 

L 


nh 
 : 62 44 01 05

 
H- 2015

Công trình được hoàn thành tại:


Người hướng dẫn khoa học:
1. TS Chu Xuân Quang
 

Phản biện 1: 

việc sử dụng máy liên lạc thủy âm thông thường (hệ đơn anten) là khó khả thi.
Vấn đề đặt ra đối với các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực thu-phát truyền tin cần
phải có những nghiên cứu để ứng dụng mạng anten thủy âm cho các trang bị
quân sự để có thể hoạt động được trong những điều kiện phức tạp mà vẫn đảm
được hoàn thành nhiệm vụ
Theo lý thuyết thủy âm, phân bố vùng sáng-tối âm trong trường thủy âm
phụ thuộc vào mặt cắt không gian bao quanh máy thu [41]. Tồn tại nhiều vùng
trong không gian là vùng sáng âm đối với mặt cắt này nhưng lại là vùng tối âm
đối với mặt cắt khác, gọi là những vùng mờ [78]. Việc tăng cường khả năng làm
việc của máy liên lạc ở vùng này hiện ít được quan tâm nghiên cứu cả trong và
ngoài nước. Vì vậy việc nghiên cứu giải pháp tăng cường khả năng thu nhận tín
hiệu máy liên lạc thủy âm tại các vùng tối âm và vùng mờ âm có giá trị khoa học
cao và ứng dụng to lớn cho các máy liên lạc thủy âm quân sự, góp phần tăng
cường khả năng ổn định kênh liên lạc thủy âm trong các điều kiện môi trường
phức tạp khác nhau, đảm bảo cho thông tin dưới nước được thông suốt.
2. Mục tiêu của luận án.
Nghiên cứu, xây dựng và giải quyết bài toán đảm bảo khả năng làm việc
ổn định của kênh liên lạc thủy âm trên cơ sở lý thuyết tia và các kỹ thuật về anten
mạng pha.
3. Nội dung nghiên cứu của luận án.
Luận án gồm 3 chương:
- Chương 1: Tổng quan về lý thuyết thủy âm biển và bài toán mất ổn định
của kênh liên lạc thủy âm.
2

Trình bày các vấn đề tổng quan về thủy âm biển, các thành tựu mới nhất
trong lĩnh vực thông tin thủy âm và vấn đề mất ổn định của kênh liên lạc thủy âm
khi điều kiện truyền sóng thay đổi.
- Chương 2: Giải pháp tăng cường cự ly kênh liên lạc thủy âm sử dụng
anten mạng pha.

VÀ BÀI TOÁN MẤT ỔN ĐỊNH CỦA KÊNH LIÊN LẠC THỦY ÂM

1.1. Lý thuyết thủy âm biển.
1.1.1. Các đặc trưng dẫn âm của môi trường biển.
Truyền âm trong môi trường đồng nhất không có hấp thụ được mô tả bằng
phương trình truyền âm [41]:

2
22
2
p
cp
t



. (1.1)
Trong đó: p - áp suất âm(Pa); c - vận tốc âm (m/s).
Khi nghiên cứu về mối quan hệ giữa vận tốc âm và một số tham số của
nước biển, người ta thường sử dụng công thức thực nghiệm đơn giản [78]:
3 2 2 2
2
1492,9 3( 10) 6 10 ( 10) 4 10 ( 18)
1,2( 35) 10 ( 18)( 35) / 61,
c T T T
S T S z


         
     

    



, (1.3)
Trong đó:

- hệ số suy giảm (dB/km);
S

- độ mặn của nước biển (‰);
f
- tần
số tín hiệu thủy âm (kHz);
P
- áp suất tĩnh của nước biển (atm);
T
f
- hàm nhiệt
độ
6 1520/( 273)
21,9 10
T
T
f


; T - nhiệt độ nước biển (
0
C).

10-100
2-5
Vừa
1-10
≈ 10
Ngắn
0,1-1
20-50
Rất ngắn
<0,1
>100
1.3. Tình hình nghiên cứu tăng cƣờng khả năng ổn định kênh liên lạc thủy
âm trên thế giới và trong nƣớc.
1.3.1. Giải pháp sử dụng máy thu đa kênh.
Đặc trưng của hệ thống thủy âm đa kênh là sử dụng nhiều kênh thu phát tín
hiệu đồng thời. Các phần tử anten là các phần tử định hướng. Nghiên cứu [17] sử
dụng kỹ thuật IMED cho một máy thu 20 kênh, làm việc với tín hiệu điều chế
QPSK tốc độ 46,7 kbps tại tần số sóng mang 100 kHz trong kênh nước nông. Kết
quả đã cho khoảng cách truyền tối đa đo đạc được là 530 m với đường cong tỷ số
lỗi bít (Bit-Error-Rate: BER) như minh họa trong hình 1.1. Hình 1.1. Đường cong BER ước lượng cho máy thu 20 kênh
sử dụng kỹ thuật IMED.

giải pháp pha chủ động APC (Active Phase – Conjugation), còn máy thu sử dụng
giải pháp pha thụ động PPC (Passive Phase – Conjugation).
Giải pháp PPC khi kết hợp với phương pháp thu tín hiệu đảo dạng TRM có
thể cho khoảng cách liên lạc rất xa, có thể đến 900 km[59].
1.4. Sự thay đổi vận tốc âm và tính bất ổn định của tín hiệu thủy âm.
1.4.1. Trường hợp kênh liên lạc được đặt trong sơ đồ truyền ống dẫn sóng.
a)

b)

6

Mô tả đường vận tốc âm đã tuyến tính hóa như trong hình 1.3a, biên giới
hạn kênh thủy âm như trong hình 1.3b. Hình 1.3. Kênh liên lạc đặt trong sơ đồ truyền ống dẫn sóng.
1.4.2. Trường hợp kênh liên lạc được đặt trong sơ đồ truyền phản ống dẫn
sóng.
Đường cong vận tốc âm tuyến tính hóa và giới hạn kênh liên lạc thủy âm
như minh họa trong hình 1.4.

Vùng sáng âm

Vùng tối âm

c
1
c
0
0

r
2
c

α
1
α
2
r

z
0
z

r
1
x

0



Hình 1.5. Kênh liên lạc thủy âm trong trường hợp
có sự thay đổi sơ đồ truyền âm.

CHƢƠNG 2
GIẢI PHÁP TĂNG CƢỜNG CỰ LY KÊNH LIÊN LẠC THỦY ÂM
SỬ DỤNG ANTEN MẠNG PHA

2.1. Mối quan hệ giữa cự ly liên lạc và góc thoát tia âm trong kênh âm sâu.
2.1.1. Quỹ đạo tia âm.

Hình 2.1. Quỹ đạo tia âm khi gradient vận tốc âm không đổi.
Giả sử có một nguồn phát âm đặt tại độ sâu
0
z
, có quỹ đạo tia âm và
đường cong vận tốc âm tương ứng như trong hình 2.1.Khi đó khoảng cách tia âm
được tính:


A
B
C

D
0

0

8

2.1.2. Khảo sát khoảng cách truyền âm theo góc thoát tia âm.
Luận án đã dựng được đường cong vận tốc âm đã tuyến tính hóa cho 3 sơ
đồ truyền âm thường gặp như trong hình 2.2. Hình 2.2. Đường cong vận tốc âm tuyến tính hóa với các sơ đồ truyền âm khác
nhau:Truyền âm bề mặt (a); Truyền âm ống dẫn sóng (b); Truyền âm phản ống
dẫn sóng(c)
2.1.3. Kết quả khảo sát.
a) Sơ đồ truyền âm bề mặt (hình 2.3)
b) Sơ đồ truyền âm ống dẫn sóng
- Trường hợp điểm phát và điểm thu nằm phía trên trục kênh âm (hình 2.4);

1060
1080
1100
1120
1140
1160
1180
1200
Goc thoat (rad)
Cu ly (m)
Su phu thuoc cua cu ly truyen vao goc thoat
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
0.98
1
1.02
1.04
1.06
1.08
1.1
1.12
1.14
1.16
1.18
x 10
4
Goc thoat (rad)
Cu ly (m)
Su phu thuoc cua cu ly truyen vao goc thoat
9


, (2.2)
Trong đó:
,
- góc tà và góc phương vị trong không gian biểu diễn giản đồ
hướng;
( , )R 
- giản đồ hướng chuẩn hoá;
( , )A 
- giá trị đo được tại hướng
có tọa độ
( , )
;
2.2.2. Mạng anten thủy âm và khả năng điều chỉnh đặc trưng hướng không
gian bằng phương pháp điều chỉnh pha các phần tử.

