tóm tắt đề án thạc sĩ ứng dụng kỹ thuật nén xung trong hệ thống radar theo dõi mục tiêu

Một trongcác giải pháp đã và đang được áp dụng phát triển hiện nay là sử dụng đài radar phát -thu tín hiệu dải rộng hay tín hiệu giả tạp và xử lý nén xung.. Sử dụng kỹ thuật thu nén xung

Lê Xuân Thành

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT NÉN XUNG TRONG HỆ THỐNG

RADAR THEO DÕI MỤC TIÊU

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

TÓM TẮT ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2024

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Trung Hiếu

Phản biện 1:

Phản biện 2:

Đề án tốt nghiệp sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm đề án tốt nghiệp thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

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

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật công nghệ, một loạt cácphương tiện bay với các kích cỡ khác nhau ra đời Vì vậy đòi hỏi các hệ thống radarphải được phát triển, áp dụng những nguyên lý kỹ thuật hiện đại để có khả năng pháthiện được mục tiêu trong các điều kiện có nhiễu tự nhiên và nhiễu nhân tạo Một trongcác giải pháp đã và đang được áp dụng phát triển hiện nay là sử dụng đài radar phát -thu tín hiệu dải rộng hay tín hiệu giả tạp và xử lý nén xung

Việc sử dụng tín hiệu dải rộng có rất nhiều những ưu điểm so với tín hiệu đơngiản như tăng nguồn năng lượng phát nhưng không tăng công suất xung do đó tăng cự

ly phát hiện Sử dụng kỹ thuật thu nén xung làm tăng khả năng phân biệt, điều này dẫntới tăng khả năng chống nhiễu tiêu cực dạng phân bố, ngoài ra dùng tín hiệu dải rộng

sẽ làm tăng đáng kể khả năng hoạt động của đài radar trong điều kiện có nhiễu tíchcực, với các ưu việt trên đối với các hệ thống radar hiện đại đều được thiết kế chế tạotrên cơ sở áp dụng tín hiệu phát xạ dải rộng và thu xử lý nén xung Do đó em chọn đề

“Ứng dụng kỹ thuật nén xung trong hệ thống radar theo dõi mục tiêu”

Đề án tập trung giải quyết vấn đề nghiên cứu cơ sở lý thuyết về tín hiệu dải rộng

và kỹ thuật nén xung, triển khai khối nén xung trên nền tảng FPGA, sau đó kiểmchứng hiệu quả nén với trường hợp có nhiễu và không có nhiễu, đánh giá hiệu suấtnén, mức búp phụ trong xung nén và đề xuất các giải pháp cải thiện hiệu quả nénxung

Em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Trung Hiếu, Khoa Kỹ thuật Điện tử 1,Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã tận tình hướng dẫn giúp em hoàn thành

đề án này

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ TÍN HIỆU DẢI RỘNG

1.1 Tổng quan hệ thống radar

1.1.1 Phân loại radar và các thành phần cơ bản của radar

Radar có thể phân loại theo chức năng và nhiệm vụ gồm: Radar khí tượng,radar cảnh giới, radar bám mục tiêu, radar điều khiển hoả lực, radar tránh địa vật … vàcũng có thể phân loại theo vị trí: Radar mặt đất, radar trên máy bay, radar vệ tinh hoặccác hệ thống radar trên tàu biển

Radar cũng có thể được phân loại theo những đặc trưng riêng của radar, như dảitần số, kiểu loại anten và dạng sóng sử dụng, phương pháp phát hiện mục tiêu

Hình 4 đưa ra sơ đồ khối của một radar xung đơn giản Thành phần của radarxung bao gồm:

- Khối đồng bộ: Tạo tín hiệu đồng bộ, tín hiệu kích phát đồng bộ bảo đảm liên

tục cho hệ thống

- Khối phát: Bộ tạo dạng sóng điều chế, bộ khuếch đại công suất cao đảm bảo tạo

tín hiệu công suất lớn theo yêu cầu

- Khối chuyển mạch anten: đảm bảo cho phép một anten sử dụng đồng thời 2 chế

độ phát và thu Khi phát nó dẫn năng lượng điện từ của radar hướng vào anten, khi thu

nó đưa tín hiệu về của radar vào máy thu

- Khối thu: gồm các bộ khuếch đại máy thu, các bộ lọc đảm bảo hệ số khuếch

đại, hệ số chọn lọc theo yêu cầu

- Khối xử lý, hiển thị: xử lý các tín hiệu phản hồi và tách hiệu mục tiêu trên nền

nhiễu, hiển thị các thông tin tín hiệu video, và các thông số mục tiêu (cự ly, phương vị,vận tốc…) trên màn hình

Khối tạo mã

Khối đồng bộ

Khối khuếch đại công suất

Khối xử lý tín hiệu Khối máy thu

Thông thường một radar phát và thu 1 dãy xung được minh họa như hình 5 Chu

kỳ xung là T và độ rộng xung là τ Chu kỳ xung thường gọi là chu kỳ lặp xung (Tl).

Nghịch đảo của chu kỳ lặp là tần số lặp, kí hiệu là Fl:

Hình 2 Dãy xung phát và thu radar

2 , hoặc cũng có thể lấy từ sự trở về từ mục tiêu

xa hơn ở cự ly R2 theo xung 1 Trong trường hợp này:

4 , t là độ rộng xung Trong trường hợp này, khi

sườn sau của xung chạm mục tiêu 2 sườn trước sẽ di chuyển trễ một khoảng ct và xungtrở về tạo thành từ sự trở về của 2 mục tiêu được đưa ra trên hình 6-a Tuy nhiên nếu 2mục tiêu cách nhau ít nhất một lượng

cΔtτ

2 thì sườn sau của xung chạm vào mục tiêu

thứ nhất, sườn trước sẽ bắt đầu trở về từ mục tiêu thứ 2 và 2 xung phân biệt đã đượctạo ra như minh hoạ ở hình 6-b

tc23

Mt 2 về

Mt 1 về

Mt 2 về

Mt 1 về

ct

ct ct

Xung phản xạ

Xung tới

Các xung phản xạ

Mt 2

Hình 3 (a) Không phân biệt được mục tiêu (b) Phân biệt được mục tiêu

Do đó độ phân biệt theo cự ly được xác định như sau:

DR=

cΔtτ

2 = 2 B cΔt (1.7)Với B là băng thông tín hiệu, theo công thức trên để đạt được độ phân biệt cự lytốt nhất thì độ rộng xung phải nhỏ nhất Tuy nhiên điều này dẫn tới làm giảm côngsuất phát trung bình và tăng dải thông hoạt động Để phân biệt cự ly tốt nhất mà vẫnduy trì đủ công suất phát trung bình có thể đạt được nhờ kỹ thuật nén xung

1.1.4 Tần số doppler

Radar sử dụng tần số doppler để trích xuất vận tốc xuyên tâm của mục tiêu, cũngnhư để phân biệt giữa các mục tiêu hoặc vật thể chuyển động và đứng yên như nhiễu.Hiệu ứng doppler mô tả sự dịch chuyển tần số trung tâm của dạng sóng tới do chuyểnđộng của mục tiêu so với nguồn bức xạ

LE: Sườn trước của xung TE: Sườn sau của xung.

F / c d

Fl/c

TE

Hình 4 Minh họa tác động mục tiêu chuyển động lên các xung

Với f0 là tần số mang của tín hiệu phát Tần số doppler fd được định nghĩa là hiệucủa -f0 Tần số Doppler xác định như sau:

(1.11)Khi v nhỏ hơn c rất nhiều thì:

(1.12)Công thức (1.12) chỉ ra rằng độ dịch tần Doppler tỷ lệ với vận tốc mục tiêu

1.2 Đặc trưng cơ bản của tín hiệu dải rộng

Để đặc trưng cho tính chất “đơn giản” hay “phức tạp” của tín hiệu thường dùng

giá trị B  fth* tx

Trong đó: fth là độ rộng phổ của tín hiệu;

tx làđộ rộng xung;

B là hệ số nén xung hay đáy của tín hiệu

Tín hiệu đơn giản gọi là tín hiệu dải hẹp được định nghĩa là tín hiệu có đáy xấp

0 0

' 0

v c

v 2 f

f v c

v c f f f

v 2

1.3 Các dạng tín hiệu dải rộng sử dụng trong radar xung.

1.3.1 Tín hiệu xung đơn

Hình 5 Tín hiệu xung đơn

Hình 6 Vật thể bất định 3D của xung đơn có độ rộng τ’ = 2s

Hình 7 Hàm bất định xung đơn theo lát cắt ngang

Hình 8 Hàm bất định xung đơn lát cắt theo trục tần số doppler (zero delay)

Hình 9 Hàm bất định xung đơn lát cắt theo trục thời gian (zero dopper)

