Đang tải... (xem toàn văn)
Bài báo phân tích so sánh về tỷ lệ tín hiệu/ tạp của hệ thống radar với anten mạng pha chủ động thông thường và radar MIMO với các anten phát bố trí cùng vị trí, tín hiệu được mã hóa và với các anten riêng biệt, gọi là radar MIMO thống kê”. Mời các bạn cùng tham khảo!
Thảo Quốc 2015vềvềĐiện ĐiệnTử, Tử,Truyền TruyềnThông Thông và Công TinTin (ECIT 2015) HộiHội Thảo Quốc GiaGia 2015 CôngNghệ NghệThông Thơng (ECIT 2015) PHÂN TÍCH TỶ SỐ TÍN HIỆU/ TẠP CỦA HỆ THỐNG RADAR MIMO Lê Ngọc Uyên, Võ Văn Phúc, Đinh Văn Trường Cao Văn Vũ Viện Ra đa, Viện Khoa học Công Nghệ Quân sự/ Bộ Quốc phòng Email: uyenvrd2006@gmail.com, phuchvktqs@gmail.com, dinvit2403@gmail.com, vucaovan@gmai.com Abstract— Bài báo phân tích so sánh tỷ lệ tín hiệu/ tạp hệ thống radar với anten mạng pha chủ động thông thường radar MIMO với anten phát bố trí vị trí, tín hiệu mã hóa với anten riêng biệt, gọi "radar MIMO thống kê” Do đó, diện tích phản xạ hiệu dụng (RCS) mục tiêu không phụ thuộc vào thay đổi ngẫu nhiên đường truyền khác Cho nên, thành phần tách lọc máy thu mang thông tin độc lập mục tiêu Vì chất lượng phát tốt MIMO radar với anten phát bố trí vị trí, RCS quan sát đường truyền giống Các thành phần tách lọc phối hợp anten thu mang thông tin đường truyền từ phần tử anten phát đến phần tử anten thu Bằng cách sử dụng tồn thơng tin đường truyền, đạt độ phân giải khơng gian tốt Keywords- Hệ thống radar MIMO, mạng pha tích cực I ĐẶT VẤN ĐỀ Trong năm gần đây, giới khoa học nước ngoài, người ta quan tâm tới phát triển MIMO (Multiple Input - Multiple Output) radar [1-5] Theo nghĩa chung nhất, hệ thống MIMO đa (Hình 1) thiết lập K phần tử phát L phần (vị trí phát), phát xạ K tín hiệu tử thu (vị trí thu), đảm bảo thu đồng thời xử lý tín hiệu [5] tổng tương ứng Hệ thống tín hiệu tín hiệu có dạng sóng trực giao với Theo định nghĩa tổng quát, nhiều hệ thống đa truyền thống xem trường hợp đặc biệt MIMO đa Ví dụ, đa có mặt mở tổng hợp, sử dụng anen phát đơn anten thu đơn, vị trí hai anten tách biệt coi MIMO đa với phân bố (quan hệ trực giao) theo tín hiệu thời gian Hiện nay, MIMO radar phân chia thành hai loại (Hình 2) Loại thứ bao gồm MIMO radar với anten phát bố trí vị trí tín hiệu mã hóa Loại thứ hai bao gồm radar với anten riêng biệt, gọi "radar MIMO thống kê.” Hình Hai loại MIMO đa Những ưu điểm MIMO radar so với radar mạng pha truyền thống [1,5] là: nâng cao khả phát mục tiêu, nâng cao độ xác ước lượng góc, có khả quan sát mục tiêu với vận tốc tối thiểu, khả thích nghi tốt Các đặc tính chiến thuật radar xác định [2]: vùng quan sát, tọa độ xác định, tham số chuyển động mục tiêu, độ xác đo chúng, chống nhiễu, độ tin cậy Các đặc tính kỹ thuật chung radar liên quan đến tần số sóng mang f0 (độ dài bước song λ), công suất đỉnh xung P0; dạng tín hiệu