Hình 2.7. Cấu trúc của một mạng anten thủy âm tuyến tính phẳng
điều khiển giản đồ hướng theo nguyên tắc điều chỉnh pha các phần tử
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8


3

i

n

( 1).L n d



b


d

10

Cấu trúc của một mạng anten thủy âm tuyến tính phẳng điều khiển giản đồ
hướng theo nguyên tắc điều chỉnh pha từng phần tử như minh họa trong hình 2.7.
2.3. Điều khiển góc thoát tia âm khỏi nguồn phát và góc tới tia âm tại điểm
thu thông qua điều khiển giản đồ hƣớng không gian anten thủy âm.
2.3.1. Quan hệ giữa góc thoát tia âm (hoặc góc tới máy thu thủy âm) và góc
cực đại chính trong giản đồ hướng không gian của mạng anten thủy âm.
Khi
2
d


và

khiển pha đặt vào từng phần tử mạng anten thủy âm.
a. Khảo sát sự phụ thuộc của giản đồ hướng không gian mạng anten thủy âm vào
số phần tử anten.
Luận án đã tiến hành khảo sát mạng anten thủy âm theo số phần tử anten
để tìm hiểu ảnh hưởng của chúng tới giản đồ hướng không gian của mạng ở một
số điều kiện nhất định như hình 2.8.
Hình 2.8. Đặc trưng hướng không gian của mạng anten thủy âm
với số phần tử khác nhau: a)
4n 
; b)
8n 
; c)
12n 
.
b. Khảo sát khả năng điều khiển giản đồ hướng không gian mạng anten thủy âm
8 phần tử.
0.2
0.4
0.6
0.8
1

Gian do huong mang anten thuy am tuyen tinh 4 phan tu
0.2
0.4
0.6
0.8
1
30
210
60
240
90
270
120
300
150
330
180
0
Gian do huong mang anten thuy am tuyen tinh 12 phan tu
a)

b)

c)11

Luận án đã lựa chọn mạng anten thủy âm 8 phần tử làm đối tượng khảo sát
và việc khảo sát chỉ thực hiện trong mặt phẳng tà hoặc hoặc phương vị. Một vài
0.2
0.4
0.6
0.8
1
30
210
60
240
90
270
120
300
150
330
180
0
Gian do huong mang anten thuy am tuyen tinh 8 phan tu, goc bu pha 10 do
0.2
0.4
0.6
0.8
1
30
210

Hình 2.10. Minh họa biến đổi băng tần tín hiệu trong kênh liên lạc thủy âm.
2.4.5. Yêu cầu đối với dải thông anten thủy âm.
Giả sử tần số tối đa tín hiệu băng gốc cần truyền là
0
f
thì khi có điều chế
sóng mang, tần số tối đa tín hiệu băng thông có thể được điều chế theo định lý
Nyquist-Shannon[31]:

0
2
c
ff
(2.5)
2.5. Thực nghiệm thiết kế chế tạo mạng anten thủy âm 8 phần tử điều khiển
giản đồ hƣớng theo pha.
2.5.1. Thiết kế mạng anten thủy âm gốm áp điện 8 phần tử.
a. Phần tử anten thủy âm.


Tín hiệu
băng
thông

Tín hiệu
băng
thông
f

x(f)f
cAnten
thủy
âm
thu

Máy phát

Kênh truyền

f

cBit đích
Tín hiệu
tương
đương
băng gốc
Máy thu

f

|S(f)|
f

|x(f)|f
c-f
c
f
c-f
c
b)
a)
anten thủy âm gốm áp điện
Dây
đo
13

Tại Việt Nam hiện nay có hai loại anten thủy âm gốm áp điện là loại do
Z181/Tổng cục CNQP sản xuất và loại nhập ngoại sử dụng cho các mục đích
khác nhau như anten máy điện thoại dưới nước, anten SONAR Luận án đã
chọn mẫu anten thủy âm gốm áp điện loại miếng vuông P3 làm phần tử để xây
dựng mạng anten thủy âm. Đặc trưng hướng của phần tử anten gốm áp điện tại
tần số
33f kHz
như sau:


U(V)

b)
a)
14
Hình 2.14. Sơ đồ khối chức năng mạch điều khiển dịch pha
dùng cho chế độ phát.
- Mạch điều khiển pha ở chế độ thu:
Sơ đồ chức năng mạch điều khiển pha ở chế độ thu như minh họa trong
hình 2.15.

