tóm tắt đề án thạc sĩ 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

Sự giao thoa nhiễu lẫn nhau giữa các ra đa ô tônày gây ra tỷ số tín trên tạp của tín hiệu thu bị giảm xuống, nhiễu hệ thống tăng lên làm chemất mục tiêu thật, thậm chí có trường hợp sự g

-Nguyễn Mạnh Thắng

NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG HIỆN TƯỢNG BÓNG MA RADAR

DO PHẢN XẠ ĐA ĐƯỜNG VÀ DO NHIỄU GIỮA CÁC RADAR

FMCW CỦA Ô TÔ TRÊN ĐƯỜNG CAO TỐC

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

MÃ SỐ: 8.52.02.03

TÓM TẮT ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ

HÀ NỘI – NĂM 2024

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Trung Hiếu

Vào lúc: giờ ngày tháng năm .

Có thể tìm hiểu đề án tốt nghiệp tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông.

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Bóng ma ra đa là một hiện tượng thường gặp trong truyền sóng vô tuyến, đặc biệt làđối với hệ thống ra đa của ô tô khi di chuyển trên đường cao tốc Bởi trên thực tế, vùngkhông gian quan sát xung quanh ra đa trên ô tô thường có các chướng ngại vật gây phản xạsóng ra đa (các địa vật tự nhiên như cây cối, các tòa nhà cao tầng, các cột điện thép, các dảiphân cách giao thông, các thanh chắn đường bằng thép, ) Điều này gây ra các vị trí mụctiêu 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 đườngngày càng lớn, thì sự ảnh hưởng giao thoa của các ra đa trên ô tô trên đường càng lớn, đặcbiệt là khi ô tô di chuyển trên đường cao tốc Sự giao thoa nhiễu lẫn nhau giữa các ra đa ô tônày gây ra tỷ số tín trên tạp của tín hiệu thu bị giảm xuống, nhiễu hệ thống tăng lên làm chemất mục tiêu thật, thậm chí có trường hợp sự giao thoa lẫn nhau còn gây ra xuất hiện mụctiêu ma trên màn hình ra đa

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

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 cácchướng ngại vật trong môi trường Ra đa đặc biệt hữu ích cho các ứng dụng ô tô vì xe cộ làvật phản xạ tốt của sóng điện từ, cho phép xác định chính xác khoảng cách, vị trí và vận tốc.Tín hiệu thu được trên màn hình ra đa ngoài tín hiệu trực xạ từ mục tiêu thật, còn cócác tín hiệu phản xạ từ các chướng ngại vật gây phản xạ sóng ra đa và từ các nguồn nhiễu từchính 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 kếtquả 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

3 Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu mô phỏng được hiện tượng bóng ma ra đa ô tô do phản xạ đa đường vànhiễu 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 chuyểntrên đường cao tốc.

- Hiện tượng nhiễu giao thoa giữa các ra đa FMCW trên ô tô khi các ra đa này hoạtđộng 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 chúnghoạt 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 đặtvấn đề và giải quyết vấn đề

- Tiếp cận bằng mô phỏng: sử dụng công cụ MATLAB để mô phỏng, thiết kế phầnmềm trên cơ sở các công thức toán học và lý thuyết Từ đó mở ra phương hướng nghiên cứucác thuật toán loại bỏ các bóng ma ra đa do phản xạ đa đường, cũng như loại bỏ ảnh hưởngnhiễu giao thoa của các ra đa FMCW trên ô tô, đảm bảo độ tin cậy của ra đa ứng dụng trên ôtô

5 Cấu trúc đề án

Ngoài phần mở đầu, mục lục, kết luận, danh mục hình vẽ, danh mục bảng biểu, tài liệutham 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 DOPHẢN 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 đóngười ta sử dụng các bức xạ điện từ (do phản xạ hoặc do chính môi trường bức xạ ra) đểphát hiện đo đạc tọa độ (cự ly, phương vị, hoặc vận tốc) của 1 hoặc nhiều đối tượng cũngnhư các tham số chuyển động của môi trường và từ đó đánh giá một số tính chất của môitrường

- 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 cơbản 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 tiêunhư 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 mụctiêu, 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

+ 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

đồng bộ Máy phát

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 chướngngại 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 đượctruyền đi xa nếu cần thiết.

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

- 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 đạomục tiêu, tăng khả năng phát hiện mục tiêu tự động Xử lý cấp 2 được thực hiện ở từng ra đariêng 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

- Phương trình ra đa cơ bản:

+ Cự ly phát hiện tối đa của mục tiêu:

2 2 4

(4 )

T sen

P G R

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

λ [m] là bước sóng của tín hiệu;

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

+ 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

- 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

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

Các cảm biến trên ô tô có thể được chia thành hai loại chính:

- Cảm biến tiếp xúc

- Cảm biến không tiếp xúc

Cảm biến không tiếp xúc tiêu biểu 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 sửdụng 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 chủđộng, chẳng hạn như hệ thống hỗ trợ giữ làn đường và hệ thống phanh khẩn cấp tự động

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 thểxung 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 khẩncấp tự động Cảm biến Ra đa thường được gắn ở cả bốn phía (trước, sau, trái và phải) của xe

- 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 trởlại máy thu, xác định khoảng cách, tốc độ và hướng của vật thể để cảnh báo cho người dùng

- 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 đốitượng đứng im hoặc di chuyển xung quanh ô tô Thiết bị Ra đa phát ra sóng vô tuyến, chạyvới tốc độ cực nhanh và phản xạ trở lại Ra đa khi có vật thể trên đường đi của nó

Hình 2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống ra đa FMCW trên ô tô

Ra đa sóng liên tục điều chế tần số (FMCW) hoạt động bằng cách truyền một tín hiệuchirp 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 bịtrễ và bản sao không bị trễ của tín hiệu truyền đi được trộn (nhân) với nhau Đầu ra của bộ

tín hiệu phản xạ thu được nên có thể xác định độ trễ của tín hiệu phản xạ

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

2 0

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 3: 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

của ăng ten:

2R c

 

(2.3)Công thức tính toán cự ly phát hiện mục tiêu [14]:

2 2 4

- 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 đổitín hiệu về thành tín hiệu có tần số fbeat Biến đổi FFT của tín hiệu này sẽ trích xuấtthông tin cự ly của mục tiêu Tần số beat của tín hiệu được tính theo công thức sau[14]:

2

beat

R B f

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

Hình 6: 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 Tínhiệu này được thực hiện biến đổi FFT theo chiều cự ly và số chirps (số chu kỳ lặp lại của tínhiệu thu phát) để trích xuất ra tần số Doppler chính là vận tốc chuyển động của ô tô

Hình 7: 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 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 vachạm

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

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

 Thách thức phát triển của Radar 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

Kích thước và giá thành: Radar ô tô cần phải nhỏ gọn và có giá thành hợp lý để có

thể trang bị cho nhiều loại xe khác nhau

 Xu hướng phát triển của Radar ô tô:

Radar sóng millimeter: Radar sóng millimeter có phạm vi hoạt động ngắn hơn so với

radar thông thường, nhưng có độ phân giải cao hơn và ít bị nhiễu bởi thời tiết Radar sóngmillimeter đang được sử dụng ngày càng phổ biến trong các ứng dụng an toàn cho ô tô, nhưphanh khẩn cấp tự động và cảnh báo điểm mù

Radar học máy: Học máy đang được sử dụng để phát triển các thuật toán radar mới

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

Radar sóng milimet 4D, còn được gọi là radar hình ảnh, là một cảm biến kết hợp giữaradar 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 sovới loại trước và chi phí có thể thấp bằng 1/10 so với loại sau.

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

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

Vùng không gian quan sát xung quanh vị trí ra đa thường có các chướng ngại gây phản

xạ sóng ra đa (các địa vật tự nhiên như núi đồi, cây cối, các tòa nhà cao tầng, các cột điệnthép, thanh chắn trên đường cao tốc, ) Nếu ở máy thu thu được tín hiệu phản xạ này vớicông suất đủ lớn thì sẽ gây ra hiện tượng đa trị mục tiêu (bóng ma) trên màn hình ra đa.Các mục tiêu phản xạ này có tính chất dựa trên cơ sở các nguyên lý về quy luật phản

xạ gương, về suy hao trong không gian, về suy hao do tính chất bề mặt phản xạ

Dựa trên những điểm tương đồng về mặt hình học, ta có thể áp dụng kiến thức về phản

xạ gương đối với hiện tượng đa đường Xét một mục tiêu thực phát sóng từ vị trí cự li R,

Hình 8: Hình ảnh mục tiêu ảo theo phản xạ gương

α là góc nghiêng của vật phản xạ so với pháp tuyến;

γr là phương vị của vật phản xạ;

X là khoảng cách từ điểm phản xạ trên mặt phản xạ tới chân đường pháp tuyến

dựng từ Ra đa đến mặt phẳng chứa mặt phản xạ;

Từ nguyên lý của phản xạ gương này qua các công thức tính toán ta xác định đượcvùng bị phản xạ khi mục tiêu đi vào và vùng mục tiêu ảo do vật phản xạ gây ra (tham chiếuHình 18)

- Xác định tương quan công suất của tín hiệu phản xạ:

Độ suy giảm công suất tín hiệu RF được tính toán thông qua các công thức suy haođường truyền trong không gian tự do và hệ số phản xạ của bề mặt phản xạ

Công thức tính suy hao đường truyền sóng trong không gian tự do [5]:

20.log( ) 20.log( ) 147, 5

Trong đó:

R[m] là cự li vật phát xạ đến máy thu ra đa;

f[Hz] là tần số sóng truyền đi trong không gian.

Hệ số phản xạ được tính như sau [5]: