Dùng phương pháp biến đổi wavelet packet và thống kê bậc cao hos để tách và định vị xung radar trong môi trường nhiễu,luận văn thạc sĩ kỹ thuật ngành kỹ thuật điện tử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI  Đề tài: DÙNG PHƢƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI WAVELET PACKET VÀ THỐNG KÊ BẬC CAO HOS ĐỂ TÁCH VÀ ĐỊNH VỊ XUNG RADAR TRONG MÔI TRƢỜNG NHIỄU Chuyên ngành: Mã số : Kỹ Thuật điện tử 60.52.70 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CÁN BỘ HƢỚNG DẪN : TS.TRẦN HOÀI TRUNG HVTH : THÁI QUANG TÂM Thành Phố Hồ Chí Minh 2009 Lời cảm ơn Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô, bạn bè, gia đình đồng nghiệp tạo điều kiện giúp đỡ động viên suốt trình học tập hoàn thành luận văn Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn Thầy Ts Trần Hoài Trung nhiệt tình hƣớng dẫn cách khoa học, ln ln động viên ln theo sát tiến trình hồn thành luận văn Luận văn đƣợc thực điều kiện hạn chế nhiều mặt nên không tránh khỏi sai sót kính mong nhận đƣợc đóng góp ý kiến để luận văn hồn chỉnh Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/2009 PHẦN II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MỤC LỤC PHẦN I: MỞ ĐẦU 1 LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI MỤC TIÊU, ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2.1 2.2 Mục tiêu đề tài Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Ý NGHĨA ĐỀ TÀI PHẦN II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ RADAR VÀ TÁCH TÍN HIỆU RADAR 1.1 TỔNG QUAN VỀ RADAR 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Phân loại Radar 1.1.3 Cự ly 1.1.4 Độ phân giải cự ly 1.1.5 Tần số Doppler 11 1.1.6 Sự quán (Coherence) 13 1.1.7 Phƣơng trình Radar 14 1.2 TÁCH SÓNG RADAR 19 1.2.1 Giới thiệu 19 1.2.2 Tách sóng nhiễu 20 1.2.3 Xác suất báo động lầm 23 1.2.4 Xác suất phát 25 1.2.5 Kết hợp xung (Pulse Integration) 26 CHƢƠNG : CƠ SỞ LÝ THUYẾT BIẾN ĐỔI WAVELET – WAVELET PACKET 30 2.1 ĐÔI NÉT VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA WAVELET 30 2.1.1 Trƣớc năm 1930 30 2.1.2 Những năm 1930 32 2.1.3 Những năm 1960 đến 1980 32 2.1.4 Những năm đầu thập niên 1980 32 2.2.5 Biến đổi Wavelet liên tục - CWT 36 2.2.6 Hộp Wavelet Heisenberg 37 2.3 PHÂN TÍCH ĐA PHÂN GIẢI - MRA 38 2.4 CƠ SỞ WAVELET 46 2.4.1 Cơ sở wavelet trực giao 46 2.4.2 Cơ sơ wavelet nhị trực giao 47 2.4.3 Một số họ sở wavelet 48 2.4.4 Cơ sở Wavelet Haar 48 2.5 BIẾN ĐỔI WAVELET RỜI RẠC - DWT 50 2.5.1 Các lọc băng 50 2.5.2 Tiền lọc tín hiệu 52 2.5.3 Sự phân cắt tín hiệu 53 2.6 BIẾN ĐỔI WAVELET PACKET 56 ỨNG DỤNG TRIỆT NHIỄU TÍN HIỆU BẰNG BIẾN ĐỔI WAVELET VÀ WAVELET PACKET 60 2.7.1 Triệt nhiễu biến đổi wavelet wavelet packet 60 2.7 CHƢƠNG 3: LÝ THUYẾT THỐNG KÊ BẬC CAO 63 GIỚI THIỆU 63 3.1.1 Tại sử dụng HOS 64 3.1.2 Cumulant, moment đặc tính chúng 68 ĐỊNH NGƢỠNG MỀM BIẾN ĐỔI WAVELET PACKET BẰNG