(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu hệ thống radar mimo và định vị mục tiêu di động sử dụng hàm ambiguity

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN THANH NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG RADAR MIMO h VÀ ĐỊNH VỊ MỤC TIÊU DI ĐỘNG SỬ DỤNG HÀM AMBIGUITY LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THƠNG Bình Định, Năm 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN THANH NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG RADAR MIMO VÀ ĐỊNH VỊ MỤC TIÊU DI ĐỘNG SỬ DỤNG h HÀM AMBIGUITY Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 8520208 Ngƣời hƣớng dẫn: TS ĐÀO MINH HƢNG i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu hệ thống radar MIMO định vị mục tiêu di động sử dụng hàm Ambiguity” cơng trình nghiên cứu riêng học viên Các số liệu, kết trình bày luận văn trung thực, phần lý thuyết kỹ thuật radar, phần nghiên cứu radar MIMO công bố trường Đại học báo tạp chí Viện kỹ thuật cơng nghệ điện - điện tử IEEE Phần cịn lại nghiên cứu ứng dụng mô hàm Ambiguity định vị mục tiêu di động nghiên cứu học viên Quy Nhơn, ngày 15 tháng năm 2019 Học viên h Nguyễn Thanh ii LỜI CÁM ƠN Trước hết, muốn cám ơn thầy hướng dẫn tôi, TS Đào Minh Hưng, người hướng dẫn hỗ trợ tận tình suốt thời gian tơi làm luận văn Thầy dạy thứ cần để trở thành nhà nghiên cứu sáng tạo, suy nghĩ sâu sắc kỹ trình bày ý tưởng viết Thầy q ơng hồn hảo, ln tốt bụng, lịch ân cần Thầy hình mẫu hồn hảo học nhiều Tôi muốn cảm ơn đến giảng viên Khoa Kỹ thuật Công nghệ, bạn lớp Kỹ thuật viễn thông K20 Đây thực tập thể tuyệt vời học tập, làm việc nghiên cứu Ngồi ra, tơi muốn cảm ơn cha mẹ tơi tình u ủng hộ họ cho đời Tôi muốn gửi lời cảm ơn đặc biệt đến người vợ đáng yêu Nguyễn Thị Vân Anh đồng hành tình yêu cô h iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii PHẦN MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Tóm tắt nội dung nghiên cứu h Ý nghĩa khoa học thực tiễn CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RADAR 1.1 Khái niệm hệ thống radar 1.1.1 Lịch sử radar 1.1.2 Phân loại radar 1.1.3 Băng tần radar 10 1.2 Các tham số khái niệm kỹ thuật radar 13 1.2.1 Các tham số 13 1.2.2 Phương trình radar 16 1.2.3 Các khái niệm 18 1.3 Nguyên lý xử lý tín hiệu radar 20 1.3.1 Bộ lọc thích hợp (Matched Filter) 20 1.3.2 Hiệu ứng Doppler 22 1.3.3 Mục tiêu hướng tâm xa đài radar 26 iv 1.3.4 Mục tiêu hướng tâm đến đài radar 28 1.3.5 Xác suất báo động nhầm CFAR 30 1.4 Kết luận chƣơng 34 CHƢƠNG 2: RADAR MIMO 35 2.1 Tổng quan radar MIMO 35 2.2 Phân loại Radar MIMO 36 2.3 Radar MIMO kết hợp 37 2.3.1 Mơ hình tín hiệu radar MIMO kết hợp 38 2.3.2 Độ phân giải tín hiệu 41 2.3.4 Xác suất phát mục tiêu hệ thống radar MIMO kết hợp 43 2.3.5 Mô xác suất phát mục tiêu hệ thống radar MIMO kết hợp 46 2.4 Hệ thống radar MIMO thống kê 48 h 2.4.1 Mơ hình tín hiệu radar MIMO thống kê 49 2.4.2 Xác suất phát mục tiêu hệ thống radar MIMO thống kê 53 2.4.3 Mô phát mục tiêu hệ thống radar MIMO thống kê 55 2.5 So sánh xác suất phát mục tiêu radar MIMO kết hợp radar MIMO thống kê 57 2.6 Kết luận chƣơng 57 CHƢƠNG 3: XÁC ĐỊNH MỤC TIÊU RADAR BẰNG HÀM AMBIGUITY 58 3.1 Giới thiệu hàm Ambiguity 58 3.1.1 Các tính chất hàm Ambiguity 59 3.1.2 Hàm Ambiguity radar MIMO 60 3.1.3 Định vi mục tiêu di động sử dụng hàm Ambiguity 62 3.2 Mục tiêu di