Dịch
pha số
2
Dịch
pha số
8

ADC
1 ADC
2

ADC
8
KĐTT


Tổng hợp
tín hiệu

Tín
hiệu
đồng
bộ

Khối điều khiển pha tín hiệu phát Điều
khiển pha

Lệnh
điều
khiển

Tín hiệu
phát (số)

Dịch
pha số
1




KĐCS
1 KĐCS
2

KĐCS
8 Mạng anten
thủy âm

Phần tử
1 Phần tử
2

Phần tử
8


Hình 2.16. Lưu đồ thuật toán mạch điều khiển dịch pha mạng anten thủy âm.
2.5.3. Khảo sát giản đồ hướng không gian mô hình anten thủy âm mạng pha.
a. Khảo sát với tín hiệu điều hòa.
Kết quả đo đạc giản đồ hướng mô hình mạng anten thủy âm gốm áp điện 8
phần tử đã chế tạo khi độ lệch pha đặt vào các phần tử lần lượt là 0
0
và 30
0
như
trong hình 2.17 và 2.18. Dịch pha số dữ liệu tại bộ đệm
kênh i theo giá trị tại Add
i=i+1

Bắt đầu

i=8

Đẩy dữ liệu ra mạng anten phát
(hoặc vào bộ tổng hợp tín hiệu thu)
Dừng chương


Hình 2.17. Giản đồ hướng mạng anten thủy âm gốm áp điện 8 phần tử trong
trường hợp tín hiệu đặt vào các phần tử đồng pha:
a) Giản đồ hướng trong mặt phẳng tà (đo tại hướng 0
0
trong mặt phẳng
phương vị);
b) Giản đồ hướng trong mặt phẳng phương vị.

Hình 2.18. Giản đồ hướng mạng anten thủy âm gốm áp điện 8 phần tử trong
trường hợp tín hiệu đặt vào các phần tử dịch pha 30
0
:
a) Giản đồ hướng trong mặt phẳng tà (đo tại hướng 0
0
trong mặt phẳng
phương vị);
b) Giản đồ hướng trong mặt phẳng phương vị.
b. Khảo sát với tín hiệu điều chế QPSK.
Từ các kết quả thu được, biểu diễn tỷ số SNR tại anten thủy âm thu trên
mặt phẳng phương vị, ta được các kết quả như trong hình 2.19.

a) Trường hợp góc lệch pha 0
0

b) Trường hợp góc lệch pha 30
0
CHƢƠNG 3
HIỆU QUẢ TĂNG CƢỜNG TỶ SỐ TÍN HIỆU/TẠP ÂM
CỦA KÊNH LIÊN LẠC THỦY ÂM SỬ DỤNG ANTEN MẠNG PHA

3.1. Kênh liên lạc thủy âm.
3.1.1. Mô hình không gian kênh liên lạc thủy âm.
Mô hình kênh liên lạc thủy âm đã minh họa trong hình 3.1 Hình 3.1. Mô hình không gian kênh liên lạc thủy âm.
Máy phát

A

z
0


3.1.2. Sơ đồ khối chức năng máy phát.
Để phục vụ tính toán, trong phần này luận án sử dụng máy phát điều chế
tín hiệu QPSK có sơ đồ chức năng [2], [7] như trong hình 3.2.

Hình 3.2. Sơ đồ chức năng máy phát tín hiệu QPSK
3.1.3. Sơ đồ khối chức năng máy thu.
Sơ đồ chức năng máy thu được minh họa trong hình 3.3. Hình 3.3. Sơ đồ chức năng máy thu
3.1.4. Mạng transducer gốm áp điện.
a. Phương pháp điều khiển tối ưu mạng transducer gốm áp điện.
Việc điều khiển mạng transducer thông qua khối điều khiển giản đồ hướng
transducer. Phương pháp tính toán được thực hiện theo công thức:
1
2 ax 1 ax
0
()
os cos .
()

Mã hóa
xung
QPSK

Mạng
transducer
gốm áp điện

Lọc dải
thông

Bộ lọc
cosin
nâng

Lọc dải
thông

Giải mã
tín hiệu
QPSK

Lấy mẫu tín
hiệu và lọc
kết hợp

Mạng
transducer
gốm áp điện


Hình 3.4. Lưu đồ thuật toán điều
khiển thu phát phía máy chủ động.

Hình 3.5. Lưu đồ thuật toán điều
khiển thu phát phía máy bị động.

3.1.5. Mô hình kênh truyền.
Mô hình kênh truyền được xây dựng như trong hình 3.6. Thu chuỗi xung
phản hồi

Bắt đầu

Ước lượng vận tốc c(z
0
)
Kết thúc

Không

có



i=8

Kết thúc

Đúng

Sai

Thu chuỗi xung kiểm tra
đưa về từ kênh i Tổng hợp, xác định tín hiệu chuẩn
Phát giá trị
2 axm

về máy chủ động

Tính giá trị pha cần điều chỉnh từ tín hiệu
đưa đến từ các transducer
1

,
2

,…
8




Hình 3.6. Mô hình kênh truyền.
3.2. Các tham số kênh truyền.
3.2.1. Đường cong vận tốc âm.
Sử dụng các thông số trong Phụ lục 2, luận án đã vẽ được đường cong vận
tốc âm tham khảo cho khu vực biển Quy Nhơn.
3.2.2. Quan hệ giữa góc thoát tia âm và cự ly liên lạc cho trường âm đặc trưng
trong khu vực biển Quy Nhơn . Hình 3.7. Cự ly liên lạc phụ thuộc vào góc thoát trong khu vực biển Quy Nhơn.
Luận án đã tính toán quan hệ giữa góc thoát và cự ly liên lạc tại vùng biển
Quy Nhơn với 4 trường hợp: không có nhiễu tạp, máy thu có độ nhạy là -60 dB, -
90 dB và -120 dB
3.2.3. Thời gian truyền của tia âm trong môi trƣờng.
Luận án đã vẽ được đường cong biểu diễn thời gian truyền tín hiệu phụ
thuộc vào độ sâu của kênh liên lạc thủy âm.

Khối pha đinh mô tả nhiễu vang (8 tia)
Tín hiệu
phát

trung bình
(T,
0
C)
Độ mặn
trung bình (S,‰)
Áp suất
trung bình
(P,atm)
Hệ số suy
giảm âm
(dB/km)
300
10,09
34,42
302
0,81
400
9,11
34,40
402
0,68
402
8,55
34,41
404
0,64
493
7,96
34,41

996
0,18
1000
3,99
34,54
1008
0,16
1200
3,57
34,56
1210
0,09
1206
3,29
34,57
1217
0,08
1446
3,39
33,71
1460
0,02
3.2.5. Góc thoát của tia âm tại điểm phát và góc tới của tia âm tại điểm thu khi
cự ly liên lạc tối đa.
Bảng 3.2. Góc tới tia âm khi cự ly liên lạc đạt tối đa.
Vị trí máy thu
Góc tới tia âm (Rad)
Máy thu đặt tại gần mặt biển (
0z 
)

kk
s Q y
ˆ
k
s
k
s
k
s
k
b
k
g
k
g
k
z
Tạo hệ số
suy giảm âm
L
k
y

Hình 3.8. Sơ đồ tính toán hiệu quả nâng cao SNR của kênh liên lạc thủy âm với
máy phát, máy thu sử dụng mạng transducer gốm áp điện.
22

3.3.2. Kết quả tính toán SNR đầu ra máy thu của kênh liên lạc thủy âm.
Với những dữ liệu và giả thiết đầu vào như đã phân tích ở trên, luận án đã
tính toán, ước lượng SNR đầu ra máy thu máy liên lạc thủy âm như trong hình


Hình 3.10. Tỷ số BER và tỉ số SER trong hai trường hợp
sử dụng phần tử transducer đơn và transducer mạng pha 8 phần tử.
23

3.4. Lựa chọn số lƣợng phần tử cho mạng transducer điều khiển pha.

Với mạng transducer tuyến tính N phần tử có phân bố thẳng đều với
khoảng cách giữa các phần tử bằng nửa bước sóng (
2
d


) thì số lượng phần tử
được tính bằng công thức
:

2
22
ar
2
22
()
/
()
ray
tn
element
SNR
uu

1. Luận án đã áp dụng những kiến thức cơ bản về thủy âm học và lý thuyết
tia trong truyền sóng thủy âm để xây dựng và giải quyết bài toán mất ổn định của
một tuyến kênh liên lạc thủy âm cố định từ điểm đến điểm khi đặt trong các sơ đồ
truyền âm khác nhau.
2. Luận án đã tìm ra có bốn yếu tố quy định hình dạng của vùng sáng âm
(vùng luôn có tín hiệu thủy âm): độ sâu đặt máy phát thủy âm; góc giới hạn vùng
mở của anten thủy âm; độ sâu của khu vực biển có kênh liên lạc và đường cong
3
1
2