Xu ly tin hieu khong gian thoi gian 95286

1 Mở đầu Vấn đề xử lý tín hiệu không gian-thời gian bắt đầu đợc quan tâm từ năm 1958 đợc kết hợp với xử lý thích nghi vào khoảng năm 1970, nhng việc nghiên cứu sâu hình thành hệ thống thực hữu hiệu xuất vài năm gần nhờ tiến công nghệ máy tính Xử lý tín hiệu không gian-thời gian thích nghi đợc ứng dụng nhiều lĩnh vực nh thông tin liên lạc, hàng không, hàng hải, địa chất, thiên văn, xử lý ảnh Mục đích trình xử lý tín hiệu không gian-thời gian thích nghi nhằm tách lọc tín hiệu có ích khỏi tín hiệu không mong muốn khác nh can nhiễu, tạp âm từ tập hợp tín hiệu thu đợc Sự loại bỏ hoàn toàn nhiễu tạp âm công việc lý tởng, thực đợc thực tế Thực chất, ta làm sáng rõ tín hiệu có ích tín hiệu không mong muốn khác nhiều tốt, mà mặt kỹ thuật đợc hiểu làm tăng công suất tín hiệu có ích làm giảm công suất nhiễu tạp âm Những vấn đề lý thuyết thực tế kỹ thuật sở chủ yếu để hình thành nội dung đề tài luận án: Xử lý tín hiệu không gian-thời gian Mục tiêu luận án sâu nghiên cứu vấn đề làm cực đại hoá tỷ số tín hiệu nhiễu cộng tạp âm SINR, với đối tợng nghiên cứu kỹ thuật xử lý tÝn hiƯu kh«ng gian- thêi gian thÝch nghi NhiƯm vơ luận án đa kỹ thuật biến đổi không gian con, điển hình hai phơng án xử lý vector riêng phụ xử lý kênh phụ, đồng thời phân tích u nhợc điểm loại dựa khái niệm Phạm vi nghiên cứu luận án không đề cập đến tất lĩnh vực áp dụng xử lý không gian- thời gian, mà nhấn mạnh xử lý tín hiệu radar, môi trờng hoạt ®éng cđa tÝn hiƯu radar lµ khèc liƯt nhÊt vµ điển hình Phơng pháp nghiên cứu luận án dựa lập luận giải tích, đồng thời thể kiểm chứng mô máy tính Do kết qủa cuối thờng đợc đánh giá so sánh thông qua đồ thị đặc tính Cấu trúc luận án gồm phần mở đầu, chơng phần kết luận: Chơng 1: Tổng quan xử lý không gian xử lý thời gian - Các khái niệm tín hiệu không gian giả thiết ban đầu - Cách biểu diễn tín hiệu không gian miền đối ngẫu hệ toạ độ cực - Cách biểu diễn tín hiệu không gian miền đối ngẫu hệ toạ độ Decade (Cartesian) - Bộ tạo tia (Beamformer) cấu trúc tạo tia - Mảng tuyến tính cách ULA - Hiệu ứng Doppler nguyên lý phát mục tiêu nhiễu phản xạ qua xử lý Doppler - Bank lọc Doppler Chơng 2: Xử lý tín hiệu không gian thời gian thích nghi - Tổng quan trình xư lý tÝn hiƯu kh«ng gian- thêi gian tèi u - Phân tích trình xử lý không gian- thời gian tối u - Mạch lọc không gian- thời gian thích nghi - Các khái niệm kỹ thuật liên quan xư lý tÝn hiƯu kh«ng gianthêi gian thÝch nghi Chơng 3: Giải pháp cải thiện xử lý tín hiệu không gian- thời gian thích nghi - Nguyên lý biến đổi không gian - Bộ xử lý vector riªng phơ AEP - Bé xư lý kªnh phơ ACP Phần kết luận: Đánh giá kết nghiên cứu đề xuất hớng phát triển đề tài Chơng Tổng quan xử lý không gian xử lý thời gian 1.1.Các khái niệm vỊ tÝn hiƯu kh«ng gian TÝn hiƯu kh«ng gian- thêi gian, gọi tắt tín hiệu không gian, tín hiệu đợc mang sóng truyền lan không gian, nh sóng điện từ, sóng âm thuộc loại tín hiệu nhiều chiều biến thời gian có biến độc lập khác mang thông tin vị trí không gian Các sóng truyền lan mang tín hiệu