Thiết kế bộ lọc mục tiêu di động mti số cho radar xung tương can,luận văn thạc sỹ kỹ thuật điện tử

i TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC Họ tên học viên: Lê Phước Hưng Năm sinh: 02/12/1973 Cơ quan công tác: Trường Cao Đẳng Kinh Tế Kỹ Thuật Phú Lâm Khoá: 20-1 Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Mã số: 60520203 Cán hướng dẫn: GS-TS Lê Hùng Lân Bộ môn: Kỹ Thuật Viễn Thông Tên đề tài : Thiết kế lọc số lọc mục tiêu di động MTI số cho radar xung tương can Mục đích nghiên cứu đề tài: - Thiết kế lọc mục tiêu di động MTI số - Chống nhiễu tiêu cực cho radar - Mơ mơ hình thiết kế phần mền Matlab Phương pháp nghiên cứu kết đạt được: Nghiên cứu đề tài, cơng trình khoa học có liên quan làm sở phát triển đề tài tiến hành mô mô hình với thơng số thay đổi để kiểm nghiệm đánh giá lọc miền thời gian đơn giản, giá thành rẽ ứng dụng rộng rãi hệ thống radar ngày Điểm bình quân môn học: Điểm bảo vệ luận văn: Xác nhận cán hướng dẫn: Ngày 20 tháng 05 năm 2014 Học viên GS-TS Lê Hùng Lân Xác nhận Bộ môn Lê Phước Hưng - Cao học KTĐT K20.1 Lê Phước Hưng Đại học Giao thông Vận tải ii MỤC LỤC TRÍCH YỀU LUẬN VĂN CAO HỌC i MỤC LỤC ii MỞ ĐẦU iv THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vii CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ RADAR XUNG TƯƠNG CAN 1.1 Cấu trúc radar xung tương can 1.2 Phổ tín hiệu phát thu radar xung tương can 1.3 Hiệu ứng Doppler tín hiệu radar 1.3.1 Khái niệm 1.3.2 Sự hình thành cơng thức tốn học hiệu ứng Doppler 1.3.3 Mối quan hệ pha tín hiệu phản xạ tần số Doppler 10 1.4 Nhiễu tiêu cực 12 1.4.1 Khái niệm nhiễu tiêu cực 12 1.4.2 Sự khác biệt nhiễu tiêu cực mục tiêu 13 1.4.3 Các biện pháp chống nhiễu tiêu cực 13 1.4.4 Đặc tính phổ lượng nhiễu tiêu cực 14 1.5 Kết luận chương 20 CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG TÁCH SÓNG PHA 21 2.1 Mơ hình tách sóng pha 21 2.2 Bộ tách sóng pha kênh kênh radar xung tương can 22 2.2.1 Bộ tách sóng pha kênh 22 2.2.2 Bộ tách sóng pha kênh (cầu phương) 25 2.3 Tín hiệu đầu tách sóng pha 28 2.4 Phân bố phổ mục tiêu nhiễu tiêu cực sau tách sóng pha 30 2.5 Kết luận chương 31 Lê Phước Hưng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải iii CHƯƠNG 3: BỘ LỌC SỐ SỬ DỤNG TRONG RADAR VÀ BỘ LỌC MTI (Moving Target Indicator) 32 3.1 Phân loại lọc tương tự lọc số: 32 3.2 Bộ lọc số ? 33 3.3 Các dạng lọc số 34 3.4 Moving Target Indicator (MTI) dùng radar 36 3.4.1 Bộ bù khử qua chu kỳ lần 39 3.4.2 Bộ bù khử qua chu kỳ hai lần 42 3.4.3 Bộ bù khử qua chu kỳ lần có hồi quy(đệ quy) 44 3.4.4 Đánh giá chất lượng bù khử 47 3.5 Chọn lựa lọc MTI cho đề tài 51 3.6 Đánh giá chất lượng: 53 3.7 Kết luận chương 56 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ LỌC VÀ MÔ PHỎNG 57 4.1 Thiết kế lọc 57 4.1.1 Chọn A/D 57 4.1.2 Chọn giữ chậm 59 4.1.3 Chọn đầu lọc 60 4.2 Mô tả hoạt động mô hình thiết kế 61 4.3 Mô Phỏng 63 4.3.1 Tín hiệu khỏi tách sóng pha 65 4.3.2 Mô Phỏng biến đổi A/D 68 4.3.3 Quá trình bù khử qua chu kỳ 71 4.3.4 Tín hiệu qua biến đổi D/A 79 4.4 Kết luận chương 82 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 84 LỜI CÁM ƠN 85 LỜI CAM ĐOAN 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 Lê Phước Hưng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải iv MỞ ĐẦU Radar ngày ứng dụng rộng rãi, phổ biến không dùng quân đội mà ứng dụng nhiều