động có chuyển động hƣớng tâm 63 3.2.1.Hàm Ambiguity mục tiêu di động có chuyển động hướng tâm64 v 3.2.2 Hàm ước lượng tham số mục tiêu di động có chuyển động hướng tâm65 3.3 Mục tiêu di động có chuyển động khơng hƣớng tâm 67 3.3.1 Hàm Ambiguity mục tiêu di động có chuyển động khơng hướng tâm 67 3.3.2 Hàm ước lượng tham số mục tiêu di động có chuyển động khơng hướng tâm 67 3.4 Mô 68 3.4.1 Mơ hình tốn hàm Ambiguty mục tiêu di động có chuyển động hướng tâm 69 3.4.2 Mơ hình tốn hàm Ambiguity cho tín hiệu phản xạ di động có chuyển động khơng hướng tâm 74 3.5 Kết luận chƣơng 79 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 80 h DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (Bản sao) vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết Tiếng Việt AF Ambiguity Function Hàm Ambiguity CW Continuous Wave Sóng mang liên tục CFAR Constant False Alarm Rate Tốc độ báo động sai liên tục DSF Doppler Stretch Factor Hệ số dịch tần Doppler DOA Direction of Arrival Hướng phản xạ DOD Direction of Departure Hướng phát xạ IPP Inter Pulse Period Khoảng thời gian xung LOS Light Of Sight Nhìn thẳng LRT Likelihood Ratio Test Kiểm tra tỷ lệ hợp lý MF Matched Filter Bộ lọc thích hợp ML Maximum Likelihood h Tiếng Anh tắt Hợp lý cực đại Ước lượng trung bình bình MSE Mean Square Estimation Pdf probability density function Hàm mật độ xác suất PR Pulse Radar Radar xung PRF Pulse Repetition Frequency Tần số lặp xung PRI Pulse Repetition Interval Chu kỳ lặp xung RCS Radar Cross Section Tiết diện phản xạ radar RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RLS Radio Location System Hệ thống định vị vô tuyến ROC Receiver Operating Curve Biểu đồ hoạt động thu SIMO Single Input Multiple Output Một máy phát nhiều máy thu SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ số tín hiệu nhiễu phương vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU D Cự ly C Tốc độ truyền tín hiệu Hệ số dịch tần Doppler Số phần tử dãy máy thu Số phần tử dãy máy phát Pd Xác xuất phát Pfa Xác xuất báo động sai Pt Công suất phát đỉnh Thời gian trễ Cự ly nhỏ radar mục tiêu trường hợp mục tiêu di động có chuyển động khơng hướng tâm Tần số Doppler σ(0) Hệ số tán xạ Máy phát Máy thu Tích Kronecker Vận tốc mục tiêu h Tần số sóng mang viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Nguyên lý radar Hình 1.2: Phân loại đài radar Hình 1.3: Các băng tần sử dụng cho radar 12 Hình 1.4: Tín hiệu radar xung 14 Hình 1.5: Phân giải mục tiêu mặt cự ly cự ly ngang 15 Hình 1.6 Độ phân giải góc 16 Hình 1.7: Bộ lọc thích hợp 20 Hình 1.8: Sự dịch pha tín hiệu thu 23 Hình 1.9: Minh họa mục tiêu hướng tâm xa đài radar 26 Hình 1.10: Minh họa mục tiêu hướng tâm đến đài radar 28 Hình 1.11: Các mức ngưỡng khác 31 Hình 1.12: Nguyên lý CFAR 32 h Hình 2.1: Sơ đồ radar MIMO 35 Hình 2.2: Phân loại radar MIMO 36 Hình 2.3: Cấu hình radar MIMO kết hợp 38 Hình 2.4: Cấu hình mảng thu ảo - Trường hợp xấu 42 Hình 2.5: Cấu hình mảng thu ảo - Trường hợp tốt 43 Hình 2.6: Radar MIMO kết hợp, thay đổi 47 Hình 2.7: Radar MIMO kết hợp, thay đổi 47 Hình 2.8: Cấu hình Radar MIMO thống kê 48 Hình 2.9: Radar MIMO thống kê, thay đổi 56 Hình 2.10: Radar MIMO thống kê, thay đổi 56 Hình 2.11: ROC MIMO thống kê Radar MIMO kết hợp, , 57 Hình 3.1: Hàm ambiguity lý tưởng 59 Hình 3.2: Cấu hình radar MIMO hệ tọa độ góc vng 60