Theo lát cắt trục tần số doppler có giá trị điểm không đầu tiên tại f d¿= 1/τ '

, do đó

độ phân giải tần số là 1/τ’ Với τ’ = 2, thì độ phân giải tần số bằng 0,5 Hz

Theo lát cắt trục thời gian có giá trị điểm không đầu tiên tại τ= τ '

, do đó độ phângiải theo thời gian giữ chậm là τ’ Với τ’ = 2, thì độ phân giải theo thời gian giữ chậmbằng 2s

1.3.2 Tín hiệu điều tần tuyến tính (LFM)

Hình 10 Dạng tín hiệu LFM (a) Tăng tần, (b) giảm tần

Hình 11 Vật thể bất định 3D của tín hiệu LFM có độ rộng τ’ = 1s và băng thông 10 Hz

Hình 12 Hàm bất định của tín hiệu LFM theo lát cắt ngang

Hình 13 Hàm bất định của tín hiệu LFM lát cắt theo trục thời gian (zero Doppler)

Hình 14 Hàm bất định của tín hiệu LFM lát cắt theo trục tần số doppler (zero delay)

Hình 19 Hàm bất định của mã B13 lát cắt theo trục tần số doppler (zero delay)

Hình 20 Hàm bất định của mã B13 lát cắt theo trục thời gian (zero Doppler)

Mã M:

Hình 21 Tín hiệu mã M 15 vị trí

Tín hiệu LFM

Tín hiệu mã Baker

Tín hiệu mã M

Linh hoạt thay đổi chiều

Tỉ lệ với chiềudài xung phát

Tỉ lệ vớichiều dàixung phát

Khả năng phân biệt theo

cự ly

Hạn chế, yêucầu máy phátcông suất cao

Khả năng phân biệt theo

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NÉN XUNG

2.1 Các giải pháp nén tín hiệu dải rộng

Bản chất của kỹ thuật nén xung là điều chế tín hiệu phát dải rộng tại phía phát

và tại phía thu thực hiện phép tính tương quan giữa tín hiệu phát đi và tín hiệu thu về

Có nhiều giải pháp để thực hiện kỹ thuật nén xung, điển hình là: nén xung trên miềnthời gian sử dụng bộ lọc phối hợp và nén xung trên miền tần số sử dụng biến đổi DFT/FFT

Như đã biết, độ rộng của tín hiệu dải rộng phụ thuộc vào tốc độ thay đổi củaphổ pha Do đó khi thiết kế bộ lọc cần phải tính tới giá trị của độ rộng tín hiệu Tínhiệu dải rộng vào bộ lọc phối hợp, bộ lọc sẽ điều chỉnh phổ pha của tín hiệu chúng tanhận được trên đầu ta bộ lọc một tín hiệu có độ rộng xác định bằng phổ năng lượng tínhiệu | g(ω)| 2 Độ rộng phổ biên độ của tín hiệu hay độ rộng phổ năng lượng của nó

gọi tắt là độ rộng của tín hiệu ở đầu ra bộ lọc Bởi vậy, hiển nhiên rằng phổ năng

lượng tín hiệu là phổ biên độ tín hiệu ở đầu ra bộ lọc Do đó độ rộng của tín hiệu ở đầu

ra bộ lọc có thể có độ rộng nhỏ hơn độ rộng tín hiệu ở đầu vào Như vậy, độ rộng tínhiệu T sau khi nén theo thời gian có độ rộng phổ được xác định bằng 1/F Quá trìnhnhư vậy gọi là nén tín hiệu theo thời gian Khả năng nén tín hiệu theo thời gian trên cơ

sở không phụ thuộc vào sự chọn lựa phổ pha và phổ biên độ của tín hiệu

Hình 22 (a) tín hiệu phức tạp u(t) độ rộng T và (b) tín hiệu ở lối ra bộ lọc phối hợp

Nén tín hiệu theo tần số xuất phát từ việc khảo sát tính hai mặt của mối quan hệtần số - thời gian Biết rằng một số tín hiệu bất kỳ có thể mô tả bằng hàm thời gian códạng:

u(t) = U(t) cos { (t)} khi 0<t<T, ở đây :U(t) là đường bao và (t) là pha củatín hiệu

Tín hiệu dải rộng được xác định bởi đặc trưng cơ bản là sự thay đổi pha của nó.Khi pha của tín hiệu có sự thay đổi mạnh thì phổ của nó rộng hơn Vậy nén tín hiệutheo tần số chính là sự bù pha tín hiệu (t) Sau sự bù pha, độ rộng phổ cố định chỉ cóđường bao thay đổi Như vậy, độ rộng tín hiệu T sau khi nén theo tần số có độ rộngphổ được xác định bằng

0

(a)

(b)0

T

1/F

2Tv(t)

2.2 Các phương pháp xử lý tín hiệu dải rộng trong radar

2.2.1 Xử lý bằng bộ lọc phối hợp tín hiệu radar

2.2.1.1 Bộ lọc phối hợp và đặc tính xung của nó

Trước hết, ta xét cho trường hợp tín hiệu có các tham số đã biết hoàn toàn và α

là thời gian giữ chậm

Trên hình 32 cho ta dạng tín hiệu và đặc tính xung của BLPH đối với một sốgiá trị của to

Hình 24 Dạng tín hiệu và đặc tuyến xung cần có của BLPH

2.2.2 Xử lý bằng bộ tương quan nhiều kênh

2.2.2.1 Máy thu tương quan thực hiện theo phương pháp cổ điển

Ưu điểm lớn nhất của xử lý tương quan so với BLPH đó chính là tính mềm dẻotrong việc xử lý các dạng tín hiệu khác nhau BLPH lưu trữ thông tin về tín hiệu pháttrong đặc tính của bộ lọc để làm cơ sở phát hiện tín hiệu có ích phản xạ về vì vậy mỗiBLPH chỉ lọc hiệu quả với một dạng tín hiệu cho trước, còn đối với phương pháp xử

lý tương quan thông tin về tín hiệu phát đi để làm cơ sở phát hiện tín hiệu có ích phản

xạ về được lưu trữ lại sau mỗi lần phát tín hiệu đi Có nghĩa là tín hiệu phát đi đượccập nhật liên tục, vì vậy chỉ cần sử dụng một bộ xử lý tương quan có thể xử lý đượcvới nhiều dạng tín hiệu khác nhau

Với công nghệ cũ các máy thu tương quan khá cồng kềnh, để đảm bảo thời gian quansát các máy thu tương quan phải xử dụng nhiều kênh song song

TP

Dây giữ chậm

X

X

X

So sánh

Hình 25 Sơ đồ máy thu nhiều kênh

Dễ thấy số kênh cần có để quan sát vùng có cự ly Dmin - Dmax ứng với tgcmin – tgcmax là:

Trong đó  tgc là khoảng thời gian ứng với khả năng phân biệt theo cự ly  Dmincủa

Hiện nay với sự phát triển của công nghệ số máy thu tương quan được thực hiện theo

sơ đồ như sau:

Tín hiệu phát

FFT *

Hình 26 Sơ đồ máy thu tương quan sử dụng FFT

Với cách thực hiện như thế này sẽ khắc phục được nhược điểm cồng kềnh của

hệ thống máy thu nhiều kênh Mặt khác vẫn phát huy được ưu điểm của phương pháp

xử lý tương quan đó là tính mềm dẻo trong xử lý các dạng tín hiệu khác nhau Sơ đồtrên dựa trên cơ sở thuật toán của BLPH như sau:

Tín hiệu đầu ra của BLPH là:

Trong các biểu thức trên ta đã biết:

 h(t) là đặc tính xung bộ lọc, là ảnh gương của tín hiệu phát xạ

 y(t) là tín hiệu phản xạ của tín hiệu phát

Như ta đã biết w(t) là hàm tương quan của tín hiệu phát và tín hiệu phản xạ của nó.

Mô phỏng trên Matlab:

Tuy phương pháp nén là phương pháp tương quan, nhưng tín hiệu đầu ra giống vớiđầu ra của BLPH Vì vậy khi phân tích các công thức toán học ta tận dụng kết quả củaBLPH

2.3 Ưu nhược điểm của các phương pháp xử lý

Bảng 2: So sánh ưu nhược điểm các phương pháp nén xung

- Suy hao xử lý bằng BLPH nhỏ, chobiên độ tín hiệu đầu ra gần như lớnnhất

- Thời gian xử lý nhanh hơn phươngpháp tương quan nhiều kênh

- Chỉ xử lý được khi đã biếtcác tham số dạng tín hiệuphát

- Yêu cầu độ ổn định tín hiệuphát cao do đó yêu cầu độ

ổn định về pha tuyến phát,phụ thuộc vào tuyến phát

hệ thống

So sánh ưu nhược điểm các phương pháp xử lý tín hiệu dải rộng, trong chương

I, đã lập luận để chọn ra tín hiệu phát LFM là dạng tín hiệu đã biết, do đó trong nộidung của đề án sẽ triển khai xây dựng bộ nén xung trên miền thời gian sử dụngphương pháp BLPH để xử lý nén xung tín hiệu LFM

Chương 3: MÔ PHỎNG VÀ TRIỂN KHAI THỰC TẾ

Trong các chương 1 trình bày về các dạng tín hiệu có khả năng nén xung và cácđặc tính của tín hiệu, trong chương 2 trình bày về các phương pháp xử lý với tín hiệudải rộng Trong chương 3 sẽ trình bày về một bài toán cụ thể trong radar sử dụng tínhiệu phát dải rộng và thu xử lý nén xung với tín hiệu dải rộng, mô phỏng và triển khaithực tế, đưa ra kết quả và đánh giá

3.1 Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống hệ thống radar sử dụng phát tín

hiệu dải rộng và thu xử lý nén xung

 Yêu cầu đầu vào:

Thiết kế đài radar cảnh giới theo dõi mục tiêu đảm bảo các chỉ tiêu cơ bản sau:

- Cự ly phát hiện lớn nhất Rmax =120 km

- Cự ly phát hiện nhỏ nhất Rmin =3km

- Độ phân biệt theo cự ly, DR = 300m

 Tính toán và lựa chọn tham số hệ thống với bộ nén xung:

- Cự ly phát hiện lớn nhất: Ru = c

T

cΔt 2Fl

 Xây dựng mô hình bộ nén xung:

Hình 27 Bộ nén xung tín hiệu LFM

Hình trên biểu diễn bộ nén xung tín hiệu LFM lý tưởng (tham khảo tài liệu [3]trang số 245) Hình a biểu diễn đường bao của xung tín hiệu phản xạ từ mục tiêu, hình

b biểu diễn quy luật chế LFM với băng thông B =f2- f1, hình c biểu diễn đặc tuyến của

bộ lọc phối hợp, hình d biểu diễn đường bao xung nén, hình e biểu diễn dạng sóng đầuvào, đầu ra của bộ lọc phối hợp

 Mô phỏng lý thuyết với tham số đã tính toán:

Giả sử có 4 mục tiêu xuất hiện có diện tích phản xạ hiệu dụng lần lượt là 1m2, 4m2,4m2, 16m2 tại vị trí 3km, 70km, 70.3km, 100km Kết quả mô phỏng như sau:

Hình 28 Tín hiệu phát LFM

Hình 29 Tín hiệu mục tiêu phản hồi

Hình 30 Tín hiệu sau khối nén xung của 4 mục tiêu

Hình 31 Công suất các tín hiệu sau nén

Tín hiệu sau nén xung của 4 mục tiêu biểu diễn trên các đỉnh (búp chính), xuất hiện tạicác vị trí lần lượt là 3km, 70km, 70,3km và 100km Tín hiệu sau khi nén xung ngoàiphần năng lượng tập trung ở búp chính, còn có các búp phụ Tỉ số búp chính/ nền tạpkhoảng 38dB tương đương hệ số nén 80 lần, tỉ số búp chính/búp phụ (PL/SL) sau nénkhoảng 13dB, nhiễu hoặc jammer tác động tại búp phụ có thể gây ra báo động lầm Đểlàm giảm mức công suất của búp phụ có thể sử dụng các loại cửa sổ khác nhau (đặctính các loại cửa sổ trình bày hình số 42 tham khảo tài liệu [4] trang số 512) Cửa sổ

giúp làm tăng tỉ số PL/SL, đồng thời làm mở rộng búp chính (giảm độ phân giải cự ly)

và tăng suy hao búp chính (giảm khả năng phát hiện)

3.2 Triển khai thực tế khối xử lý nén xung

IF TX

DDC DDC DDC

PC PC PC

Monopulse Processor

Detector

Video Processor

Integration SLC

Jammer Processor

WF Gen

CONTROL BLOCK UBLOCK

GPS

Monitor Sync Control Sensor

Encoder Inclinometer TRM TRX AC/DC D

CONTROL & MONITOR SLB

XỬ LÝ TÍN HIỆU PHÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN

Hình 33 Sơ đồ khối nén xung triển khai thực tế trên DSP Buider

Bảng 3: Mô tả tín hiệu vào, ra khối nén xung

STT Loại tham

1 Tham số đầu

vào

Số tín hiệu đầu vào

Số bit đầu vào kênh REF I, REF Q

17