dân đặc biệt lĩnh vực định vị vơ tuyến, dẫn đường hàng khơng, hàng hải, Chính việc tìm hiểu phát triển kỹ thuật ứng dụng radar yêu cầu cho người kỹ sư điện tử viễn thông hàng không đặc biệt kỹ thuật chống nhiễu tiêu cực cho radar để giúp xác định cách xác máy bay (mục tiêu) di chuyển bầu trời thuộc khu vực quản lý đài radar nhằm đảm bảo an tồn cho chuyến bay, lý em chọn đề tài “Thiết kế lọc số lọc mục tiêu di động MTI số cho radar xung tương can” Khi radar hoạt động tín hiệu mà radar thu nhận gồm tín hiệu phản xạ từ mục tiêu di động (máy bay) nhiễu tiêu cực (tín hiệu phản xạ từ mục tiêu cố định đồi núi, mây, mưa,…) Vì chức xử lý tín hiệu radar phải loại bỏ nhiễu tiêu cực, lại mục tiêu di động Đối với đài radar hệ cũ, để tách mục tiêu di động từ nhiễu tiêu cực người ta sử dụng lọc MTI tương tự mà tiêu biểu bù khử qua chu kỳ với tín hiệu làm trễ dây giữ chậm siêu âm, chất lỏng (thủy ngân,…) Tuy nhiên việc sử dụng lọc tương tự không đảm bảo độ ổn định (độ xác thời gian giữ chậm thấp), kích thước lọc lớn, khó khăn việc bảo dưỡng Do Đối tượng nghiên cứu việc ứng dụng kỹ thuật số vào lọc MTI thay cho cho lọc MTI tương tự mà tiêu biểu bù khử qua chu kỳ áp dụng kỹ thuật số với dung lượng nhớ lớn, độ ổn định cao (do thời gian giữ chậm có độ xác cao), kích thước nhỏ gọn, dễ dàng việc bảo dưỡng đặc biệt giá ngày hợp lý tạo bước phát triển lớn kỹ thuật xử lý tín hiệu radar Lê Phước Hưng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải v Phạm vi nghiên cứu đề tài: Trước vào thiết kế lọc số lọc mục tiêu di động MTI số cho radar xung tương can cần tìm hiểu vấn đề liên quan như: radar xung tương can, hiệu ứng Doppler, nhiễu tiêu cực, tín hiệu đầu tách sóng pha để từ làm sở mặt lý thuyết cho việc thiết kế lọc MTI Nhưng thời gian thực đề tài có hạn nên em vào mơ mơ hình thiết kế phần mềm matlab mà không thực phần cứng Mục tiêu nghiên cứu đề tài: - Thiết kế lọc mục tiêu di động MTI số - Chống nhiễu tiêu cực cho radar - Mơ mơ hình thiết kế phần mền Matlab Phương pháp nghiên cứu đề tài: - Tổng hợp phân tích nghiên cứu tài liệu - Nêu vấn đề mơ - Phân tích đánh giá kết mô Kết cấu luận văn gồm chương: CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ RADAR XUNG TƯƠNG CAN CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG TÁCH SÓNG PHA CHƯƠNG 3: BỘ LỌC SỐ SỬ DỤNG TRONG RADAR VÀ BỘ LỌC MTI CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ LỌC VÀ MÔ PHỎNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Trong trình thực đề tài, cố gắng hoàn thành đề tài cách tốt cịn sai sót, mong thầy bạn đóng góp thêm TP.HCM, Ngày 20 tháng 05 năm 2014 Học viên: Lê Phước Hưng Lê Phước Hưng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải vi THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng anh Tiếng việt A/D Analog To Digital Chuyển đổi tương tự sang số ADC Analog To Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự sang số D/A Digital To Analog Chuyển đổi số sang tương tự DAC Digital To Analog converter Bộ chuyển đổi số sang tương tự FIR Finite Impulse Response Đáp ứng xung hữu hạn Inphase Đồng pha IF Intermediate Frequency Tần số trung tần IIR Infinite Impulse Response Đáp ứng xung vô hạn MTI Moving Target Indicator Bộ thị mục tiêu di động Q Quadarature Vuông pha RF Radio Frequency Tần số vô tuyến (tần số cao tần) I Lê Phước