phát xạ, hệ số tạp máy thu Kt; phương pháp quan sát không gian, phương pháp đo tọa độ; phương pháp tách tín hiệu phản xạ phức tạp (PxPt); dạng độ rộng giản đồ hướng anten (GDHA), hệ số đường truyền (KD), mức cánh sóng bên, mức cơng suất u cầu từ nguồn ni, kích thước trọng lượng Để so sánh đặc tính MIMO radar với loại radar truyền thống, ta xét MIMO radar với mạng anten bố trí vị trí radar với anten mạng pha (AMP) có tham số kỹ thuật nhau: tần số sóng mang f0 (hay độ dài bước sóng λ); cơng suất phát xung kênh (modul) P0; số kênh phát Hình Nguyên lý chung MIMO đa MIMO radar với anten riêng biệt trường hợp đặc biệt hệ thống radar đa vị trí (MPRLS) [6,7] Mỗi phần tử anten phát quan sát hướng khác mục tiêu ISBN: 978-604-67-0635-9 314 314 HộiHội Thảo Quốc GiaGia 2015 CôngNghệ NghệThông Thông (ECIT 2015) Thảo Quốc 2015vềvềĐiện ĐiệnTử, Tử,Truyền TruyềnThông Thông và Công TinTin (ECIT 2015) (K) số kênh thu (L), dạng tín hiệu phát xạ; độ dài xung T0; độ rộng dải thông Δf0; hệ số tạp kênh thu Kth; cự ly mục tiêu điểm rmt mặt phẳng phản xạ hiệu dụng mục tiêu σmt Ngoài báo ta xem xét phạm vi hệ thống dải thông hẹp Trước tiên ta cần xác định mơ hình cấu trúc MIMO radar radar với AMP để ta tiện so sánh (7) với hệ số phức, mà xác định từ hướng yêu cầu để giản đồ hướng anten thu đạt giá trị lớn nhất: Khi từ (7) ta thấy MPC nội tạp đầu cộng (hình 2), MPC tạp kênh thu tỷ số tín hiệu/ tạp radar anten mạng pha xác định: II TỶ SỐ TÍN HIỆU/TẠP (8) Trong thực tế, việc phân tích đặc tính quan trọng, tỷ số tín hiệu/ tạp MIMO radar khơng nhiều Ta xem xét, tỷ số tín hiệu/ tạp MIMO radar so với radar dùng anten mạng pha Một so sánh thực cho radar dùng anten mạng pha MIMO radar với cấu trúc hình a, b tương ứng Để đơn giản cho việc kiểm nghiệm, hệ thống anten hai loại radar xem xét mạng anten dạng tuyến tính, với K phần tử phát L phần tử thu, đồng thời không ảnh hưởng đến xử lý chu kỳ Kiểm nghiệm tỷ số tín hiệu/ tạp radar mạng pha MIMO radar ta đưa hai phương pháp đánh giá: xem xét trực tiếp xem xét đồng thời Giá trị tỷ số tín hiệu / tạp radar mạng pha xem xét đầu lọc phối hợp, MIMO radar ta xem xét đầu thiết bị xử lý không gian (đầu cộng thứ hai) 2.1 Xem xét trực tiếp 2.1.1.Xác định tỉ số tín hiệu/ tạp radar anten mạng pha: Đầu tiên, ghi mật độ thông lượng công suất mục tiêu tạo phần tử mạng anten (AM)[7]: (1) Khi mật độ thơng lượng công suất mục tiêu, tạo K phần tử AM: (2) Mật độ cơng suất dịng anten thu: (3) Diện tích L phần tử thu AM: (4) Khi cơng suất nhận đầu cộng (hình 2): (5) Tỷ số tín hiệu/ tạp đầu thiết bị xử lý bên chu kỳ [7]: Hình Các cấu trúc đài radar với anten mạng pha MIMO radar (6) Ở đây: N0- Mật độ phổ công suất (MPC) nội tạp đầu thiết bị xử lý không gian Trong cộng thực tích lũy kết hợp khơng gian tín hiệu (tạo giản đồ hướng anten tuyến thu): 2.1.2 Xác định tỉ số tín hiệu/ tạp MIMO radar: 315 315 Thảo QuốcGia Gia2015 2015về Điện Điện Tử, Truyền Thông Thông Tin Tin (ECIT 2015) HộiHội Thảo Quốc Tử, Truyền ThôngvàvàCông CôngNghệ Nghệ Thông (ECIT 2015) Ta xét sơ đồ cấu trúc thiết bị xử lý không gian MIMO radar (hình 2b) dạng tương đương (hình 3) Mật độ dòng mục tiêu, tạo m phần tử phát AM ), tương tự (1) Bởi tín hiệu phát xạ tương ( quan lẫn nhau, tính mật độ tổng cơng suất dịng mục tiêu, theo cách nhìn tỷ số tín hiệu/ tạp, khơng xác Tương tự từ (3), xác định mật độ công suất dòng phần thu AM, tạo m phần tử phát xạ: Đồng thời xem xét mà không tính tổng quát, ta xét tỷ số tín hiệu/ tạp chùm tia đơn Tỷ số tín hiệu/ tạp radar anten mạng pha xem xét đồng thời: Tương tự, từ (3), mật độ cơng suất dịng mục tiêu, tạo K phần tử AM: (14) Mật độ cơng suất dịng anten thu: (9) (15) Từ (4), công suất nhận đầu cộng: (16) Khi tỷ số tín hiệu/ tạp radar anten mạng pha: (17) Đối với MIMO radar, tỷ số tín hiệu/ tạp khơng thay đổi Từ (12) (17) (18) Tóm lại, kgi xem xét đồng thời tỷ số tín hiệu/ tạp radar anten mạng pha MIMO radar Hình Cấu trúc tương đương thiết bị xử lý không gian tín hiệu MIMO radar 2.3 Khả bù mát tỷ số tín hiệu/ tạp: Tỷ số tín hiệu/ tạp bị xấu xem xét trực tiếp nghiên cứu [1, 2] Để bù mát [1] đề xuất tăng thời gian quan sát thông qua thực xem xét đồng thời Tỷ số tín hiệu/ tạp đầu thiết bị tích lũy tổng hợp (TLTC) xác định: Khi cơng suất nhận từ tín hiệu phát xạ thứ m đầu cộng thứ hai (hình 2): (10) Tỷ số tín hiệu/ tạp đầu thứ m lọc phối hợp xác định: (19) (11) đây: – hiệu thiết bị tích lũy tương can; – – độ rộng đặc tính tần số tần số lặp xung, – số xung tích lũy tương can thiết bị tích lũy tương can; Khi đó, để bù mát tỷ số tín hiệu/ tạp có tính đến TLTC, cần phải tăng số lượng xung tích lũy lên LTLTC lần Đối với tín hiệu phản xạ: - mát từ giải mã kết từ tổng đầu Ở đây: lọc phối hợp hàm tự tương quan với phần lại hàm tương quan chéo tín hiệu khác Với phát xạ đồng thời K tín hiệu trực giao, tỷ số tín hiệu/ tạp (11) đầu K lọc phối hợp Trên cộng thứ hai thực tích lũy khơng gian kết hợp, tương ứng tỷ số tín hiệu/ tạp tăng lên K lần Tỷ số tín hiệu/ tạp đầu cộng thứ hai là: III KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Để thuận lợi phân tích ảnh hưởng tỷ số tín hiệu/ tạp, ta xem xét khả phát mục tiêu đài radar mạng pha truyền thống radar MIMO, mục tiêu giả định phần lớn mục tiêu tán xạ nhỏ tuân theo phân bố Gauss Nhiễu tạp hệ thống nhiễu tạp trắng Gausian có tham số biết đường cong RCO (đặc trưng hoạt động máy thu) đa MIMO phân bổ khác thể hình Các đường cong ROC phản ánh mối quan hệ xác suất báo động lầm xác suất phát tương ứng Đài đa mạng pha truyền thống hình tương ứng với (12) Từ (8) (12) ta có: K (13) Nếu bỏ qua mát giải mã từ (13) ta thấy xem xét trực tiếp tỷ số tín hiệu/ tạp MIMO radar K lần so với radar anten mạng pha Điều cho thấy MIMO radar thiếu giản đồ hướng mạng phát 2.2 Xem xét đồng thời 316 316 Thảo Quốc Gia 2015về vềĐiện ĐiệnTử, Tử,Truyền TruyềnThông Thông TinTin (ECIT 2015) HộiHội Thảo Quốc Gia 2015 Công CôngNghệ NghệThông Thông (ECIT 2015) mảng truyền yếu tố, M số đường dẫn khởi động độc lập Như hình 4, với xác suất báo động lầm xác suất phát mảng đa truyền thống nhỏ so với Ra đa MIMO Ra đa MIMO nhiều phần tử phát độc lập mang lại hiệu suất phát tốt Trong hình ta thấy, SNR, xác suất phát Ra đa MIMO tăng lên với việc tăng phần tử mạng phát Nhưng SNR tương đối nhỏ, khả phát mảng đa truyền thống tốt so với đa MIMO Chỉ SNR lớn l0dB , khả phát đa MIMO tốt đa mảng truyền thống Do đó, số lượng tín hiệu phát nên xác định theo nhiễu hệ thống thiết kế hệ thống đa MIMO IV KẾT LUẬN Nhược điểm radar MIMO - suy giảm tỷ lệ tín hiệu / tạp đầu thiết bị xử lý không gian-thời gian, truyền phát xạ không định hướng tổng nội tạp lớn (K lần) kênh thu Nhược chế hạn chế phạm vi áp dụng radar MIMO Khắc phục nhược điểm cách tăng thời gian quan sát khơng phải lúc thực Rõ ràng bù toàn phần mát tỷ số tín hiệu/ tạp tích lũy tổng hợp đạt sử dụng số phần tử AM không lớn Hình Mối quan hệ xác suất phát xác suất báo động lầm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Черняк В С О новом направлении в радиолокации: MIMO РЛС // Прикладная радиоэлектроника 2009.— № 7.— С 34—46 [2] Черняк В С Многопозиционные радиолокационные системы на основе MIMO РЛС // Успехи современной радиоэлектроники.— 2012.— № 8.— С 29—45 [3] Li J., Stoica P., Xie Y On probing signal design for MIMO radar // IEEE Trans on Signal Processing 2007.— Vol 55, N P 4151—4161 [4] Li J., Stoica P MIMO radar signal processing.— New Jersey: A John Wiley & sons inc., 2009 [5] Daum F., Huang J MIMO Radar: Snake Oil or Good Idea // IEEE A&E Systems Magazine, May 2009 [6] Черняк В С Многопозиционная радиолокация.— Москва: Радио и связь, 1993.— 416 с [7] Охрименко А Е Теоретические основы радиолокации и РЭБ Часть I.— Москва: Воениздат, 1983 Các mối quan hệ xác suất phát mục tiêu đa MIMO SNR (tỷ số tín hiệu/ tạp) thể hình Hình Xác suất phát quan hệ SNR 317 317 ... thu tỷ số tín hiệu/ tạp radar anten mạng pha xác định: II TỶ SỐ TÍN HIỆU/TẠP (8) Trong thực tế, việc phân tích đặc tính quan trọng, tỷ số tín hiệu/ tạp MIMO radar không nhiều Ta xem xét, tỷ số tín. .. cộng: (16) Khi tỷ số tín hiệu/ tạp radar anten mạng pha: (17) Đối với MIMO radar, tỷ số tín hiệu/ tạp không thay đổi Từ (12) (17) (18) Tóm lại, kgi xem xét đồng thời tỷ số tín hiệu/ tạp radar anten... tín hiệu/ tạp radar anten mạng pha MIMO radar Hình Cấu trúc tương đương thiết bị xử lý khơng gian tín hiệu MIMO radar 2.3 Khả bù mát tỷ số tín hiệu/ tạp: Tỷ số tín hiệu/ tạp bị xấu xem xét trực
