai, “High-resolution imaging for the multireceiver SAS,” The Journal of Engineering, 19 (2019), pp. 6057-6062. [8]. X. Zhang, P. Yang, C. Tan, and W. Ying, “BP algorithm for the multireceiver SAS,” IET Radar Sonar Navig., Vol. 13, Iss. 5 (2019), pp. 830-838. [9]. N. D. Tinh, and T. D. Khanh, “A New Imaging Geometry Model for Determining Phase Distribution in Multi-receiver Synthetic Aperture Sonar,” Proc. 6th NAFOSTED Conference on Information and Computer Science, Hanoi, Vietnam (2019), pp. 518-521. [10]. N. Đ. Tĩnh, T. Đ. Khỏnh, “Nghiờn cứu giải phỏp cải thiện chất lượng ảnh cho sonar mặt mở tổng hợp nhiều mỏy thu,” Tạp chớ Khoa học và Kỹ thuật, Số 214, 05-2021, tr. 17-28. Tạp chớ Nghiờn cứu KH&CN quõn sự, Số 74, 8 - 2021 27
7. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử [11]. D. W. Hawkins and P. T. Gough, “Temporal Doppler effects in SAS,” Proc. Inst. Acoust., vol. 26, no. 5 (2004), pp. 1–10. [12]. Cumming, I., Wong, F., “Digital Processing of Synthetic Aperture Radar Data: Algorithms and Implementation,” Artech House (2005), Chapter 2. [13]. ABSTRACT RESEARCH ON SOLUTION IMPROVING ALONG-TRACK RESOLUTION FOR MULTI-RECEIVER SYNTHETIC APERTURE SONAR USING LFM PULSES IN THE VIET NAM’S SEA ZONE. This paper proposes a solution to improve the along-track resolution for multi- receiver synthetic aperture sonar (SAS) using linear frequency modulated (LFM) pulses considering the variation of acoustic velocity vector during transmission and the Doppler frequency. Based on the more complete consideration of physical processes than the conventional solution, the proposed solution can improve the along-track resolution for SAS with and without the sound velocity error. The simulation results demonstrate the effectiveness with data measured in the sea zone of Vietnam. Keywords: Synthetic aperture sonar; Multi-receiver; Along-track resolution; Back projection; Sound velocity error. Nhận bài ngày 27 thỏng 4 năm 2021 Hoàn thiện ngày 11 thỏng 5 năm 2021 Chấp nhận đăng ngày 30 thỏng 7 năm 2021 Địa chỉ: Khoa Vụ tuyến điện tử/ Học viện Kỹ thuật quõn sự. *Email: tinhnd_k31@lqdtu.edu.vn. 28 N. Đ. Tĩnh, T. Đ. Khỏnh, N. N. Đụng, “Nghiờn cứu cải thiện tại vựng biển Việt Nam.”