Hưng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Tên hình vẽ Số hiệu Trang 1.1 Sơ đồ cấu trúc radar xung tương can 1.2 Tín hiệu phát radar xung tương can 1.3 Tín hiệu thu radar xung tương can 1.4 Tín hiệu phát miền thời gian 1.5 Phổ tín hiệu phát 1.6 Phổ tín hiệu phát thu Hiệu ứng Doppler ảnh hưởng đến thay đổi tần số 1.7 bước sóng 1.8 Sự di chuyển tương đối mục tiêu radar Phương chuyển động máy bay hợp với hướng 1.6* radar góc θ 1.7* Sư thay đổi pha tín hiệu thu so với tín hiệu phát 10 1.8* Nhiễu tiêu cực xung quanh đài radar 12 1.9 Phổ tín hiệu phát (đơn hài) 14 1.10 Phổ tín hiệu phản xạ từ mục tiêu phân bố 15 Phổ lượng thăng giáng tín hiệu phản xạ từ mục tiêu 1.11 phân bố 15 Phổ lượng tín hiệu phản xạ từ loại mục tiêu phân 1.12 bố 16 1.13 Phổ tín hiệu thu liên quan đến tần số Doppler 19 1.14 Phân bố phổ nhiễu tiêu cực 20 2.1 Mơ hình tách sóng pha 21 2.2 Đặc tuyến tách sóng pha tương tự 22 2.3 Mơ hình tách sóng pha kênh 22 2.4 Ảnh hưởng pha mù lên tách sóng pha kênh 24 2.5 Bộ tách sóng pha hai kênh I Q 25 Lê Phước Hưng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải viii 2.6 Ảnh hưởng pha mù lên tách sóng pha kênh 27 2.7 Tín hiệu kênh I Q 28 Tín hiệu đầu tách sóng pha sau vài lần phát 2.8 xung 28 Sự thay đổi pha biên độ tín hiệu sau tách sóng 2.9 pha 28 2.10 Phân bố phổ nhiễu tiêu cực mục tiêu di động 30 2.11 Đáp ứng tần số bù khử qua chu kỳ 31 3.1 Cấu trúc lọc số hồi quy có bậc N 35 3.2 Cấu trúc lọc số không hồi quy bậc N 36 3.3 Đáp ứng tần số lọc MTI 37 (a) (b) (c) Đầu tách sóng pha (d) Đầu bù 3.4 khử (bộ trừ) 38 3.5 Bộ bù khử qua chu kỳ lần 39 3.6 Đáp ứng tần số bù khử qua chu kỳ lần 41 3.7 Sơ đồ bù khử qua chu kỳ lần 42 3.8 Đáp ứng tần số bù khử qua chu kỳ lần 43 3.9 Sơ đồ bù khử qua chu kỳ lần có hồi quy 44 3.10 Đáp ứng tần số bù khử qua chu kỳ quy 46 3.11 Đặc tuyến biên - tần thiết bị bù khử kỳ 48 3.12 Sơ đồ bù khử qua chu kỳ lần dùng thiết kế 51 Đáp ứng tần số bù khử qua chu kỳ lần chưa chuẩn 3.13 hóa 52 Đáp ứng tần số bù khử qua chu kỳ lần chuẩn 3.14 hóa 53 Đáp ứng tần số bù khử qua chu kỳ lần chuẩn hóa theo 3.15 công suất 53 3.16 Điểm cực không bù khử qua chu kỳ lần 54 Lê Phước Hưng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thơng Vận tải ix 4.1 Mơ hình thiết kế 57 4.2 Mối liên quan tần số Doppler f d độ rộng xung τ 59 Sơ đồ cấu trúc hệ thống MTI sử dụng bù khử qua chu 4.3 kỳ lần 61 4.4 Tín hiệu đưa vào A/D 62 4.5 Mơ hình mơ 63 4.6 Giả thuật mơ tín hiệu tách sóng pha 66 4.7 Tín hiệu sau tách sóng pha (với 10 chu kỳ) 67 Tín hiệu đưa vào biến đổi A/D sau lần phát xung đầu 4.8 tiên 69 4.9 Q trình lấy mẫu tín hiệu đầu vào A/D (chu kỳ 1) 70 4.10 Quá trình lượng tử tín hiệu (chu kỳ thứ 1) 70 4.11 Giả thuật thực bù khử lần 71 Dữ liệu đưa vào bù khử qua chu kỳ sau lần phát xung 4.12 đầu tiên(theo thời gian) 74 Dữ liệu nhận xung phát sau biên đổi A/D đưa tới 4.13 bù khử 75 Tín hiệu sau bù khử qua chu kỳ xung phát đầu 4.14 tiên 76 Tín hiệu sau bù khử chu kỳ toàn cự ly (3 xung 4.15 phát đầu tiên) 77 Đáp ứng tần số bù khử qua chu kỳ lần với f r = 384Hz , 4.16 xung 78 4.17 Tín hiệu sau D/A lưỡng cực 79 Tín hiệu khỏi D/A lưỡng cực qua 10 chu kỳ phát 4.18 xung 80 Tín hiệu khỏi D/A đơn cực xung phát đầu 4.19 tiên Lê Phước Hưng - Cao học KTĐT K20.1 81 Đại học Giao thơng Vận tải x 4.20 Tín hiệu khỏi D/A đơn cực 10 xung phát Lê Phước Hưng - Cao học KTĐT K20.1 82 Đại học Giao thơng Vận tải 74 Hình 4.12 Dữ liệu đưa vào bù khử qua chu kỳ sau lần phát xung (theo thời gian) Lê Phước Hưng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thơng Vận tải 75 Hình 4.13 Dữ liệu nhận xung phát sau biên đổi A/D đưa tới bù khử Lê Phước Hưng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thơng Vận tải 76 Hình 4.14 Tín hiệu sau bù khử qua chu kỳ xung phát Lê Phước Hưng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 77 Hình 4.15 Tín hiệu sau bù khử chu kỳ toàn cự ly (3 xung phát đầu tiên) Lê Phước Hưng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thơng Vận tải 78 Hình 4.16 Đáp ứng tần số bù khử qua chu kỳ lần với f r = 384 Hz , xung Lê Phước Hưng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thơng Vận tải 79 4.3.4 Tín hiệu qua biến đổi D/A Tín hiệu sau bù khử qua chu kỳ theo mơ hình thiết kế đưa hình 4.5 gồm đường, đường đưa tới biến đổi D/A đường tới thiết bị xử lý tín hiệu số Tín hiệu đưa vào D/A tín hiệu từ bù khử qua chu kỳ lần có dạng hình 4.14 a Bộ D/A lưỡng cực: Hình 4.17 Tín hiệu sau D/A lưỡng cực Nhận xét: - Hình 4.17 (a) thể tín hiệu khơi phục nhờ khơi phục bậc thang - Hình 4.17 (b) thể tín hiệu sau biến đổi D/A lưỡng cực - Tín hiệu sau D/A chuyển từ dạng số sang dạng tương tự Lê Phước Hưng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 80 Hình 4.18 Tín hiệu khỏi D/A lưỡng cực qua 10 chu kỳ phát xung Nhận xét: Theo hình 4.18 lý thuyết mơ hồn tồn đúng, mục tiêu di động cịn lại sau bù khử qua chu kỳ mục tiêu cố định (nhiễu tiêu cực) bị loại bỏ Trong q trình tính tốn biên độ tín hiệu bị thay đổi, số bít D/A phải sử dụng lớn A/D, thường ta sử dụng bít Lê Phước Hưng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 81 b Bộ D/A đơn cực Hình 4.19 Tín hiệu khỏi D/A đơn cực xung phát Nhận xét: Theo hình 4.19 tín hiệu đa chuyển dạng cực, tín hiệu đưa tới hình để hiển thị Lê Phước Hưng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 82 Hình 4.20 Tín hiệu khỏi D/A đơn cực 10 xung phát Nhận xét: Biên độ tín hiệu sau D/A phụ thuộc vào liệu sau bù khử qua chu kỳ, tín hiệu sau D/A qua 10 xung phát biên độ tín hiệu đầu D/ A thay đổi theo xung phát 4.4 Kết luận chương Từ nội dung trình bày trên, chương tiến hành thiết kế lọc, mơ tả hoạt động mơ hình thiết kế tiến hành mô phỏng, Các kết mô thực hầu hết phù hợp với nội dung phân tích lý thuyết Kết mơ gần giống với lý thuyết phân tích chương 1, chương chương Các kết mô khẳng định lại chọn lựa sở lý thuyết cho thiết kế lọc phù hợp Lê Phước Hưng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 83 Tuy nhiên mơ hình mơ lý tưởng nên có sai lệch so với tín hiệu thực tế Nhưng bước đầu q trình mơ mô tả nguyên lý hoạt động lọc MTI bù khử qua chu kỳ lần, từ làm tiền đề cho việc thi cơng lọc thực tế phát triển đề tài thành đề tài lớn Lê Phước Hưng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 84 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Kết luận Đề tài vào nghiên cứu nguyên lý hoạt động bù khử qua chu kỳ, lọc miền thời gian đơn giản, giá thành rẽ ứng dụng rộng rãi hệ thống radar ngày Mơ hình lọc bù khử qua chu kỳ xây dựng được, phân tích ưu nhược điểm bù khử qua chu kỳ lần sử dụng kỹ thuật số Tuy nhiên thời gian thực đồ án có hạn nên mô mô phần mền matlab mà chưa làm mơ hình thực tế Hướng phát triển đề tài + Dựa mơ hình lý