HOS 71 CHƢƠNG 4: GIẢI THUẬT MÔ PHỎNG 73 4.1 Mục tiêu mô 73 4.2 Các điều kiện giả thiết mô 73 4.3 Sơ đồ giải thuật mô 74 4.3.1 Tách nhiễu xung radar biến đổi wavelet packet thống kê bậc cao HOS 74 4.3.2 Mô đánh giá khả tách nhiễu xung radar biến đổi wavelet packet thống kê bậc cao HOS 77 4.3.3 Mô đánh giá khả định vị vị trí xung radar theo thời gian 78 CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .79 Kết tách nhiễu xung radar biến đổi wavelet packet thống kê bậc cao hos 79 Kết mô đánh giá khả tách nhiễu xung radar 84 Mô đánh giá khả tách nhiễu xung radar biến đổi wavelet packet thống kê bậc cao HOS so với WFT 85 PHẦN III: KẾT LUẬN 89 Kết luận .89 Hƣớng phát triển đề tài 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 BẢNG CHỮ VIẾT TẮT 92 DANH MỤC HÌNH 93 PHẦN I: MỞ ĐẦU LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI Radar thiết bị sóng điện từ phát có mặt, vị trí tính chất loại mục tiêu nhờ vào sóng phản xạ Nhiều loại radar khác với công khác đƣợc áp dụng cho nhiều lĩnh vực đời sống xã hội cho nhiều lợi ích lớn lao Do đó, kỹ thuật điện tử viễn thơng nói chung kỹ thuật xử lý tín hiệu nói riêng tín hiệu radar ln nhận đƣợc quan tâm nhiều nhà nghiên cứu nhằm cải thiện tốt đặc tính radar Trong đó, nhiều cơng cụ xử lý tín hiệu nhƣ biến đổi Wavelet thống kê bậc cao đƣợc áp dụng Cùng khuynh hƣớng nhằm đánh dấu hồn thành trình lao động học tập, nên đề tài “Xử lý tín hiệu Radar Wavelet thống kê bậc cao” đƣợc lựa chọn Đề tài đƣợc lựa chọn nhằm giải số vấn đề radar xung, loại radar đƣợc ứng dụng nhiều lĩnh vực nhƣ hàng khơng, hàng hải, khí tƣợng số lĩnh vực khác Trong đó, radar xung cịn có số nhƣợc điểm tầm phủ sóng, tốc độ phát mục tiêu cần đƣợc cải thiện để đáp ứng tốt yêu cầu thực tế lý sau Thứ nhất, để mở rộng tầm phủ radar, máy thu radar phải có khả tách đƣợc tín hiệu yếu mơi trƣờng nhiễu mạnh, nghĩa máy thu phải có ngƣỡng SNR thấp Để giải vấn đề này, máy thu radar truyền thống sử dụng cách kết hợp xung tín hiệu để làm tăng SNR tín hiệu thu Tuy nhiên việc kết hợp xung địi hỏi phải có số lƣợng xung định, đặc điểm làm giảm khả đáp ứng radar Thứ hai, để phát mục tiêu nhỏ có tốc độ di chuyển nhanh đòi hỏi radar phải đáp ứng nhanh nghĩa phải phát mục tiêu nhận đƣợc xung phản xạ Đặc biệt số loại radar áp dụng kỹ thuật quét nhanh điều khiển bup sóng quét hệ thống xạ anten dãy (phase array radar) Đề tài đƣa giải thuật nhằm giải hai nhƣợc điểm radar xung cách kết hợp hai cơng cụ xử lý tín hiệu thành cơng vịng 20 năm trở lại biến đổi wavelet thống kê bậc cao (cơng cụ phân tích thành phần độc lập ICA) Giải thuật triệt nhiễu xung radar RF thu đƣợc nằm chìm nhiễu đƣợc thực cách dùng lọc thời gian – tần số phi tuyến, dựa phép biến đổi Fourier cửa sổ rời rạc Tuy nhiên ta biết phép biến đổi wavelet cho tính định vị hay cục hóa miền thời gian – tần số tốt so với biến đổi Fourier cửa sổ rời rạc Điều có nghĩa việc định vị xung đƣợc phát miền thời gian đạt đƣợc phép biến đổi Fourier cửa sổ Trong đề tài ta dùng phép biến đổi Wavelet packet để triệt nhiễu xung radar RF Nhiễu đƣợc loại bỏ cách định ngƣỡng cho hệ số biến đổi Wavelet xung radar RF thu đƣợc Thông thƣờng ngƣỡng đƣợc xác định thông qua việc ƣớc lƣợng giá trị nhiễu Việc dùng ngƣỡng kiểu làm xung radar phản xạ có SNR thấp Trong đề tài việc chọn lựa mức ngƣỡng tùy thuộc vào phép thông kê bậc cao HOS hệ số biến đổi Wavelet Sử dụng ngƣỡng dựa vào phép thông kê bậc cao cho ta hiệu so với phƣơng pháp ƣớc lƣợng nhiễu đặc biệt điều kiện SNR bé 2.1 MỤC TIÊU, ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Mục tiêu đề tài Mục tiêu đề tài nghiên cứu vấn đề phát hiện, triệt nhiễu định vị xung radar RF thu đƣợc nhiễu sử dụng biến đổi wavelet thống kê bâc cao 2.2 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu vào đối tƣợng xung radar RF thu đƣợc nhiễu Đề tài giới hạn phạm vi nghiên cứu triệt nhiễu định vị xung radar sở biến đổi wavelet thống kê bậc cao Phần thực nghiệm đƣợc thực qua việc mơ xử lý tín hiệu phần mềm Matlab phiên 7.0.4 máy tính Ý NGHĨA ĐỀ TÀI Đề tài mở hƣớng nghiên cứu ứng dụng ƣu điểm hai lĩnh vực Wavelet thống kê bậc cao HOS (cơng cụ tốn phép phân tích thành phần độc lập – ICA) nhằm phát triển thuật toán cho phép tách định vị xung radar RF nhiễu mạnh, nhờ giảm cơng suất phát xạ hay nói cách khác mở rộng cự ly phát hiện, tăng khả phát mục tiêu nhanh hệ thống radar, đặc biệt hệ thống radar quét nhanh có búp sóng quét điện tử (phase array radar) PHẦN II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ RADAR VÀ TÁCH TÍN HIỆU RADAR 1.1 TỔNG QUAN VỀ RADAR 1.1.1 Giới thiệu RADAR, viết tắt RAdio Detection And Ranging, thiết bị đƣợc phát minh thập kỷ kỷ 20 dùng để nhận dạng từ xa xác định cự ly vật thể (nhƣ tàu thủy máy bay) sóng điện từ Nguyên lý bên radar đƣợc thí nghiệm lần Hertz vào cuối kỷ 19 Hertz kiểm tra lý thuyết trƣờng điện từ Maxwell, chứng tỏ sóng điện từ phản xạ lại chất dẫn điện điện môi Các phát chƣa đƣợc ứng dụng năm 1900 kỹ sƣ ngƣời Đức sáng chế thiết bị để nhận dạng tàu chƣớng ngại vật sóng điện từ Tuy nhiên, cự ly phát nhỏ (cỡ dặm) nên thiết bị chƣa đƣợc thành công Một vài năm trƣớc Thế chiến thứ hai bùng nỗ hệ thống radar phát sóng liên tục CW đƣợc thử nghiệm nhiều quốc gia Các hệ thống radar hoạt động chủ yếu băng tần HF (high frequency: đến 30MHz) VHF (very high frequency: 30 đến 300MHz) đạt cự ly phát lên đến 50 dặm Các radar CW dùng hiệu ứng dịch tần Doppler đo dịch chuyển mục tiêu sinh làm tảng cho việc phát mục tiêu mà khơng có thêm thơng tin cự li hay vị trí Trong suốt Thế chiến hai, hệ thống radar đƣợc sử dụng cách có hệ thống nhƣ cơng cụ để cải thiện hệ thống phòng thủ quân sự, cách phát sớm máy bay tàu chiến quân địch, Trong thời kỳ đó, radar xung đƣợc phát minh để cung cấp thông tin cự ly dựa việc đo lƣờng thời gian trễ xung phát xung phản xạ từ mục tiêu Từ đó, hệ thống radar đƣợc phát cải tiến liên tục vế phần cứng (máy phát, máy thu, anten radar v.v.) lẫn phần mềm (khi máy tính xuất làm cơng cụ cho việc phân tích biểu diễn liệu radar) Hiện nay, radar đƣợc ứng dụng vào nhiều lĩnh vực đời sống nhƣ điều khiển không lƣu, định vị hàng hải, dự báo thời tiết, ứng dụng đời sống nhƣ radar phát mỏ khoáng sản, mỏ dầu,…, radar kiểm tra cơng trình xây dựng, radar đo tốc độ xe lƣu thông ứng dụng quân nhƣ giám sát, định vị, điều khiển, dẫn đƣờng cho loại vũ khí 1.1.2 Phân loại Radar Các hệ thống Radar nói chung sử dụng dạng sóng điều chế anten định hƣớng để phát lƣợng điện từ vào thể tích định không gian nhằm phát mục tiêu Các vật thể (mục tiêu) nằm khơng gian tìm kiếm phản xạ lại phần lƣợng (tín hiệu phản xạ) trở lại đài radar Các tín hiệu phản xạ đƣợc máy thu đài radar xử lý để tách thông tin mục tiêu nhƣ cự ly, vận tốc, góc phƣơng vị, số đặc tính khác Radar đƣợc phân loại theo vị trí đặt hệ thống radar nhƣ mặt đất, máy bay, khơng gian hay tàu thủy Ngồi ra, hệ thống radar phân thành nhiều loại khác dựa vào đặc tính radar nhƣ băng tần số, loại anten dạng sóng phát Ta phân loại radar theo chức nhiệm vụ đài radar nhƣ radar khí tƣợng, radar cảnh giới, radar dẫn đƣờng… Radar dùng hệ thống xạ (Phased array radar) loại radar sử dụng dãy anten đa chức Dãy anten đƣợc hình thành từ hai hay nhiều anten tổng hợp nên búp sóng hẹp có định hƣớng qt vịng đƣợc khí hay điện Việc quét vòng điện tử đƣợc điều khiển pha tín hiệu đƣa vào phần tử dãy anten Thông thƣờng radar đƣợc phân loại theo dạng sóng hay theo tần số hoạt động Theo dạng sóng, radar đƣợc phân thành hai loại phát sóng liên tục (CW) phát xạ xung Radar phát sóng liên tục loại radar phát lƣợng điện từ liên tục sử dụng hai anten phát thu riêng biệt Radar phát xạ xung liên tục khơng điều chế đo đƣợc xác vận tốc xuyên tâm mục tiêu (độ dịch Doppler) góc phân vị Thơng tin cự ly mục tiêu biết đƣợc sử dụng điều chế Ứng dụng dạng radar xác định vận tốc mục tiêu radar cảnh giới dẫn đƣờng Radar xung sử dụng chuỗi xung (chủ yếu đƣợc điều chế) Trong kiểu radar hệ thống đƣợc phân loại dựa theo tần số lặp lại xung (PRF – Pulse Repetition Frequency) với dạng PRF thấp, PRF trung bình, PRF cao Các radar PRF thấp đƣợc sử dụng để đo cự ly không cần quan tâm đến vận tốc mục tiêu (độ dịch Doppler) Radar PRF cao chủ yếu đƣợc sử dụng để đo vận tốc mục tiêu Radar phát sóng liên tục nhƣ radar phát xạ xung đo đƣợc cự ly vận tốc xuyên tâm mục tiêu, cách sử dụng sơ đồ điều chế Bảng 1.1 Phân loại radar dựa tần số hoạt động Ký hiệu dải tần HF VHF UHF L S C X Ku K Ka MMW Tần số (GHz) 0,003  0,03 0,03  0,3 0,3  12 24 48  12,5 12,5  18,0 18,0  26,5 26,5  40 > 40 Bƣớc sóng (cm) 10.000  1.000 1.000  100 100  30 30  15 15  7,5 7,5  3,75 3,75  2,4 2,4  1,67 1,67  1,13 1,13  0,75 < 0,75 Radar HF dùng xạ điện từ phản xạ từ tầng điện ly để phát mục tiêu phía sau đƣờng chân trời, ví dụ nhƣ: radar U.S OTH/B, radar ROTHR Hoa Kỳ radar Woodpecker Nga Băng VHF UHF đƣợc sử dụng cho cự ly xa gọi radar phát xa (EWR – Early Warning Radar) Ví dụ nhƣ hệ thống radar cảnh báo tên lửa sớm Ballistic (BMEWS) hoạt động tần số 245 MHz, hệ thống PAR (Perimeter and Acquisition Radar) Phase array radar hoạt động cự ly xa đa chức năng, hệ thống Phase array radar UHF cảnh báo sớm đa chức PAVE PAWS Do hệ thống anten có bƣớc sóng lớn độ nhạy đòi hỏi để đo cự ly xa, nên chúng có diện tích lớn Radar băng L thƣờng đƣợc sử dụng hệ thống mặt đất tàu cho mục đích quân điều khiển không lƣu cự ly xa Phần lớn hệ thống radar cự ly trung bình mặt đất tàu hoạt động băng S Tuy nhiên hầu hết radar khí tƣợng hoạt động băng C Các radar dẫn đƣờng, cảnh giới cự ly trung bình radar đo lƣờng hoạt động băng C 80 Hình 5.2 Các hệ số wavelet packet tín hiệu radar thu có nhiễu Bƣớc thứ hai sau thực biến đổi wavelet packet kiểm tra tính Gaussian hệ số WP thơng qua việc kiểm tra kurtosis theo điều kiện (3.21) Hình 5.3 biểu diễn giá trị kurtosis ƣớc lƣợng đƣợc tính từ phƣơng trình (3.20) nút giá trị ngƣỡng so sánh theo điều kiện (3.21) Sau so sánh với giá trị ngƣỡng này, hệ số WP nút có giá trị kurtosis ƣớc lƣợng thấp giá trị ngƣỡng đƣợc cho Các hệ số WP cịn lại đƣợc biểu diễn hình 5.4 Sau bƣớc ta hoàn thành giai đoạn việc triệt nhiễu Nếu ta phục hồi tín hiệu từ hệ số WP lại ta thu đƣợc tín hiệu nhƣ hình 5.6 (c) Ta tiếp tục thực giai đoạn hai việc tách nhiễu, để cải thiện SNR tín hiệu đƣợc tách ra, cách đặt giá trị ngƣỡng cứng loại bỏ hệ số WP cịn lại có giá trị thấp giá trị ngƣỡng cứng Kết việc loại bỏ đƣợc biểu diễn hình 5.5 Phục hồi tín hiệu sau giai đoạn ta đƣợc hình 5.6 (d) Đây biểu diễn theo thời gian tín hiệu đƣợc tách nhiễu Kết cho ta xung nằm xác vị trí xung tín hiệu gốc 81 Hình 5.3 Giá trị kurtosis ƣớc lƣợng nút giá trị ngƣỡng kurtosis mang tính Gaussian với độ tin cậy   0.9 Hình 5.4 Các hệ số wavelet packet tín hiệu sau loại bỏ hệ số WP có tính Gaussian 82 Hình 5.5 Các hệ số wavelet packet tín hiệu sau thực xong hai giai đoạn triệt nhiễu (a) (b) (c) (d) Hình 5.6 Biểu diễn theo thời gian tín hiệu (a) tín hiệu radar phát đi, (b) tín hiệu radar thu có nhiễu, (c) tín hiệu phục hồi từ hệ số WP sau kiểm tra kurtosis, (d) tín hiệu sau thực giai đoạn hai Ta tiến hành mô với số trƣờng hợp khác ví dụ nhƣ 83  Trƣờng hợp 2: SNR = -18dB; N=14000 mẫu (tƣơng đƣơng với việc tăng PRP); hàm wavelet = „db16‟; số mức phân rã J = Hình 5.7 Biểu diễn theo thời gian tín hiệu mô trƣờng hợp  Trƣờng hợp 3: SNR = -24dB; N=140000 mẫu (tƣơng đƣơng với việc tăng PRP); hàm wavelet = ‘db8’; số mức phân rã J = 84 Hình 5.8 Biểu diễn theo thời gian tín hiệu mơ trƣờng hợp Từ mô ta thấy giải thuật đề nghị cịn có khả tách xung radar mức SNR = -24 dB Kết mô đánh giá khả tách nhiễu xung radar So sánh giải thuật đề tài giải thuật triệt nhiễu dùng biến đổi wavelet packet việc định ngƣỡng mềm với tiêu chuẩn định ngƣỡng SURE (Stein's Unbiased Risk Estimate) đƣợc phát triển Iain Johnstone David Donohos có sẳn phần mềm MATLAB điều kiện độ dài tín hiệu, mức nhiễu điều kiện mô số mức phân rã, hàm wavelet mẹ Kết đƣợc biểu diễn hình 5.9, cho thấy giải thuật đề tài cho giá trị RMSE thấp so với giá trị RMSE kỹ thuật triệt nhiễu phần mềm MATLAB Giá trị sai số trung bình bình phƣơng giải thuật đề nghị 0.01 giá trị SNR = - 20 dB RMSE 85 SNR (dB) Hình 5.9 Biểu diễn RMSE theo SNR giải thuật đề nghị giải thuật triệt nhiễu theo tiêu chuẩn ‘sure’ Mô đánh giá khả tách nhiễu xung radar biến đổi wavelet packet thống kê bậc cao HOS so với WFT Trong việc triệt nhiễu xung radar RF, nhiệm vụ quan trọng định vị xung thu đƣợc miền thời gian Điều có nghĩa việc triệt nhiễu xung radar ngồi việc làm tín hiệu miền thời gian khơng đƣợc làm thơng tin xung (độ rộng xung vị trí xung) Việc thông tin xung miền thời gian đồng nghĩa với việc sai sót cự ly radar Nhƣ ta biết biến đổi wavelet cho ta tính định vị cuc miền thời gian tần số tốt biến đổi Fourier cửa sổ rời rạc Để khẳng định lại khả giải thuật đề tài việc định vị xung RF thu đuợc miền thời gian ta thực việc so sánh giải thuật triệt nhiễu đề tài triệt nhiễu sủ dụng biến đổi Fourier cửa sổ Hình 5.10 5.11 cho ta so sánh biến đổi wavelet packet biến đổi Fourier cửa sồ tín hiệu radar xung thu có SNR = -24 (rất thấp) 86 Hình 5.10 Biến đổi Fourier cửa sổ tín hiệu thu có nhiễu Hình 5.11 Biến đổi wavelet packet tín hiệu thu có nhiễu Hình 5.13 hình 5.14 cho ta so sánh biến đổi wavelet packet biến đổi Fourier cửa sổ tín hiệu triệt nhiễu từ tín hiệu nhiễu hình 5.11, 5.12 Từ hai hình 5.13 5.14 ta thấy biến đổi Fourier cửa sổ tín hiệu xung RF radar đƣợc định vị tốt miền tần số nhƣ biến đổi wavelet packet Lý điều lõi biến đổi Fourier cửa sổ tín hiệu hình sin nên có độ tƣơng quan lớn với sóng mang xung RF thu đƣợc 87 Hình 5.12 Biến đổi Fourier cửa sổ tín hiệu sau triệt nhiễu Hình 5.13 Biến đổi wavelet packet tín hiệu sau triệt nhiễu Hình 5.14 cho ta so sánh tín hiệu đƣợc triệt nhiễu hai kỹ thuật Từ hình ta thấy rõ ràng biến đổi Window cửa sổ rời rạc khơng cho định vị tín hiệu miền thời gian tốt biến đổi wavelet packet 88 Hình 5.14 Kết triệt nhiễu biến đổi Fourier cửa sổ rời rạc biến đổi wavelet packet tín hiệu radar 89 PHẦN III: KẾT LUẬN Kết luận Đề tài đƣa giải thuật triệt nhiễu xung radar RF cách kết hợp hai công cụ mạnh xử lý tín hiệu biến đổi wavelet packet thống kê bậc cao Giải thuật đề tài cho phép phát định vị xác xung radar RF mà không cần biết trƣớc thông số xung (tần số độ rộng xung) Giải thuật đƣợc kiểm tra với mức SNR đến -24 dB chứng tỏ hoạt động tốt Việc sử dụng giải thuật cho phép ta giảm công suất phát xạ radar hay nói cách khác cho phép ta mở rộng tầm phủ radar đồng thời cho phép ta thực việc quét nhanh mục tiêu với xung radar thu đƣợc thay phải sử dụng việc kết hợp nhiều xung làm giảm thời gian đáp ứng radar Hƣớng phát triển đề tài Đề tài đƣợc thực số giới hạn định thời gian kiến thức áp dụng nên chắn cịn có số mặt hạn chế định Đề tài đƣợc mở rộng để trở thành công cụ xử lý tín hiệu radar mạnh mẽ để áp dụng vào thực tế theo hƣớng nhƣ áp dụng thêm công cụ để xử lý loại nhiễu khác thực tế radar hay phát triển thiết bị phần cứng giả lập để thực giải thuật tiến đến ứng dụng vào thực tế 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO Aapo Hyvarinen, Juha Karhunen, Erkki Oja, Independent Component Analysis, Johnson Wiley & Son, INC, 2001 Amara Graps, “An Introduction to Wavelets”, IEEE Computational Science and Engineering, Vol 2, No 2,1995 Bassem R Mahafza, Radar Systems Analysis and Design Using Matlab, Chapman & Hall/CRC, 2000 David F Walnut , An Introdution to Wavelet Analysis, Springer-Verlag New York, Inc., 2001 Donoho, D.L., “Denoising by soft-thresholding”, IEEE transactions on Information Theory, Vol 41, No 3, 613-627, May 1995 Donoho, D L and I Johnstone, “Ideal spatial adaption by wavelet shrinkage,” Biometika, Vol 81, 425-455, 1994 Donoho, D.L.; I.M Johnstone (1994), "Ideal de-noising in an orthonormal basis chosen from a library of bases," CRAS Paris, Ser I, t 319, pp 13171322 Elsehely, E and M I Sobhy, “Reduction of interference in microwave automotive radars,” IEEE, Microwave Theory and Techniques Society, Boston, June 2000 Huether, B M., A C Gustafson, and R P Broussard, “Wavelet preprocessing for high range resolution radar classification,” IEEE Transaction on Aerospace and Electronic Systems, Vol 37, No 4, 1321– 1331, Oct 2001 10 Học viện Hàng không Việt Nam, Giáo trình Radar, 2006 11 Malat, S G., “A theory for multiresolution signal decomposition”, IEEE Transaction on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol 11, No 7, 674–693, 1989 91 12 Matlab Release 14 Service Pack 2, Wavelet Toolbox 3.0.2 Release Notes, The Mathwork Inc., 2005 13 Merrill I.Skolnik, Radar Handbook, McGraw-HILL Publishing Company, Second Edidtion, 1990 14 Naoki Ehara, Iwao Sasase and Shinsaku Mori, “Weak radar signal detection based on wavelet transform”, Electronics and Communications in Japan, Part 3, Vol 77, No 8, 105-114, May 1994 15 Nguyễn Đức Luyện, Cơ sở thống kê Ra Đa, NXB Quân đội nhân dân, 2003 16 O A M Aly and A S Omar, “Detection and localization of RF radar pulses in noise environments using wavelet packet transform and higher order statistics”, Progress In Electromagnetics Research, PIER 58, 301317, 2006 17 Ravier, P and P O Amblard, “Wavelet packets and denoising based on higher-order-statistics for transient detection,” Signal Processing, Vol 81, No 9, 1909–1926, August 2001 18 Simon Kingsley and Shaun Quegan, Understanding Radar System, McGraw-Hill Book Co., International Editions 1993 92 BẢNG CHỮ VIẾT TẮT RADAR RAdio Detection And Ranging HF high frequency VHF very high frequency PRF Pulse Repetition Frequency EWR Early Warning Radar PAR Perimeter and Acquisition Radar STALO STAble Local Oscillator RCS Radar Cross Section SNR Signal to Noise Ratio WFT Windowed Fourier Transform HOS Higher-Order Statistics CFAR Constant False Alarm Rate MTI Moving Target Indication PRP Pulse Repetition Period SURE Stein's Unbiased Risk Estimate 93 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ khối radar xung đơn giản 11 Hình 1.3 Minh họa đa trị cự ly 13 Hình 1.4 Phân biệt mục tiệu theo cự ly cự ly xiên 14 Hình 1.5 (a) Hai mục tiêu không phân biệt đƣợc (b) Hai mục tiêu phân biệt đƣợc 16 Hình 1.8 Mật độ xác suất Gaussian Rayleigh 27 Hình 1.9 Ngƣỡng phát chuẩn hóa theo xác suất báo động lầm 28 Hình 2.1 Đặc tính thời gian tần số WFT 39 Hình 2.8 Ap dụng lọc băng vào biến đổi tổng hợp 41 Hình 2.10 Biến đổi ngƣợc wavelet rời rạc – IDWT 53 Hình 2.12 Thực biến đổi wavelet rời rạc 55 Hình 2.14 Biến đổi wavelet mở rộng thành wavelet packet 59 Hình 4.1 Sơ đồ thuật tóan tách nhiễu xung radar biến đổi wavelet packet thống kê bậc cao HOS 76 Hình 4.2 Sơ đồ mơ kiểm tra khả triệt nhiễu xung radar biến đổi wavelet packet thống kê bậc cao HOS 77 Hình 4.3 Sơ đồ mơ kiểm tra khả định vị xung radar biến đổi wavelet packet thống kê bậc cao HOS so với biến đổi Fourier cửa sổ rời rạc 78 Hình 5.1 (a) Cây phân rã wavelet packet tín hiệu radar thu có nhiễu mức phân rã (b) liệu nút (2,1) 79 Hình 5.2 Các hệ số wavelet packet tín hiệu radar thu có nhiễu 80 Hình 5.3 Giá trị kurtosis ƣớc lƣợng nút giá trị ngƣỡng kurtosis mang tính Gaussian với độ tin cậy   0.9 81 Hình 5.4 Các hệ số wavelet packet tín hiệu sau loại bỏ hệ số WP có tính Gaussian 81 Hình 5.5 Các hệ số wavelet packet tín hiệu sau thực xong hai giai đoạn triệt nhiễu 82 94 Hình 5.6 Biểu diễn theo thời gian tín hiệu (a) tín hiệu radar phát đi, (b) tín hiệu radar thu có nhiễu, (c) tín hiệu phục hồi từ hệ số WP sau kiểm tra kurtosis, (d) tín hiệu sau thực giai đoạn hai 82 Hình 5.7 Biểu diễn theo thời gian tín hiệu mơ trƣờng hợp 83 Hình 5.8 Biểu diễn theo thời gian tín hiệu mô trƣờng hợp 84 Hình 5.9 Biểu diễn RMSE theo SNR giải thuật đề nghị giải thuật triệt nhiễu theo tiêu chuẩn ‘sure’ 85 Hình 5.10 Biến đổi Fourier cửa sổ tín hiệu thu có nhiễu 86 Hình 5.11 Biến đổi wavelet packet tín hiệu thu có nhiễu 86 Hình 5.12 Biến đổi Fourier cửa sổ tín hiệu sau triệt nhiễu 87 Hình 5.13 Biến đổi wavelet packet tín hiệu sau triệt nhiễu 87 Hình 5.14 Kết triệt nhiễu biến đổi Fourier cửa sổ rời rạc biến đổi wavelet packet tín hiệu radar 88