không gian có biểu thức nhận đợc từ nghiệm phơng trình sóng Đối với sóng điện từ, phơng trình sóng đợc suy từ phơng trình Maxwell Tín hiệu không gian đợc mang sóng truyền lan liên tục, đa tới cho thông tin kiện xảy từ khoảng cách không gian định Chúng ta thu nhận xử lý tín hiệu hệ thống thụ động tích cực Hệ thống thụ động thực thu nhận xử lý tÝn hiƯu ph¸t tõ mét ngn ë c¸ch xa không gian (ví dụ nh thiết bị thu hệ thống thông tin), hệ thống tích cực tự phát xạ sóng sóng bị phản xạ từ đối tợng quay trở lại phần thu hệ thống, mà đợc phân tích để xử lý tách lọc thông tin (ví dụ nh hệ thống radar, siêu âm) Từ xư lý tÝn hiƯu kh«ng gian cã thĨ hiĨu nh việc tách lọc thông tin từ sóng truyền lan Khái niệm hiểu theo ý khác trình cố gắng tách biệt tín hiệu có ích khỏi tạp âm, nhiễu hay chí tín hiệu khác Thông thờng điều thực sở lợng tín hiệu cã Ých cã kh¸c biƯt so víi c¸c tÝn hiƯu khác theo biến thời gian, tần số, hớng truyền lan Nh áp dụng trình lọc sè nhiỊu chiỊu ®Ĩ thùc hiƯn xư lý tÝn hiƯu không gian cung cấp chế để tách riêng tín hiệu với tập hợp đặc biệt thông số tiêu chuẩn khỏi tín hiệu khác 1.2 Các giả thiết ban đầu Hoàn toàn không tính tổng quát để đơn giản phân tích, ta đa giả thiết đối víi tÝn hiƯu kh«ng gian: 1.2.1 M«i trêng trun dÉn tổn hao tối thiểu, không phân tán Đó môi trờng không làm suy yếu tín hiệu truyền lan so với giá trị lý tởng nhận đợc từ phơng trình sóng nói tốc độ truyền lan không bị thay đổi Một môi trờng phân tán làm tăng thêm phụ thuộc tần số vào trình truyền lan sóng Khi ®ã tÝn hiƯu chun ®éng ®óng nhÞp theo thêi gian môi trờng không phân tán có liên quan trực tiếp không gian thời gian mà xác định thông số quan trọng tín hiệu, bớc sóng đợc tính công thức: c Fc (1.1) quÃng đờng mà tín hiệu di chuyển đợc thêi gian mét chu kú 1.2.2 C¸c tÝn hiƯu truyền lan đợc giả thiết sinh nguồn điểm Nghĩa kích thớc nguồn nhỏ so với khoảng cách nguồn cảm biến đo tín hiệu Mặt khác ta có giả thiết cảm biến đo tín hiệu có kích thớc không gian điểm (gọi điểm thu) đặt tâm hệ toạ độ không gian Khi đờng thẳng nối nguồn điểm điểm thu đợc gọi phơng truyền lan Trờng hợp có nhiều nguồn điểm điểm thu, không gian lân cận điểm thu môi trờng hoạt động tín hiệu SOE (Signal Operational Environment) ®iĨm thu sÏ cã sù chång chÊt cđa c¸c tÝn hiệu từ nguồn điểm khác 1.2.3 Môi trờng truyền lan đẳng hớng Khi việc xạ lợng từ nguồn điểm tạo thành mặt sóng truyền lan đồng pha hình cầu Nếu giả thiết khoảng cách nguồn cảm biến đo tín hiệu lớn suy mặt sóng truyền lan hình cầu xấp xỉ thành mặt sóng truyền lan phẳng gọi mặt phẳng sóng Nh mặt phẳng sóng vuông góc với phơng truyền lan Sự xấp xỉ đợc minh hoạ nh hình vẽ 1.1 Trờng xa Trờng gần Nguồn phát xạ Hình 1.1 1.3 Tín hiệu không gian hệ toạ độ cực 1.3.1 Biểu diễn tín hiệu không gian hệ toạ độ cực Trờng hợp tổng quát, cách biểu diễn trực quan tín hiệu không gian hệ toạ độ cực, hàm theo chiều không gian chiều thời gian, ký hiệu s(R,t), trí theo toạ ®é cùc, víi rR R  r,az , el  biến véc tơ không gian vị gọi độ lớn hay khoảng cách tới gốc, az góc phơng vị, el góc ngẩng Nh thời điểm ti , tín hiệu không gian s( Ri , ti ) đợc biểu diễn điểm (h×nh 1.2) Ri  r,az , el   cone el Tín hiệu tới Các cảm biến không gian N-1 N Phơng truyền lan az Đối với sóng truyền lan đợc phát từ nguồn đặt R , từ ph1.2không gian có dạng: ơng trình sóng suy nghiệm Hình tín hiệu s( R , t )  Trong ®ã:   R  R0   A exp  j 2 Fc  t   R  R0 c     A – Biên độ phức Fc Tần số sóng mang c – VËn tèc trun lan cđa sãng (1.2) Trong biểu thức này, ngầm định công nhận giả thiết đặc biệt vị trí nguồn phát sóng tín hiệu vô cùng, nghĩa s( R, t )  , ®ã tÝnh chÊt trun lan cách xa nguồn ta đà loại bỏ đợc phụ thuộc vào góc phơng vị góc ngẩng Nghĩa tín hiệu theo đờng thẳng từ điểm có toạ độ R0 tới gốc toạ độ (là nơi đặt điểm thu) Nh góc phơng vị góc ngẩng không thay đổi mà thay đổi khoảng cách r0 Đờng thẳng phơng truyền lan mặt phẳng vuông góc với phơng truyền lan mặt phẳng sóng Góc lập phơng truyền lan đờng thẳng ®i qua gèc vu«ng gãc víi trơc gèc (cïng n»m mặt phẳng với phơng truyền lan) đợc gọi góc tới Tất tín hiệu trun lan cã cïng gãc tíi  lËp thµnh mét mặt nón (Hình 1.2), đặc trng góc đỉnh nón  cone vµ ta cã: sin  sin az cos el Mặc dù cách biểu diễn hệ toạ độ cực dễ hình dung nhất, nhng cách biểu diễn sang miền đối ngẫu phép biến đổi lại trở nên phức tạp Vì thế, thực phân tích tín hiệu hệ thống, ngêi ta thêng sư dơng c¸ch biĨu diƠn hƯ toạ độ Cartesian 1.3.2 Miền đối ngẫu tín hiệu không gian hệ toạ độ cực Tơng tự nh định nghĩa tần số f, đại lợng đối ngẫu thời gian (là số lần chu kỳ thời gian đơn vị thời gian) là: f T Trong T gọi chu kỳ thời gian để thời gian thực trình, ví dụ nh trình truyền lan tín hiệu theo dạng sóng Tần số không gian góc (hay số sóng góc) f đợc đinh nghĩa là: f T (1.3) Trong chu kỳ góc không gian, góc không gian quay đợc kho¶ng thêi gian chu kú thêi gian T chuyển động truyền lan tín hiệu sóng Tần số không gian góc f đại lợng đối ngẫu góc không gian số lần góc không gian quay đợc cách quÃng theo góc đơn vị góc (Hình 1.3) Hình 1.3 Nh tơng ứng với góc phơng vị az góc ngẩng el hệ toạ độ cực, ta có đại lợng tần số không gian góc phơng vị f tần số không gian góc ngẩng f Tần số không gian khoảng cách (số sóng khoảng cách): fr R (1.4) Trong R chu kỳ khoảng cách không gian (theo phơng truyền lan tín hiệu) khoảng cách hai mặt phẳng sóng đồng pha liên tiếp Lúc đó, tần số không gian khoảng cách fr đại lợng đối ngẫu khoảng cách không gian số lần dịch chuyển qua khoảng cách chu kú R theo ph¬ng trun lan cđa tÝn hiƯu sóng đơn vị độ dài không gian Theo hình 1.4, giả sử phơng truyền lan tín hiệu trục gốc toạ độ cực có chu kỳ khoảng cách (bớc sóng tín hiệu truyền lan) tín hiệu có phơng truyền lan lập với trục gốc góc tới có chu kỳ khoảng cách không R gian là: sin , tần số không gian khoảng cách fr tín hiƯu nµy sin  fr   R  (1.5) Nh vËy víi mét tÝn hiƯu trun lan có sóng mang xác định, Hình 1.4 nghĩa bớc sóng xác định, tơng ứng với tần số không gian khoảng cách fr góc xác định Hay nói cách khác miền đối ngẫu chuyển dịch vị trí không gian góc không gian Từ khái niệm trên, đối ngẫu với vector không gian vector tần số không gian fR ( fr , f , f ) R  r,az , el Kết quả, phổ tín hiệu không gian S ( fR , f ) đợc xác ®Þnh qua biÕn ®ỉi Fourier:   S ( fR , f )  s( R, t )exp   j 2 ( ft  f R R ) dR.dt (1.6) ngợc lại, tín hiệu không gian s(R,t) (1.6) đợc xác định thông qua biến đổi Fourier ngợc lµ:    s( R, t )  S ( fR , f )exp  j 2 ( ft  f R R ) df R df  (1.7) 1.4 Tín hiệu không gian hệ toạ độ Decac 1.4.1 Biểu diễn tín hiệu không gian hệ toạ ®é Decac (Cartesian) Trong hƯ to¹ ®é Decac, tÝn hiƯu không gian đợc biểu diễn nh hàm vị trí không gian X thời gian t, ký hiệu s(X,t), X=(x,y,z) biến vector không gian vị trí theo toạ độ Decac Nh thời điểm ti, tín hiệu không gian s(X,ti) đợc biểu diễn điểm Xi=(xi, yi, zi) không gian (h×nh 1.5) Tõ h×nh 1.5, ta cã quan hƯ toạ độ không gian hệ Decac toạ độ không gian hệ cực là: Hình 1.5 x r sin az cos el y r sin el z r cosaz cos el (1.8) Trong mét kho¶ng thêi gian liên tiếp, truyền lan tín hiệu, ®iĨm biĨu diƠn tÝn hiƯu theo thêi gian sÏ v¹ch thành đờng truyền không gian Sự truyền lan tín hiệu đờng truyền tín hiệu hàm không gian phức tạp đợc giải theo phơng trình sóng, phụ thuộc vào môi trờng truyền dẫn, thờng khó phân tích trực tiếp Mặt khác việc phân tích hệ thống xử lý tín hiệu miền không gian- thời gian phức tạp Vì thế, thùc tÕ thêng biÕn ®ỉi sang miỊn ®èi ngÉu 1.4.2 Miền đối ngẫu tín hiệu không gian hệ toạ độ Decac Biến đổi Fourier chiều thuận ngợc tín hiệu không gian dẫn tới khái niệm tơng ứng phổ số sóng- tần số S (, ) víi c¸c quan hƯ:   S (, )  s( X , t )exp   j ( t   X ) dX dt  (1.9)   s( X , t )  S (, )exp  j ( t   X ) d.d (2 )4 Trong đó: (1.10) - Tần số góc, đại lợng đối ngẫu thời gian t  ( x , y , z ) - VÐc tơ số sóng (số lợng sóng đơn vị khoảng cách không gian, gọi tần số không gian góc) đại lợng đối ngẫu vector không gian X Tơng tự nh trên, miền đối ngẫu không gian- thời gian (X,t) miền sè sãng gãc- tÇn sè gãc (, ) TÇn sè gãc  cã quan hƯ rÊt quen thc víi tần số f , : f Tơng tự (1.5), ta có tần số khoảng cách fx , fy , fz đợc xác định nh sau: sin  x sin  y sin  z fx   fy   fz   R  , R  , R Xét tín hiệu điều hoà phức không gian thành phần dạng: e( X , t ) exp[ j ( 0t   X )] (1.11) (1.12) đợc gọi tín hiệu sở thành phần Phổ tín hiệu sở thành phần miền số sóng- tần số theo (1.9) xung Đirac chiều điểm : E (, )  (   ). ( ) (1.13) nghĩa điểm miền số sóng- tần số (, ) tơng ứng với tín hiệu, tín hiệu sở thành phần nói trên, đợc truyền lan miền không gian- thời gian (X,t) với tần số, tốc độ hớng xác định riêng Đó là, cách ®Þnh nghÜa vector  nh sau:   0 0 (1.14) Khi viết lại (1.12) thµnh: e( X , t ) exp[ j (t   X )] (1.15) VËy lµ e( X , t ) cã thÓ hiÓu nh mét sóng phẳng có tần số , truyền lan theo hớng Khi đợc gọi véc tơ giữ chậm 1.5 Mạch lọc trình xử lý tín hiệu không gian 1.5.1 Khái niệm chung Trong trình xử lý tín hiệu không gian, mà tín hiệu đợc xét nh hàm không gian thời gian đà nêu phần trớc, thờng quan tâm đến việc tách biệt thành phần tín hiệu theo tần số định theo tốc độ truyền lan định (cả vận tốc h ớng) Vấn đề đợc giải nh toán lọc nhiều chiều, định