thuyết xây dựng được, tiến hành thực phần cứng chíp DSP (thơng qua ngơng ngữ lập trình VHDL, Verilog,…) để xử lý tín hiệu với tốc độ cao, có độ ổn định, tiết kiệm chi phí sản xuất + Ngoài nhiễu tiêu cực đám mây khí tượng, nhiễu di động lọc bù khử qua chu kỳ lần khơng đệ quy khơng thể triệt bỏ hồn tồn, có số mục tiêu rơi vào vận tốc mù khơng phân biệt được, để khắc phục tượng ta dùng thêm tín hiệu hồi tiếp từ đầu đưa để cải thiện đặc tuyến lọc sử dụng kỹ thuật thay đổi chu kỳ lặp lại xung phát theo quy luật định nhằm làm tăng vận tốc mù thứ tránh tượng bỏ sót mục tiêu Lê Phước Hưng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 85 LỜI CÁM ƠN Có kết học tập nghiên cứu bên cạnh nỗ lực cố gắng thân hướng dẫn, giúp đỡ tận tình Thầy cô môn Kỹ thuật Viễn thông - Trường Đại học Giao thông vận tải Hà Nội Đặc biệt Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến Thầy GS-TS Lê Hùng Lân người hết lòng giúp đỡ, tạo điều kiện để học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn Tơi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tồn thể q Thầy Cơ khoa Điện – Điện tử Phòng Đào tạo Sau đại học - Trường Đại học Giao thông vận tải tận tình truyền đạt kiến thức quý báu tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập nghiên cứu, q trình hồn thành luận văn Cuối cùng, Tơi xin gửi lời cám ơn đến gia đình bạn bè động viên, ủng hộ giúp đỡ suất q trình học tập hồn thành Luận văn TP.HCM, ngày 20 tháng 05 năm 2014 Học viên Lê Phước Hưng Lê Phước Hưng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 86 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tôi, số liệu kết nghiên cứu luận văn trung thực không trùng lắp với đề tài khác Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực luận văn cảm ơn thông tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Tác giả Lê Phước Hưng Lê Phước Hưng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nhóm Tiếng Việt: [1] GS.TSKH Phan Anh (2000), Giáo trình lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần, Bộ môn Thông tin vô tuyến, Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại Học Công Nghệ [2] Tống Văn On (2006), lý thuyết tập xử lý tín hiệu số, NXB Lao động – Xã hội, Hồ Chí Minh [3] Hồng Đình Chiến (2004), Mạch điện tử thông tin, NXB Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh [4] PGS-TS Hồng Thọ Tu (2002), Cơ sở xây dựng đài đa cảnh giới, NXB Quân đội nhân dân, Hà Nội Nhóm Tiếng Anh: [5] Bassem R Mahafza (2000), Radar systems analysis and design using Matlab, Chapman & Hall/CRC [6] David K Barton and Sergey A Leonov (1998), Radar technology encyclopedia, Artech House, London [7] Eyung W Kang (2008), Radar system analyis, design, and simulation, Artech House [8] Merrill Skolnik (2008), Radar handbook, third editor, Mc Graw Hill [9] Werner Wiesbeck (2007), Radar system engineering, Universität Karlsruhe (TH) [10] David M.Pozar (2004), Microwave engineering, John Wiley & Sons, Inc [11] Guillermo Gonzalez (1996), Microwave transistor amplifiers, Prentice Hall [12] W Alan Davis (2001), Radio Frequency Circuit Design, John Wiley & Sons, Inc Lê Phước Hưng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 88 [13] Kai chang (2005), Encyclopedia of RF and Microwave Enginneering, John Wiley & Sons, Inc Lê Phước Hưng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải