nghiên cứu và mô phỏng hiện tượng bóng ma ra đa do phản xạ đa đường và do nhiễu giữa các ra đa fmcw của ô tô trên đường cao tốc

Trang 2 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG --- Nguyễn Mạnh ThắngNGHIÊN CỨU VÀ MƠ PHỎNG HIỆN TƯỢNG BÓNG MA RA ĐA DO PHẢN XẠ ĐA ĐƯỜNG VÀ DO NHIỄU GIỮA CÁC RA ĐA FMCW CỦA Ô TÔ TRÊN ĐƯỜ

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

Nguyễn Mạnh Thắng

NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG HIỆN TƯỢNG BÓNG MA RA ĐA

DO PHẢN XẠ ĐA ĐƯỜNG VÀ DO NHIỄU GIỮA CÁC RA ĐA

FMCW CỦA Ô TÔ TRÊN ĐƯỜNG CAO TỐC

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đề án thạc sĩ kỹ thuật “Nghiên cứu và mô phỏng hiện tượng bóng

ma Ra đa do phản xạ đa đường và do nhiễu giữa các Ra đa FMCW của ô tô trên đường cao tốc” do tôi nghiên cứu, tổng hợp và thực hiện

Toàn bộ nội dung trong đề án tốt nghiệp, những điều được trình bày là của chính

cá nhân tôi hoặc là được tham khảo, tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu khác nhau Tất

cả các tài liệu tham khảo, tổng hợp được trích xuất với nguồn gốc rõ ràng Các số liệu, kết quả nêu trong đề án tốt nghiệp là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2024

Học viên thực hiện đề án

Nguyễn Mạnh Thắng

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến giảng viên hướng dẫn trực tiếp của em là TS Nguyễn Trung Hiếu Cảm ơn Thầy đã luôn lắng nghe những quan điểm cá nhân và đưa ra những nhận xét quý báu, góp ý và dẫn dắt em đi đúng hướng trong suốt quá trình nghiên cứu, hoàn thiện đề án thạc sĩ

Em xin trân trọng cảm ơn toàn thể các thầy cô giáo của khoa Kỹ thuật Điện tử – Học viện công nghệ bưu chính viễn thông đã truyền đạt những kiến thức chuyên môn sâu rộng chuyên ngành, giúp em có nền tảng kiến thức, giúp đỡ em trong toàn

bộ quá trình học tập nghiên cứu và làm đề án tốt nghiệp Đối với em, đây là một hành trình khó khăn và đầy thử thách, cả trong thời gian học tập cũng như nghiên cứu Nhưng nhờ sự giúp đỡ và tận tình chỉ dạy của các thầy cô trong quá trình học Thạc sĩ tại trường, em đã có thêm những kiến thức, được tạo nền tảng, dạy cách tư duy, định hướng để em có thể hoàn thành quá trình học tập và thực hiện đề án tốt nghiệp này Trong quá trình làm đề án tốt nghiệp không tránh khỏi những thiếu sót về nội dung, cách diễn giải vấn đề cũng như các lỗi về trình bày Vì vậy, em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô để báo cáo đạt được kết quả tốt hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2024

Học viên thực hiện đề án

Nguyễn Mạnh Thắng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH vii

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 2

3 Mục đích nghiên cứu 3

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

5 Cấu trúc đề án 4

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RA ĐA 5

1 Khái niệm và phân loại hệ thống ra đa 5

2 Nguyên lý của hệ thống ra đa 6

3 Các tham số chiến thuật, kỹ thuật của hệ thống ra đa 10

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG RA ĐA FMCW TRÊN Ô TÔ 13

1 Các loại cảm biến cơ bản trên ô tô 13

2 Nguyên lý hoạt động của cảm biến ra đa trên ô tô 18

3 Các ứng dụng của hệ thống ra đa trên ô tô 28

4 Thách thức và xu hướng phát triển của hệ thống ra đa trên ô tô 28

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG HIỆN TƯỢNG BÓNG MA RA ĐA DO PHẢN XẠ ĐA ĐƯỜNG CỦA RA ĐA Ô TÔ TRÊN ĐƯỜNG CAO TỐC 31

1 Hiện tượng phản xạ đa đường trong ra đa truyền sóng 31

2 Nghiên cứu hiện tượng bóng ma ra đa do phản xạ đa đường của ra đa ô tô trên đường cao tốc 37

3 Mô phỏng bóng ma ra đa do phản xạ đa đường của ra đa ô tô trên đường cao tốc 40

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG NHIỄU FMCW GIỮA CÁC RA ĐA

Ô TÔ DI CHUYỂN TRÊN ĐƯỜNG CAO TỐC 48

1 Nghiên cứu, phân tích hiện tượng nhiễu giao thoa lẫn nhau giữa các ra

đa FMCW trên ô tô trong phạm vi quan sát mục tiêu của ra đa 48

2 Mô phỏng hiện tượng nhiễu giao thoa lẫn nhau giữa các ra đa FMCW trên ô tô trong phạm vi quan sát mục tiêu của ra đa 53

3 Các phương pháp giảm thiểu nhiễu giao thoa của các ra đa FMCW trên ô tô trong phạm vi quan sát 67 KẾT LUẬN 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

ABS Anti-lock Braking System Hệ thống chống bó cứng phanh AEB Automatic Emergency

Braking

Hệ thống hỗ trợ phanh khẩn cấp

tự động ACC Adaptive Cruise Control Hệ thống kiểm soát hành trình

thích ứng ADAS Advanced Driver Assistance

Systems

Hệ thống an toàn giao thông

AD Automated Driving Hệ thống tự lái

CFAR Constant False Alarm Rate Tỷ lệ cảnh báo sai liên tục FCW Forward Collision Warning Hệ thống cảnh báo va chạm phía

trước FMCW Frequency-Modulated

Continuous Wave

Điều chế tần số sóng liên tục

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

LiDAR Light Detection and Ranging Phát hiện ánh sáng và phạm vi LDW Lane Departure Warning Hệ thống cảnh báo chệch làn

đường LKA Lane Keeping Assist Hệ thống hỗ trợ giữ làn đường LRR Long-Range Ra đa Ra đa tầm dài

RA ĐA Radio detection and ranging Hệ thống dò tìm và định vị bằng

sóng vô tuyến SNR Signal to Noise ratio Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu

SRR Short-Range Ra đa Ra đa tầm ngắn

TSR Traffic Signs Recognition Nhận dạng biển báo giao thông

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Sơ đồ chức năng đơn giản của một hệ thống ra đa 6

Hình 2: Truyền sóng ra đa trong không gian 9

Hình 3: Vùng quan sát của ra đa 10

Hình 4: Hình ảnh các loại cảm biến tích hợp trên ô tô 13

Hình 5: Cảm biến ra đa và cảm biến hình ảnh trên ô tô 15

Hình 6: Trường nhìn của camera hình ảnh 17

Hình 7: Trường nhìn của cảm biến ra đa 18

Hình 8: Cảm biến Ra đa ô tô phát hiện, định vị người và phương tiện xung quanh 19 Hình 9: Phân loại cảm biến ra đa ô tô 21

Hình 10: Sơ đồ nguyên lý hệ thống ra đa FMCW trên ô tô 22

Hình 11: Đồ thị spectrogram của tín hiệu phát FMCW 23

Hình 12: Đồ thị spectrogram của tín hiệu thu FMCW phản xạ về từ mục tiêu 24

Hình 13: Đồ thị tín hiệu fbeat 25

Hình 14: Độ trễ tần số phản hồi từ mục tiêu trong đài FMCW 26

Hình 15: Đồ thị của tín hiệu mục tiêu theo chiều ranger-FFT 27

Hình 16: Đồ thị của tín hiệu mục tiêu theo chiều Doppler-FFT 27

Hình 17: Hình ảnh mục tiêu ảo theo phản xạ gương 32

Hình 18: Vùng mục tiêu ảo 33

Hình 19: Nội suy mục tiêu ảo qua các lần quét ra đa 35

Hình 20: Mục tiêu di chuyển qua các lần quét ra đa 35

Hình 21: Mô hình phản xạ tín hiệu của ô tô 38

Hình 22: Mô hình đường dẫn 3 tia phản xạ 40

Hình 23: Mô phỏng mục tiêu phản xạ qua thanh chắn 41

Hình 24: Mô phỏng tracking mục tiêu di chuyển phản xạ qua thanh chắn 42

Hình 25: Mô phỏng vùng mục tiêu phản xạ qua thanh chắn 43

Hình 26: Mô hình tình huống lái xe trên đường cao tốc 45

Hình 27: Mô phỏng phản xạ doppler-góc của mục tiêu di chuyển trên đường 46

Hình 28: Mô phỏng mục tiêu phản xạ theo tình huống lái xe trên đường cao tốc 47

Hình 29: Mô phỏng mục tiêu theo đồ thị tracking và doppler-góc trên đường cao

tốc 47

Hình 30: Đồ thị công suất tín hiệu nhiễu theo chu kỳ chirp nT 50

Hình 31: Ví dụ về tính huống nhiễu giữa các ra đa 52

Hình 32: Xác suất xuất hiện nhiễu băng rộng là hàm số của chu kỳ chirp nT 53

Hình 33: Mô hình tình huống lái xe trên đường 53

Hình 34: Sơ đồ hệ thống xử lý của ra đa trên ô tô 54

Hình 35: Mô phỏng tín hiệu phát với 3 chu kỳ 55

Hình 36: Mô phỏng tín hiệu thu với 3 chu kỳ 56

Hình 37: Mô phỏng tín hiệu thu phát với 3 chu kỳ 57

Hình 38: Mô phỏng tín hiệu fbeat và ranger-FFT 58

Hình 39: Mô phỏng tín hiệu Doppler-FFT 59

Hình 40: Mô phỏng tín hiệu ranger-doppler khi không có nhiễu 60

Hình 41: Mô phỏng tín hiệu ranger-doppler khi có nhiễu từ ô tô khác 60

Hình 42: Mô phỏng tín hiệu ranger-power khi có nhiễu từ ô tô khác 61

Hình 43: Tín hiệu base-band sau mixer khi có nhiễu từ ô tô khác với n = 3 và n = 15 62

Hình 44: Tín hiệu ranger-doppler khi có nhiễu từ ô tô khác với n = 3 và n = 15 62

Hình 45: Mô phỏng tín hiệu thu phát của ô tô khi có nhiễu với n = 1 63

Hình 46: Tín hiệu Ranger-Doppler thu phát của ô tô khi có nhiễu với n = 1 63

Hình 47: Mô phỏng tín hiệu thu phát của ô tô khi có nhiễu với n = 2 64

Hình 48: Tín hiệu Ranger-Doppler thu phát của ô tô khi có nhiễu với n = 2 64

Hình 49: Mô phỏng tín hiệu thu phát của ô tô khi có nhiễu với n = 3 65

Hình 50: Tín hiệu Ranger-Doppler thu phát của ô tô khi có nhiễu với n = 3 65

Hình 51: Mô phỏng tín hiệu thu phát của ô tô khi có nhiễu với n = 4 66

Hình 52: Tín hiệu Ranger-Doppler thu phát của ô tô khi có nhiễu với n = 4 66

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong hệ thống thông tin vô tuyến nói chung và hệ thống ra đa nói riêng, các sóng điện từ bức xạ trong không gian sẽ va đập vào các vật thể khác nhau khi đến hệ thống ăng ten thu là sự tổng hợp chồng chập của các sóng đến từ nhiều hướng khác nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ khi đi qua các vật thể Hiện tượng phản xạ đa đường này gây ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng truyền dẫn, giảm cường độ tín hiệu thu, tăng nhiễu của hệ thống, và làm giảm độ tin cậy của hệ thống, gây ra các hiện tượng như bóng ma (mục tiêu ảo) của tín hiệu thu được

Bóng ma ra đa là một hiện tượng thường gặp trong truyền sóng vô tuyến, đặc biệt là đối với hệ thống ra đa của ô tô khi di chuyển trên đường cao tốc Bởi trên thực

tế, vùng không gian quan sát xung quanh ra đa trên ô tô thường có các chướng ngại vật gây phản xạ sóng ra đa (các địa vật tự nhiên như cây cối, các tòa nhà cao tầng, các cột điện thép, các dải phân cách giao thông, các thanh chắn đường bằng thép, ) Điều này gây ra các vị trí mục tiêu ma trên màn hình ra đa, làm giảm độ tin cậy của

hệ thống, và đặc biệt là ảnh hưởng đến sự an toàn của người ngồi trong xe

Ngoài ra, với sự phát triển ngày càng cao, lưu lượng giao thông tham gia trên đường ngày càng lớn, thì sự ảnh hưởng giao thoa của các ra đa trên ô tô trên đường càng lớn, đặc biệt là khi ô tô di chuyển trên đường cao tốc Sự giao thoa nhiễu lẫn nhau giữa các ra đa ô tô này gây ra tỷ số tín trên tạp của tín hiệu thu bị giảm xuống, nhiễu hệ thống tăng lên làm che mất mục tiêu thật, thậm chí có trường hợp sự giao thoa lẫn nhau còn gây ra xuất hiện mục tiêu ma trên màn hình ra đa

Do vậy, việc nghiên cứu, phân tích sâu về nhiễu do phản xạ đa đường và nhiễu

do giao thoa giữa các ô tô khi di chuyển trên đường cao tốc là lĩnh vực kỹ thuật rất được quan tâm và cần thiết của các hãng xe hơi Từ việc nghiên cứu nhiễu giao thoa, nhiễu phản xạ đa đường, hiện tượng bóng ma ra đa này người ta sẽ tìm ra các biện pháp để loại trừ nó và nâng cao độ tin cậy của hệ thống Những kết quả nghiên cứu này được ứng dụng trong các công nghệ hỗ trợ lái xe như hệ thống an toàn giao thông

(ADAS- Advanced Driver Assistance Systems), hệ thống tự lái (AD- Automated Driving), hệ thống cảnh báo va chạm phía trước (FCW- Forward Collision Warning),

hệ thống cảnh báo chệch làn đường (LDW- Lane Departure Warning), hệ thống hỗ trợ giữ làn đường (LKA- Lane Keeping Assist), hệ thống hỗ trợ phanh khẩn cấp tự động (AEB- Automatic Emergency Braking), hệ thống kiểm soát hành trình thích ứng (ACC- Adaptive Cruise Control)

Nắm bắt xu thế đó đồng thời theo định hướng của bản thân em muốn nghiên cứu sâu trong lĩnh vực ra đa nên em lựa chọn nghiên cứu đề án này để nghiên cứu về

hệ thống ra đa trên ô tô, những ảnh hưởng của nhiễu đa đường và nhiễu lẫn nhau giữa các ra đa khi di chuyển trên đường cao tốc Từ đó làm tiền đề cho việc nghiên cứu các thuật toán giảm thiểu nhiễu, đảm bảo độ tin cậy cho hệ thống ra đa trên ô tô ở giai đoạn sau

2 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Ra đa là một công nghệ nổi tiếng sử dụng sóng điện từ để đo, phát hiện và định

vị các chướng ngại vật trong môi trường Ra đa đặc biệt hữu ích cho các ứng dụng ô

tô vì xe cộ là vật phản xạ tốt của sóng điện từ, cho phép xác định chính xác khoảng cách, vị trí và vận tốc Ra đa ô tô phát hiện tốc độ và phạm vi của các vật thể trong vùng lân cận của ô tô Một máy phát và một máy thu bao gồm một Ra đa ô tô Máy phát phát ra sóng vô tuyến va chạm với một vật thể và phản xạ trở lại máy thu, xác định khoảng cách, tốc độ và hướng của vật thể

Ra đa trên ô tô đã trải qua một quá trình phát triển lâu dài và đầy thử thách, từ những hệ thống ra đa đơn giản ban đầu cho đến những hệ thống phức tạp hiện đại

Từ 1958 General Motors đã giới thiệu hệ thống ra đa cảnh báo va chạm đầu tiên trên

ô tô Hệ thống này sử dụng ra đa để phát hiện các vật thể ở phía trước xe và phát ra cảnh báo cho người lái nếu có nguy cơ va chạm Cho đến nay các hệ thống ra đa trên

ô tô đã được cải tiến phát triển vượt bậc cho hệ thống lái xe an toàn giao thông (ADAS) bảo vệ cho người trong xe

Tín hiệu thu được trên màn hình ra đa ngoài tín hiệu trực xạ từ mục tiêu thật,

còn có các tín hiệu phản xạ từ các chướng ngại vật gây phản xạ sóng ra đa và từ các nguồn nhiễu từ chính ra đa của các xe trong cùng phạm vi Điều này dẫn đến khả năng phát hiện của ra đa bị suy giảm, dẫn đến việc các đối tượng thường xuất hiện như một điểm duy nhất trong kết quả thu về, hoặc có thể là không có điểm nào, hoặc

có thể là quá nhiều điểm do bị nhiễu Đặc biệt là khi ô tô di chuyển trên đường cao tốc với mật độ lưu lượng giao thông dày đặc Đây là vấn đề vô cùng thách thức mà các kỹ sư công nghệ ra đa ô tô phải đối mặt Do đó, trong đề án này em tập trung nghiên cứu mô phỏng hiện tượng bóng ma ra đa do nhiễu phản xạ đa đường và nhiễu lẫn nhau giữa các ra đa FMCW trên ô tô khi di chuyển trên đường cao tốc

3 Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu mô phỏng được hiện tượng bóng ma ra đa ô tô do phản xạ đa đường và nhiễu lần nhau giữa các ra đa FMCW của ô tô khi di chuyển trên đường cao tốc

- Đề xuất phương pháp giảm thiểu nhiễu giao thoa giữa các ra đa trong điều kiện mật độ ô tô dày đặc khi di chuyển trên đường

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu:

- Hiện tượng bóng ma ra đa FMCW trên ô tô do phản xạ đa đường khi ô tô di chuyển trên đường cao tốc

- Hiện tượng nhiễu giao thoa giữa các ra đa FMCW trên ô tô khi các ra đa này hoạt động trong cùng phạm vi quan sát

Phạm vi nghiên cứu:

- Đề án tập trung vào nghiên cứu hệ thống ra đa FMCW trên ô tô, hiện tượng bóng ma ra đa trên ô tô khi đang di chuyển trên đường cao tốc, và nhiễu giữa các ra

đa ô tô khi chúng hoạt động trong cùng phạm vi quan sát

Phương pháp nghiên cứu

Trong quá trình nghiên cứu đề đạt được mục tiêu, đề án dự kiến sử dụng phương pháp:

- Tiếp cận bằng lý thuyết: sử dụng các công thức toán học và cơ sở lý thuyết để đặt vấn đề và giải quyết vấn đề

- Tiếp cận bằng mô phỏng: sử dụng công cụ MATLAB để mô phỏng, thiết kế phần mềm trên cơ sở các công thức toán học và lý thuyết Kết quả đầu ra của phần mềm thiết kế trên MATLAB được sử dụng kiểm chứng so sánh với kết quả từ dữ liệu thu thập thực tế của ra đa trên ô tô Từ đó mở ra phương hướng nghiên cứu các thuật toán loại bỏ các bóng ma ra đa do phản xạ đa đường, cũng như loại bỏ ảnh hưởng nhiễu giao thoa của các ra đa FMCW trên ô tô, nhằm đảm bảo độ tin cậy của ra đa ứng dụng trên ô tô

5 Cấu trúc đề án

Ngoài phần mở đầu, mục lục, kết luận, danh mục hình vẽ, danh mục bảng biểu, tài liệu tham khảo, phụ lục, nội dung chính của đề án được trình bày trong 4 chương như sau:

Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RA ĐA

Chương 2: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG RA ĐA FMCW TRÊN Ô TÔ

Chương 3: NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG HIỆN TƯỢNG BÓNG MA RA ĐA

DO PHẢN XẠ ĐA ĐƯỜNG CỦA RA ĐA Ô TÔ TRÊN ĐƯỜNG CAO TỐC Chương 4: NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG NHIỄU FMCW GIỮA CÁC RA ĐA

Ô TÔ DI CHUYỂN TRÊN ĐƯỜNG CAO TỐC

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RA ĐA

1 Khái niệm và phân loại hệ thống ra đa

- Khái niệm: Ra đa là thuật ngữ viết tắt của cụm từ tiếng Anh radio detection

and ranging (dò tìm và định vị bằng sóng vô tuyến) Đây là một lĩnh vực kĩ thuật mà trong đó người ta sử dụng các bức xạ điện từ (do phản xạ hoặc do chính môi trường bức xạ ra) để phát hiện đo đạc tọa độ (cự ly, phương vị, hoặc vận tốc) của 1 hoặc nhiều đối tượng cũng như các tham số chuyển động của môi trường và từ đó đánh giá một số tính chất của môi trường

- Mục tiêu của Ra đa: trên không, mặt đất, mặt biển và khí tượng,

+ Mục tiêu trên không bao gồm: mục tiêu, tên lửa;

+ Mục tiêu mặt đất bao gồm: các loại xe, con người,

+ Mục tiêu trên mặt biển bao gồm: các loại tàu chiến, tàu đi biển, người nhái, + Mục tiêu khí tượng bao gồm: các đám mây, mưa,

+ Mục tiêu ngầm bao gồm: các bãi mìn, các tàu ngầm,

- Căn cứ vào nguyên tắc nhận tin tức ra đa, ta có thể phân chia thành ba loại ra

đa cơ bản như sau:

+ Ra đa sơ cấp: là hệ thống ra đa phát xạ năng lượng sóng điện từ chiếu xạ vào

mục tiêu, sau đó thu và xử lý các tín hiệu phản xạ từ mục tiêu để thu nhận tin tức về mục tiêu như cự ly, phương vị, tốc độ mục tiêu,…

+ Ra đa thứ cấp: là hệ thống ra đa phát xạ năng lượng sóng điện từ (tín hiệu

hỏi của máy hỏi) chiếu xạ mục tiêu (các phương tiện cơ động trên không và trên mặt đất như mục tiêu, tàu, xe tăng, ), máy trả lời trên mục tiêu giải mã tín hiệu hỏi và phát xạ tín hiệu trả lời, các tín hiệu trả lời này mang các tin tức cần hỏi Hệ thống thu

và xử lý của đài ra đa thứ cấp thu và giải mã tín hiệu trả lời để lấy thông tin cần thiết

Tổ hợp máy hỏi và máy trả lời gọi là hệ thống ra đa thứ cấp

+ Ra đa thụ động: là hệ thống ra đa không phát xạ năng lượng, nó chỉ thu nhận

và xử lý các tín hiệu bức xạ từ bản thân mục tiêu để lấy tin tức ra đa, các tín hiệu bức

xạ đó có thể là bức xạ nhiệt của mục tiêu, bức xạ của các thiết bị vô tuyến trên mục

tiêu,…

2 Nguyên lý của hệ thống ra đa

- Sơ đồ chức năng đơn giản của một hệ thống ra đa như sau:

Hệ thống

Máy thu Hiển thị

Mục tiêu

Hình 1: Sơ đồ chức năng đơn giản của một hệ thống ra đa

- Nguyên lý hoạt động của hệ thống ra đa như sau: máy phát tạo xung thăm dò

đưa tới hệ thống ăng ten để bức xạ ra ngoài không gian, năng lượng sóng điện từ này

gặp chướng ngại vật (mục tiêu) sẽ phản xạ trở lại ăng ten thu của đài ra đa và được

thu và xử lý tại máy thu Cuối cùng thông tin về mục tiêu ra đa được đưa đến hệ thống

hiển thị và có thể được truyền đi xa nếu cần thiết

- Nhiệm vụ của ra đa: phát hiện, đo đạc, phân biệt và nhận biết mục tiêu

+ Phát hiện: là bài toán dựa vào tín hiệu thu để đưa ra quyết định có hay không

có mục tiêu trong vùng không gian quan sát với một xác suất quyết định sai cho phép

+ Đo đạc: đánh giá tọa độ (R, ɛ, β) và tham số chuyển động (v a, ) với sai số cho

phép nào đó

+ Phân biệt: là bài toán phát hiện và đo đạc tham số của mục tiêu khi ở gần mục

tiêu này còn có những mục tiêu khác

+ Nhận biết: là bài toán xác định mục tiêu là của ta hay của địch, thông thường

là ra đa thứ cấp trang bị hệ thống hỏi đáp

- Các cấp xử lý tin tức của ra đa:

+ Xử lý cấp 1 (sơ cấp): gồm nhiệm vụ phát hiện và đo đạc toàn bộ mục tiêu Xử

lý cấp 1 được thực hiện ở từng Rađa riêng lẻ

+ Xử lý cấp 2 (thứ cấp): xử lý tín hiệu qua nhiều chu kỳ quan sát tạo thành quỹ đạo mục tiêu, tăng khả năng phát hiện mục tiêu tự động Xử lý cấp 2 được thực hiện

ở từng ra đa riêng lẻ hoặc tổng hợp của nhiều ra đa

+ Xử lý cấp 3: thông thưởng xử lý ở sở chỉ huy, sử dụng thông tin từ nhiều hệ thống ra đa để tạo nên bức tranh toàn cảnh về mục tiêu

- Những định luật cơ bản dùng trong ra đa [1]:

+ Định luật 1: tốc độ lan truyền sóng trong không gian tự do là hằng số

8 3.10

c = m/s + Định luật 2: trong môi trường đồng nhất và đẳng hướng sóng truyền theo đường thẳng

+ Định luật 3: tần số dao động điện từ nhận được khác với tần số dao động bức

xạ nếu mục tiêu chuyển động so với đài ra đa (hiệu ứng Doppler)

Hằng số tốc độ và hướng truyền thẳng của sóng cho phép xác định cự ly mục tiêu Thời gian truyền sóng từ đài ra đa đến mục tiêu và thời gian quay về Tr liên hệ với cự ly của mục tiêu bởi công thức:

2

r

R T c

Do đó:

2

r

c T

Bởi vậy, để xác định cự ly đến mục tiêu khi sử dụng phương pháp ra đa chủ

động cần đo thời gian truyền sóng giữa đài ra đa và mục tiêu trên cả 2 phía T r thường được gọi là thời gian giữ chậm tín hiệu phản xạ

Việc xác định tọa độ góc (hướng) của mục tiêu dựa vào tính chất truyền thẳng của sóng Với mục đích này người ta sử dụng những ăng ten định hướng

Việc đo thành phần hướng tâm của tốc độ chuyển động của mục tiêu đối với đài

ra đa (V xt) dựa vào hiệu ứng Doppler Trong ra đa chủ động, hiệu ứng Doppler xuất hiện 2 lần: lần đầu, tần số dao động điện từ “nhận được" bởi mục tiêu chuyển động

Dấu “+” tương ứng trường hợp ra đa và mục tiêu dịch lại gần nhau;

Dấu “-” tương ứng trường hợp ngược lại

d xt bx

F c v

f

Những tín hiệu ra đa nhận được chứa đựng tin tức hạn chế về các tọa độ của mục tiêu và các đạo hàm của chúng Việc gia công các tín hiệu cho phép xác định cự

ly mục tiêu, các tọa độ góc và tốc độ xuyên tâm của mục tiêu đối với đài ra đa Khả năng đo được mở rộng nếu có thể quan sát mục tiêu và nhận tín hiệu trong khoảng thời gian nào đó: phân tích số liệu tọa độ góc và cự ly cũng cho phép xác định tốc độ góc và 2 thành phần (xuyên tâm và tiếp tuyến) tốc độ của mục tiêu đối với đài ra đa

- Phương trình ra đa cơ bản:

+ Công suất tín hiệu thu được:

2 2

3 4

.(4 )

T R

P G P

(4 )

T sen

P G R

P

 



Trong đó: PT[w] là công suất phát của ra đa;

Psen[w] là độ nhạy của đài ra đa;

G[dBi] là hệ số khuếch đại của ăng ten;

λ [m] là bước sóng của tín hiệu;

σ[m2] là diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu;

Hình 2: Truyền sóng ra đa trong không gian

3 Các tham số chiến thuật, kỹ thuật của hệ thống ra đa

- Những tham số chiến thuật gồm có:

+ Vùng quan sát: ra đa có nhiệm vụ quan sát mục tiêu trong vùng này

+ Chu kỳ quét Tq: là thời gian để ra đa quét hết vùng quan sát 1 lần

+ Các tọa độ được đo

+ Độ chính xác đo các tọa độ và tốc độ mục tiêu

+ Khả năng phân biệt

+ Độ tin cậy sử dụng

+ Khả năng chống nhiễu

Vùng quan sát giới hạn bởi cự ly cực đại (rmax) và cực tiểu (rmin) và các góc quan sát trong mặt phẳng ngang (Φβ) và đứng (Φɛ):

Hình 3: Vùng quan sát của ra đa

Khi đánh giá độ chính xác các phép đo của đài ra đa, người ta chỉ chú ý các

sai số ngẫu nhiên Giả thiết rằng các sai số hệ thống có thể xác định và bù khử hiệu chỉnh Trên thực tế cần chú ý những sai số ngẫu nhiên, sai số này phân bố theo quy luật chuẩn và để đánh giá chính xác người ta dùng giá trị sai số trung bình bình phương của độ lệch so với gia trị trung bình hay là phương sai của sai số đo Ký hiệu sai số trung bình bình phương đo cự ly δr, tọa độ góc δθ, tốc độ δv

Khả năng phân biệt mục tiêu của 1 đài ra đa là khả năng quan sát riêng rẽ các

mục tiêu có một trong các tọa độ khác nhau hoặc tốc độ khác nhau:

+ Khả năng phân biệt cự ly δr, là khoảng cách nhỏ nhất giữa 2 mục tiêu có các tọa độ góc và tốc độ giống nhau mà đài có thể quan sát riêng rẽ được Nếu khoảng cách giữa 2 mục tiêu nhỏ hơn δr, thì đài ra đa quan sát chúng như là 1 mục tiêu + Khả năng phân biệt theo tọa độ góc δθ là góc nhỏ nhất giữa hướng của 2 mục tiêu có cự ly và tốc độ giống nhau có thể quan sát riêng rẽ được

+ Khả năng phân biệt tốc độ δv, là hiệu tốc độ nhỏ nhất của 2 mục tiêu có cự ly

và tọa độ góc gần như nhau (cùng nằm trong một thể tích phân biệt) có thể quan sát riêng rẽ được

Độ tin cậy là khả năng hoạt động theo chức năng của đài trong khoảng thời gian

xác định và dưới một điều kiện hoạt động cụ thể

Khả năng chống nhiễu là khả năng duy trì được các chỉ tiêu kỹ chiến thuật của

đài ra đa trong điều kiện có nhiễu tác động Những con số của chỉ tiêu kỹ chiến thuật chưa đánh giá được khả năng chống nhiễu Chỉ có thể nói trong 2 đài ra đa bị nhiễu tác động như nhau, đài nào có các chỉ tiêu kỹ chiến thuật sút kém ít hơn thì đài đó có khả năng chống nhiễu cao hơn

Về tính năng chiến thuật đôi khi người ta còn kể thêm những điều kiện làm việc của đài (tính chất của mục tiêu, điều kiện thời tiết tốt, vị trí triển khai, )

Các tính năng chiến thuật của 1 đài ra đa xác định bởi các tính năng kỹ thuật của nó

- Những tham số kỹ thuật gồm có:

+ Nguyên tắc xây dựng đài ra đa (phương pháp nhận tín hiệu ra đa, dạng dao động bức xạ, phương pháp gia công tín hiệu trong máy thu)

+ Tần số mang của dao động bức xạ hay bước sóng λ

+ Quy luật điều chế dao động bức xạ

+ Công suất bức xạ trung bình Ptb và đỉnh Pd

+ Dạng và độ rộng giản đồ hướng của ăng ten

+ Tham số của máy thu

+ Tham số của hệ thống xử lý tín hiệu

+ Tham số của hệ thống xử lý thông tin

+ Khả năng lưu trữ

+ Tham số hiển thị

Chương 1 đã trình bày tổng quan về hệ thống ra đa: khái niệm, phân loại ra đa; nguyên lý hoạt động của hệ thống ra đa và các tham số tính năng chiến kỹ thuật của hệ thống ra đa

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG RA ĐA FMCW TRÊN Ô TÔ

1 Các loại cảm biến cơ bản trên ô tô

Các cảm biến trên ô tô là những thiết bị điện tử có chức năng thu thập thông tin

từ môi trường xung quanh hoặc từ các bộ phận bên trong xe Thông tin này sau đó được truyền tải đến bộ xử lý trung tâm để xử lý và điều khiển các hệ thống khác nhau trên xe

Hình 4: Hình ảnh các loại cảm biến tích hợp trên ô tô Các cảm biến trên ô tô có thể được chia thành hai loại chính:

Cảm biến tiếp xúc: Loại cảm biến này sử dụng một vật thể vật lý để tương tác

với môi trường xung quanh Ví dụ, cảm biến áp suất lốp sử dụng một kim để đo áp suất bên trong lốp xe

Cảm biến không tiếp xúc: Loại cảm biến này không sử dụng vật thể vật lý để

tương tác với môi trường xung quanh Ví dụ, cảm biến oxy sử dụng điện áp để đo lượng oxy trong khí thải

Dưới đây là một số loại cảm biến thông dụng trên ô tô:

Cảm biến vị trí trục khuỷu (Crankshaft Position sensor): Cảm biến này xác

định vị trí của trục khuỷu trong chu trình đốt cháy Thông tin này được sử dụng để tính toán tốc độ động cơ và thời điểm đánh lửa

Cảm biến vị trí trục cam (Camshaft Position sensor): Cảm biến này xác định

vị trí của trục cam trong chu trình đốt cháy Thông tin này được sử dụng để tính toán thời điểm van nạp và van xả mở

Cảm biến nhiệt độ động cơ (Engine Coolant Temperature sensor): Cảm biến

này đo nhiệt độ của chất làm mát động cơ Thông tin này được sử dụng để điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ và tốc độ quạt làm mát

Cảm biến áp suất nhiên liệu (Fuel Pressure sensor): Cảm biến này đo áp suất

nhiên liệu trong hệ thống nhiên liệu Thông tin này được sử dụng để điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ

Cảm biến oxy (Oxygen sensor): Cảm biến này đo lượng oxy trong khí thải

Thông tin này được sử dụng để điều chỉnh tỷ lệ không khí/nhiên liệu trong hỗn hợp đốt cháy

Cảm biến lưu lượng khí nạp (Intake Air Flow sensor): Cảm biến này đo lượng

không khí đi vào động cơ Thông tin này được sử dụng để tính toán lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ

Cảm biến tốc độ xe (Vehicle Speed sensor): Cảm biến này đo tốc độ của xe

Thông tin này được sử dụng để điều chỉnh hệ thống lái, hệ thống phanh và hệ thống kiểm soát hành trình

Cảm biến góc lái (Steering Angle sensor): Cảm biến này đo góc quay của vô

lăng Thông tin này được sử dụng để điều chỉnh hệ thống lái

Cảm biến ABS (Anti-lock Braking System): Cảm biến này đo tốc độ quay của

các bánh xe Thông tin này được sử dụng để điều chỉnh hệ thống ABS

Cảm biến túi khí (Airbag sensor): Cảm biến này phát hiện va chạm và kích

hoạt hệ thống túi khí

Cảm biến lùi (Rear Parking sensor): Cảm biến này phát hiện các vật thể phía

sau xe và phát ra tín hiệu cảnh báo cho người lái, hỗ trợ đỗ xe cho người lái

Hình 5: Cảm biến ra đa và cảm biến hình ảnh trên ô tô

Cảm biến tiệm cận trên ô tô là một loại cảm biến phát hiện sự hiện diện của

một đối tượng trong phạm vi nhất định Chúng thường được sử dụng trong các hệ thống an toàn chủ động, chẳng hạn như hệ thống cảnh báo va chạm phía trước và hệ thống hỗ trợ đỗ xe

Có hai loại cảm biến tiệm cận chính được sử dụng trên ô tô:

+ Cảm biến siêu âm: Loại cảm biến này sử dụng sóng âm để phát hiện vật thể

Khi sóng âm chạm vào vật thể, chúng sẽ phản xạ trở lại cảm biến Cảm biến sau đó

sử dụng thời gian di chuyển của sóng âm để tính toán khoảng cách đến vật thể

+ Cảm biến ra đa: Loại cảm biến này sử dụng sóng vô tuyến để phát hiện vật

thể Khi sóng vô tuyến chạm vào vật thể, chúng sẽ phản xạ trở lại cảm biến Cảm biến sau đó sử dụng thời gian di chuyển của sóng vô tuyến để tính toán khoảng cách đến vật thể

Cảm biến hình ảnh trên ô tô là một loại cảm biến sử dụng ánh sáng để thu thập

thông tin về môi trường xung quanh Chúng thường được sử dụng trong các hệ thống

an toàn chủ động, chẳng hạn như hệ thống hỗ trợ giữ làn đường và hệ thống phanh khẩn cấp tự động

Có hai loại cảm biến hình ảnh chính được sử dụng trên ô tô:

+ Camera: Loại cảm biến này sử dụng ống kính và cảm biến điện tử để tạo ra

hình ảnh

+ Lidar: Loại cảm biến này sử dụng tia laser để tạo ra bản đồ 3D của môi trường

xung quanh

Cảm biến hình ảnh có nhiều ứng dụng khác nhau trên ô tô, bao gồm:

Camera ô tô có thể phát hiện biển báo: Tính năng này được gọi là nhận dạng

biển báo giao thông (TSR) TSR sử dụng camera để phát hiện các biển báo giao thông

và xác định loại biển báo Thông tin này sau đó được sử dụng để cảnh báo người lái

về tốc độ giới hạn, các lệnh cấm hoặc hạn chế khác

Hệ thống hỗ trợ giữ làn đường: Hệ thống này sử dụng camera để phát hiện

các vạch kẻ đường Nếu cảm biến phát hiện xe đang chệch làn đường, hệ thống sẽ cảnh báo người lái

Hệ thống phanh khẩn cấp tự động: Hệ thống này sử dụng camera để phát hiện

các vật thể phía trước Nếu cảm biến phát hiện có khả năng xảy ra va chạm, hệ thống

sẽ tự động phanh xe

Hệ thống giám sát điểm mù: Hệ thống này sử dụng camera để phát hiện các

xe đang di chuyển trong điểm mù của xe Nếu cảm biến phát hiện có xe trong điểm

mù, hệ thống sẽ cảnh báo người lái

Hệ thống hỗ trợ đỗ xe: Hệ thống này sử dụng camera để phát hiện các vật thể

xung quanh xe khi đang đỗ xe Hệ thống sẽ cảnh báo người lái nếu có khả năng xảy

ra va chạm

Cảm biến hình ảnh là một công nghệ quan trọng giúp đảm bảo an toàn cho người lái và hành khách trên ô tô Chúng giúp xe di chuyển an toàn và tránh các va chạm

Ngoài ra, cảm biến hình ảnh cũng đang được sử dụng để phát triển các tính năng mới cho ô tô, chẳng hạn như:

Hệ thống lái xe tự động: Hệ thống này sử dụng camera để phát hiện các vật

thể xung quanh và điều khiển xe một cách tự động

Hệ thống giải trí, an toàn trên xe: Hệ thống này sử dụng camera để nhận diện

khuôn mặt và cử chỉ của người lái và hành khách

Hình 6: Trường nhìn của camera hình ảnh

Hình 7: Trường nhìn của cảm biến ra đa

2 Nguyên lý hoạt động của cảm biến ra đa trên ô tô

Cảm biến Ra đa ô tô là một loại cảm biến sử dụng sóng vô tuyến để phát hiện các vật thể xung quanh Chúng thường được sử dụng trong các hệ thống an toàn chủ động, chẳng hạn như hệ thống cảnh báo va chạm phía trước, hệ thống hỗ trợ giữ làn đường và hệ thống phanh khẩn cấp tự động Cảm biến Ra đa thường được gắn ở cả bốn phía (trước, sau, trái và phải) của xe

Ra đa ô tô là công nghệ cảm biến hàng đầu hiện nay giúp tăng độ an toàn khi lái xe trong mọi điều kiện môi trường Đến nay, Ra đa ô tô đang được ứng dụng trên nhiều mẫu xe hơi cao cấp để kích hoạt các tính năng an toàn và tiện nghi trên xe, nhằm điều chỉnh tốc độ di chuyển tự động mà không cần sự tham gia của người lái Trong tương lai không xa, cảm biến Ra đa trên ô tô sẽ trở thành trợ thủ đắc lực của người điều khiển khi tham gia giao thông để giảm thiểu tối đa va chạm Đồng

thời, đây cũng là công nghệ quan trọng để hướng đến ngành công nghiệp ô tô không người lái

Hình 8: Cảm biến Ra đa ô tô phát hiện, định vị người và phương tiện xung quanh

- Cấu tạo của cảm biến Ra đa ô tô: Cảm biến Ra đa ô tô bao gồm một bộ phát

và một bộ thu Máy phát có nhiệm vụ phát ra các sóng vô tuyến đập vào một vật thể

và phản xạ trở lại máy thu, xác định khoảng cách, tốc độ và hướng của vật thể để cảnh báo cho người dùng Cảm biến Ra đa ô tô rất nhạy khi phát hiện và định vị các phương tiện khác, đặc biệt khi đang đi với tốc độ như trên đường cao tốc

- Nguyên lý hoạt động của cảm biến Ra đa ô tô:

Cảm biến Ra đa ô tô được sử dụng để xác định khoảng cách và tốc độ của các đối tượng đứng im hoặc di chuyển xung quanh ô tô Thiết bị Ra đa phát ra sóng vô tuyến, chạy với tốc độ cực nhanh và phản xạ trở lại Ra đa khi có vật thể trên đường

đi của nó Các Ra đa ô tô cho tầm xa điển hình có thể đo các vật thể cách xa 300m đến 500m

Các thiết bị Ra đa khi hoạt động sẽ phát ra những đợt sóng Ra đa Khi gặp chướng ngại vật, sóng Ra đa sẽ lập tức dội ngược lại cảm biến Dựa vào thời gian sóng di chuyển rồi phản ứng lại, vi xử lý trung tâm của xe ô tô sẽ tính toán ra khoảng

cách từ xe tới chướng ngại vật phù hợp với tốc độ và hướng đi của người điều khiển hiện thời

Nếu khoảng cách giữa hai xe không đảm bảo an toàn, các hệ thống cảnh báo trên ô tô sẽ đưa ra những cảnh báo cho lái xe thông qua bảng điều khiển, đèn báo, thậm chí bằng âm thanh Khi khoảng cách quá gần mà lái xe không phản ứng, hệ thống sẽ tự động can thiệp qua các hệ thống khác như phanh tự động, căng dây an toàn hay túi khí để bảo vệ hành khách, hạn chế tối đa va chạm xảy ra

- Phân loại cảm biến Ra đa ô tô:

+ Ra đa tầm ngắn (SRR) sử dụng tần số 24 GHz và được sử dụng cho các ứng dụng quan sát có phạm vi gần từ 1 đến 30 mét - hữu ích cho các ứng dụng như phát hiện điểm mù, hỗ trợ chuyển làn, hỗ trợ đỗ xe hay phát hiện các chướng ngại vật ở

cự ly gần Các Ra đa này cần một ăng-ten để có thể quan sát được với góc quét lớn, tạo ra tầm nhìn quan sát rộng để đảm bảo độ chính xác tối đa

+ Ra đa tầm dài (LRR) sử dụng tần số 77 GHz (thông thường dao động từ 81GHz) cung cấp độ chính xác và độ phân giải tốt hơn so với Ra đa tầm ngắn Chúng được sử dụng để đo khoảng cách và tốc độ của các phương tiện khác khi đang di chuyển ngược hướng xe ô tô, đồng thời Ra đa tầm dài còn giúp phát hiện các đối tượng trong phạm vi quan sát rộng hơn Hệ thống Ra đa tầm dài (LRR) cung cấp phạm vi quan sát từ 80m đến 200m hoặc lớn hơn

76-Hình 9: Phân loại cảm biến ra đa ô tô [10]

Theo loại tín hiệu phát xạ thì có hai loại Ra đa thường được sử dụng

Ra đa xung Doppler phát ra một xung ngắn với công suất cực đại cao đều đặn trong khoảng thời gian được gọi là khoảng lặp lại xung (PRI) Trong các hệ thống này - thường được gọi là bán song công - sau khi bộ phát gửi các xung, nó sẽ tắt và

bộ thu được kích hoạt Máy thu được kích hoạt và đo thời gian phản xạ lại của xung phát để tính khoảng cách của vật thể phản xạ

Ngoài ra, nếu đo độ dịch pha giữa nhiều xung bằng Hiệu ứng Doppler, thì có thể tính được vận tốc tương đối của vật thể phản xạ và do hệ thống ADAS biết vận tốc của xe có gắn cảm biến Ra đa nên vận tốc tuyệt đối của vật thể được suy ra một cách dễ dàng Hệ thống Pulse-Doppler phù hợp nhất để sử dụng ở phạm vi dài hơn

do có độ trễ nhỏ giữa việc tắt máy phát và kích hoạt máy thu

Tương tự như LIDAR, Ra đa cũng có thể hoạt động ở chế độ sóng liên tục được điều chế tần số (FMCW) Thay vì sử dụng xung, ở đây quá trình truyền diễn ra liên tục nhưng tần số của sóng truyền bị quét qua một phần băng thông được phân bổ Những 'tiếng kêu' này được đặc trưng bởi tần số bắt đầu, thời lượng và băng thông

Hệ thống FMCW có các máy phát và máy thu riêng biệt về mặt vật lý để tránh nhiễu giữa tín hiệu chirp được truyền và tín hiệu dội lại

Hình 10: Sơ đồ nguyên lý hệ thống ra đa FMCW trên ô tô [15]

Ra đa sóng liên tục điều chế tần số (FMCW) hoạt động bằng cách truyền một tín hiệu chirp có tần số thay đổi tuyến tính theo thời gian Tín hiệu này sau đó được phát ra bởi ăng-ten, phản xạ từ mục tiêu và được ăng-ten thu nhận Ở phía tiếp nhận, tín hiệu nhận được bị trễ và bản sao không bị trễ của tín hiệu truyền đi được trộn

(nhân) với nhau Đầu ra của bộ trộn là tín hiệu hình sin có tần số chênh lệch f beat chính

là độ trễ về mặt thời gian của tín hiệu phản hồi Tần số chênh lệch phụ thuộc vào độ trễ của tín hiệu phản xạ thu được nên có thể xác định độ trễ của tín hiệu phản xạ Sóng điện từ truyền đi với tốc độ ánh sáng cho phép chuyển đổi độ trễ thành khoảng cách một cách chính xác Khi có một số mục tiêu, tín hiệu đầu ra là tổng của các tần số khác nhau và khoảng cách đến các mục tiêu có thể được phục hồi một cách hiệu quả bằng phép biến đổi Fourier

o Tín hiệu phát là tín hiệu quét tần liên tục FMCW theo công thức [18,tr.40]:

2 0( ) exp 2

T là độ rộng tín hiệu, hay còn gọi là thời gian quét tần;

µ = B/T là tốc độ chirp và B là băng thông của tín hiệu phát;

f 0 là tần số trung tâm của tín hiệu phát;

Hình 11: Đồ thị spectrogram của tín hiệu phát FMCW

o Tín hiệu ra đa thu về giống như tín hiệu phát đi nhưng bị giữ chậm hơn một khoảng τ1 và biên độ phụ thuộc vào RCS của mục tiêu, cự ly của mục tiêu, hệ

số khuếch đại của ăng ten:

1 1

2R

c

Khi trộn tín hiệu phát với tín hiệu thu về sau đó qua bộ lọc thông thấp analog

ta loại bỏ được thành phần tần số cao 2 f 0 Pha của tín hiệu sau khi lọc thông thấp là:

beat

R B f

T c

Hình 12: Đồ thị spectrogram của tín hiệu thu FMCW phản xạ về từ mục tiêu Công thức tính toán cự ly phát hiện mục tiêu [14]:

2 2 4

- Lt là suy hao tuyến thu-phát;

- La là suy hao do hấp thụ của khí quyển;

- Fp là hệ số lan truyền do ảnh hưởng của mặt đất (coi xấp xỉ bằng 1);

- SNRhit là tỉ lệ tín/tạp cần thiết ở đầu vào CFAR tính cho mỗi xung

o Dechirpring signal (Mixer): thực hiện nhân tín hiệu phát đi với tín hiệu thu về

để đưa tín hiệu về băng cơ sở, đồng thời phép nhân tín hiệu này cũng thực hiện chuyển đổi tín hiệu về thành tín hiệu có tần số fbeat Biến đổi FFT của tín hiệu này sẽ trích xuất thông tin cự ly của mục tiêu Tần số beat của tín hiệu được tính theo công thức sau [14]:

2

beat

R B f

T c

Từ đó ta tính được cự ly phát hiện của mục tiêu:

o Range FFT processor: thực hiện FFT tính toán độ trễ tần số tín hiệu phản hồi

Hình 14: Độ trễ tần số phản hồi từ mục tiêu trong đài FMCW

Hệ thống ra-đa sử dụng phương án phát tín hiệu dạng xung răng cưa ramp-up hoặc ramp-down Tín hiệu này thay đổi tần số liên lục từ Fmin tới Fmax Tín hiệu trả về

từ mục tiêu có tần số bị chậm hơn so với tần số phát 1 khoảng

• t: thời gian trễ phản hồi từ mục tiêu(s)

• R: khoảng cách từ mục tiêu tiêu tới đài ra-đa: (m)

• c: Vận tốc ánh sáng trong môi trường không khí: ≈ 3 ∗ 108𝑚 𝑠⁄

Do đó, khoảng cách tới mục tiêu có thể xác định thông qua tần số của tín hiệu phản hồi Tần số này xác định bằng phép biến đổi FFT Khối FFT hỗ trợ việc nhân cửa sổ trước khi FFT để giảm bớt sidelobe trong quá trình biến đổi FFT tín hiệu thu

t

Hình 15: Đồ thị của tín hiệu mục tiêu theo chiều ranger-FFT

o Ranger-Doppler:

Sau khi thực hiện biến đổi Ranger FFT trích xuất ra tín hiệu dưới dạng tần số beat Tín hiệu này được thực hiện biến đổi FFT (slow time) theo chiều cự ly và số chirps (hay còn gọi là số chu kỳ lặp lại của tín hiệu thu phát) để trích xuất ra tần số Doppler chính là vận tốc chuyển động của ô tô

Hình 16: Đồ thị của tín hiệu mục tiêu theo chiều Doppler-FFT

3 Các ứng dụng của hệ thống ra đa trên ô tô

Cảm biến ra đa: Loại cảm biến này sử dụng sóng vô tuyến để phát hiện vật

thể Khi sóng vô tuyến chạm vào vật thể, chúng sẽ phản xạ trở lại cảm biến Cảm biến sau đó sử dụng thời gian di chuyển của sóng vô tuyến để tính toán khoảng cách đến vật thể

Cảm biến ra đa có nhiều ứng dụng khác nhau trên ô tô, bao gồm:

Hệ thống cảnh báo va chạm phía trước: Hệ thống này sử dụng cảm biến ra

đa để phát hiện các xe phía trước Nếu cảm biến phát hiện có khả năng xảy ra va chạm, hệ thống sẽ cảnh báo người lái

Hệ thống hỗ trợ đỗ xe: Hệ thống này sử dụng cảm biến ra đa để phát hiện các

vật thể xung quanh xe khi đang đỗ xe Hệ thống sẽ cảnh báo người lái nếu có khả năng xảy ra va chạm

Hệ thống kiểm soát hành trình thích ứng: Hệ thống này sử dụng cảm biến ra

đa để giữ khoảng cách an toàn giữa xe và xe phía trước

Cảm biến ra đa là một công nghệ quan trọng giúp đảm bảo an toàn cho người lái và hành khách trên ô tô Chúng giúp xe di chuyển an toàn và tránh các va chạm

4 Thách thức và xu hướng phát triển của hệ thống ra đa trên ô tô

• Thách thức phát triển của Ra đa ô tô:

Hai từ khóa cho vấn đề này là “signal-to-noise ratio” (Tỉ số tín hiệu cực đại trên nhiễu) và giá thành

Đầu tiên, Ra đa sóng milimet có tỷ lệ tín hiệu cực đại trên nhiễu quá thấp Nguyên lý hoạt động của Ra đa sóng milimet rất đơn giản, nó truyền sóng vô tuyến

ra ngoài, nhận phản hồi dội lại, sau đó đo khoảng cách và tốc độ theo thời gian lệch pha của sóng

Nhưng vấn đề là cảm biến Ra đa sóng milimet gắn trên các xe điện hiện nay thường có độ chính xác thấp, thiếu khả năng đo chiều cao và thường mang tới nhiều

tín hiệu nhiễu lộn xộn trong toàn bộ quá trình vận hành Điều này dẫn đến việc các đối tượng thường xuất hiện như một điểm duy nhất trong kết quả thu về, hoặc có thể

là không có điểm nào, hoặc có thể là quá nhiều điểm do bị nhiễu Điều đó khiến hệ thống xử lý rất khó khăn trong việc phân biệt hình dạng và chủng loại của chướng ngại vật

Tất nhiên, ngành công nghiệp xe hơi đã nhận biết vấn đề này từ lâu Hầu hết việc sử dụng Ra đa sóng milimet hiện nay dựa trên việc “tìm ưu, tránh nhược”, tức là chỉ nhằm thu lấy khả năng theo dõi của nó đối với các đối tượng động

Tuy nhiên, khi đó các vật thể tĩnh lại trở thành một cơn ác mộng mà các cảm biến Ra đa không thể vượt qua Để ngăn Ra đa sóng milimet coi một loạt các vật thể tĩnh khác nhau như nắp cống hay cầu vượt là chướng ngại vật, về cơ bản các hãng xe

sẽ hạn chế một phần các tín hiệu phát hiện của hệ thống đối với các vật thể đứng yên Điều này nhằm tránh tình trạng “phanh ma”, tức là hệ thống tự kích hoạt phanh dù không có chướng ngại vật

Môi trường hoạt động phức tạp: Ra đa ô tô phải hoạt động trong nhiều môi

trường khác nhau, từ đường cao tốc đến đường thành phố đông đúc, với nhiều điều kiện thời tiết khác nhau như mưa, tuyết, sương mù, v.v Điều này đòi hỏi Ra đa phải

có khả năng phân biệt được các vật thể thực sự với nhiễu và hoạt động chính xác trong mọi điều kiện

Phạm vi và độ phân giải: Ra đa ô tô cần có phạm vi hoạt động đủ xa để phát

hiện các mối nguy hiểm tiềm ẩn trước khi va chạm xảy ra, đồng thời có độ phân giải

đủ cao để phân biệt các vật thể khác nhau và xác định kích thước, hình dạng và vị trí của chúng

Kích thước và giá thành: Ra đa ô tô cần phải nhỏ gọn và có giá thành hợp lý

để có thể trang bị cho nhiều loại xe khác nhau

Sự an toàn và bảo mật: Ra đa ô tô cần phải an toàn cho người sử dụng và

không gây nhiễu cho các hệ thống Ra đa khác Ra đa cũng cần được bảo mật để tránh

bị tấn công mạng

• Xu hướng phát triển của Ra đa ô tô:

Ra đa sóng millimeter: Ra đa sóng millimeter có phạm vi hoạt động ngắn hơn

so với Ra đa thông thường, nhưng có độ phân giải cao hơn và ít bị nhiễu bởi thời tiết

Ra đa sóng millimeter đang được sử dụng ngày càng phổ biến trong các ứng dụng an toàn cho ô tô, như phanh khẩn cấp tự động và cảnh báo điểm mù

Ra đa LiDAR: LiDAR sử dụng tia laser để tạo ra bản đồ 3D của môi trường

xung quanh xe LiDAR có độ phân giải cao hơn Ra đa và có thể hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết Tuy nhiên, LiDAR hiện nay vẫn còn quá cồng kềnh và đắt đỏ để trang bị cho hầu hết các loại xe

Ra đa tích hợp camera: Ra đa thường được tích hợp với camera để cải thiện

hiệu suất Camera có thể giúp Ra đa phân biệt các vật thể thực sự với nhiễu và xác định loại vật thể

Hệ thống Ra đa trên chip: Ra đa trên chip (SoC) đang được phát triển để làm

cho Ra đa nhỏ gọn và rẻ hơn SoC tích hợp tất cả các chức năng Ra đa vào một chip duy nhất, giúp giảm chi phí và kích thước

Ra đa học máy: Học máy đang được sử dụng để phát triển các thuật toán Ra

đa mới có thể cải thiện hiệu suất Ra đa trong các môi trường phức tạp Học máy có thể giúp Ra đa phân biệt các vật thể thực sự với nhiễu và theo dõi các vật thể di chuyển

hợp giữa Ra đa sóng milimet truyền thống và lidar., có thể vẽ không gian ba chiều Hình ảnh đem lại tương tự như hiệu ứng từ Lidar, thậm chí tốt hơn Độ chính xác của

nó tốt hơn đáng kể so với loại trước và chi phí có thể thấp bằng 1/10 so với loại sau Chương 2 đã trình bày về hệ thống ra đa FMCW trên ô tô: nguyên lý hoạt động của hệ thống ra đa, các ứng dụng của hệ thống ra đa FMCW trên ô tô, những thách thức và xu hướng phát triển của hệ thống ra đa trên ô tô