ตอน การประยุกต์ใช้งาน DSP
โดย
พีระพล ยุวภูษิตานนท์
ภาควิชาวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานคร
งานที่เกี่ยวข้องกับการประมวลผลสัญญาณในด้านทางทหารนั้นมีมากมายหลากหลายรูปแบบ แต่ที่จะยกตัวอย่างให้เห็นชัด ก็น่าจะเป็นเรื่องการประมวลผลสัญญาณของระบบตรวจจับ(detection system) ของเรือดำน้ำ
เนื่องจากในเรือดำน้ำนั้นไม่มีหน้าต่างหรือช่องมองที่จะแสดงทัศนวิสัยภายนอกให้เห็นได้ ดังนั้นการรับทราบความเป็นไปในโลกภายนอกจึงต้องอาศัยเซนเซอร์ หรือระบบตรวจจับสัญญาณ ที่เรียกว่าระบบ SONAR (Sound navigation and ranging) เพื่อตรวจจับว่า มีวัตถุ หรือ ยานพาหนะของฝ่ายตรงข้าม ใดๆ อยู่ในรัศมีทำการหรือไม่ และอยู่ในทิศทางไหน SONAR จะมีทั้งแบบที่ เป็น Active sonar ซึ่งเป็นระบบปล่อยคลื่นเสียงความถี่สูง และทำการตรวจจับคลื่นที่สะท้อนกลับมา และแบบ Passive sonar ซึ่งใช้ในการตรวจจับหาทิศทางแหล่งกำเนิดคลื่นเสียง
เพราะความสำคัญของระบบสื่อสารทางทหารอยู่ตรงที่ความเร็วในการรับทราบข้อมูลของฝ่ายตรงข้าม ดังนั้นหากฝ่ายไหนได้รับทราบความเคลื่อนไหวของศัตรูล่วงหน้าแม้เพียงช่วงเวลาเล็กน้อย ก็จะเป็นฝ่ายชิงความได้เปรียบได้ก่อน และเพราะเสียงจากเรือดำน้ำก็เหมือนเป็นสัญญาณแสดงตำแหน่งแห่งที่ของตัวเองให้ฝ่ายตรงข้ามรับทราบ ทำให้ในกระบวนการการสร้างเรือดำน้ำนั้นสิ่งที่เป็นหลักสำคัญก็คือ พยายามออกแบบให้การปล่อยเสียงจากลำตัวเรือมีออกมาน้อยที่สุด ซึ่งในเรือดำน้ำยุคใหม่ๆนั้น มีการออกแบบที่ดีขึ้นจนกระทั่ง เสียง หรือ สัญญาณรบกวน จากเครื่องยนต์ผ่านลำตัวของเรือเองก็แทบจะเรียกได้ว่า มีน้อยกว่าสัญญาณรบกวนแบคกราวนด์ในทะเล (background ocean noise) เสียอีก ตรงนี้เองที่ การประมวลผลสัญญาณขั้นสูงจะเข้ามามีบทบาทในการตรวจจับสัญญาณระดับต่ำๆ ที่ถูกกลบด้วยสัญญาณรบกวนแบคกราวนด์ระดับสูงๆ
ระบบ Sonar ที่มีการใช้งานนั้น จะอยู่ในรูปแบบของ เซนเซอร์หรือตัวรับสัญญาณที่ใช้ในน้ำ หรือ ไฮโดรโฟน (Hydrophone) ซึ่งในการใช้งานจะติดตั้งตัวรับสัญญาณหลายๆตัวให้เป็นแถวเดียว หรือที่เรียกว่า เป็น เซนเซอร์อาร์เรย์ (sensor array) สำหรับ เซนเซอร์อาร์เรย์ที่ติดอยู่กับสายลากจูง (towed array sensors) ของเรือดำน้ำนั้น จะแสดงได้ดังรูปที่รูปที่ 6 และเพื่อลดการรบกวนจาก สัญญาณจากตัวเรือเอง
ในการใช้งานจริง สายที่ลากจูงนี้ซึ่งจะมีความยาวเป็นไมล์ๆเลยทีเดียว
รูปที่ 6 ระบบเซนเซอร์แบบอาร์เรย์ ที่เป็นแบบลากจูง (towed array sensor) สำหรับเรือดำน้ำเซนเซอร์จะ
ทำหน้าที่ตรวจจับสัญญาณที่มาจาก แหล่งกำเนิดสัญญาณภายนอก เช่น คลื่นความสั่นสะเทือนจากลำตัวของเรือดำน้ำฝ่ายตรงข้าม ในการรับสัญญาณเราพิจารณาว่าตัวเรือดำน้ำฝ่ายตรงข้ามนั้น อยู่ในระยะที่ไกลพอที่จะสมมติให้หน้าคลื่น (wave front) ที่ตกกระทบชุดเซนเซอร์ มีลักษณะเป็นเส้นตรง และมีทิศรับสัญญาณ (Direction of Arrival) หรือ DOA เป็น ซึ่งวัดเป็นองศานับจากแกนตั้งฉากกับระนาบของเซนเซอร์
การปรับช่วงเวลาหน่วง (delay) ของเซนเซอร์ ทำให้อัตราขยายของชุดเซนเซอร์อาร์เรย์ มีค่ามากที่สุดในทิศทางที่ต้องการ ซึ่งจะทำให้สัญญาณที่มาจากทิศทางอื่นๆ ก็จะถูกลดทอนไปตามอัตราขยายของชุดเซนเซอร์ ด้วย และนี่ก็คือหลักการของการปรับบีมของชุดรับสัญญาณหรือที่เรียกกันว่า บีมฟอร์มมิ่ง (Beamforming
รูปที่ 7 แสดงอัตราขยาย ของชุดเซนเซอร์อาร์เรย์ที่องศาการรับสัญญาณต่างๆ
รูปที่ 7 แสดงค่าอัตราขยายของเซนเซอร์อาร์เรย์ ณ ต่างองศาการตกกระทบของหน้าคลื่น ซึ่งแสดงให้เห็นว่า โลบ (lobe) ซึ่งให้อัตราขยายเป็นหนึ่ง หรือ ที่เรียกว่าเป็น โลบหลัก (Main lobe) นั้นมีทิศทางไปที่ 20 องศา ส่วน lobe รองลงมา ที่เรียกว่าเป็น โลบข้าง (sidelobe) ที่ชี้ในที่แตกต่างกันไป ก็จะเกิดการลดทอนอันเนื่องจากค่าอัตราการขยายที่ต่ำกว่าหนึ่ง ซึ่งแสดงถึงการโฟกัสอยู่กับสัญญาณที่มาในทิศทางที่สนใจโดยมีการตัดสัญญาณรบกวนจากทิศทางอื่นๆ ทิ้งไป
คำถามก็คือ หากทิศทางของสัญญาณมีการเปลี่ยนแปลง เราจะมีวิธีการกำหนดทิศทางของ โลบหลักนี้ ให้สัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงนั้นได้อย่างไร
รูปที่ 8 แสดงการปรับมุมองศาของบีม หรือ ที่เรียกว่า แพทเทิร์น (pattern) ที่สร้างขึ้น จากชุดเซนเซอร์อาร์เรย์ นี้ การปรับแพทเทิร์นนี้ สามารถทำได้โดยการใส่ค่าการหน่วงเวลา (delay) ซึ่งกำหนดด้วย ให้กับสัญญาณที่มาจาก แต่ละเซนเซอร์ ใน รูปที่ 8 a) แสดงรูปแบบ ของแพทเทิร์นปกติของเซนเซอร์อาร์เรย์ ที่ โลบหลักจะอยู่ที่ 0 องศา เมื่อเราทำการใส่ค่าหน่วงเวลาให้แก่เซนเซอร์แต่ละตัว จะเห็นว่าค่ามุมการรับสัญญาณ จะมีทิศทางที่เปลี่ยนแปลงไปอยู่ที่ 15 องศา ซึ่งจะแสดงได้ดัง รูปที่ 8 b)
รูปที่ 8 a) แสดงแพทเทิร์นของ เซนเซอร์ b) แสดงการปรับแพทเทิร์น ของการรับสัญญาณโดยการใส่การหน่วงเวลาแก่เซนเซอร์
(โปรดติดตามตอนต่อไป)
.jpg)
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น