Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật viễn thông: Tái tạo hình ảnh độ phân giải cao sử dụng hệ thống radar FMCW khẩu độ tổng hợp ở bước sóng milimet

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Mã số: 8520208

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Trịnh Xuân Dũng

Cán bộ chấm nhận xét 1: GS.TS Lê Tiến Thường

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS Võ Nguyễn Quốc Bảo

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 04 tháng 07 năm2022.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:1 Chủ tịch Hội đồng: PGS.TS Đỗ Hồng Tuấn2 Thư ký Hội đồng: TS Võ Quế Sơn

3 Phản biện 1: GS.TS Lê Tiến Thường4 Phản biện 2: PGS.TS Võ Nguyễn Quốc Bảo5 Ủy viên: PGS.TS Trần Trung Duy

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luậnvăn đã được sửa chữa.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Cao Hồng Phúc MSHV: 1970074Ngày, tháng, năm sinh: 09/02/1996 Nơi sinh: TP.HCMChuyên ngành: Kỹ Thuật Viễn Thông Mã số: 8520208I TÊN ĐỀ TÀI: Tái tạo hình ảnh độ phân giải cao sử dụng hệ thống radar FMCW khẩu độ tổng hợpở bước sóng milimet (Tên tiếng anh: High resolution mmWave imaging using FMCW synthetic aperture

radar)

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:1 Nghiên cứu về hệ thống Radar FMCW và các ứng dụng cơ bản của hệ thống để đo đạc thông tin vềkhoảng cách, vận tốc và hướng tương đối giữa hệ thống radar và các vật thể trước hệ thống .

2 Đánh giá các hiệu quả của hệ thống (sai số, giới hạn hoạt động, ) .

3 Xây dựng các giải thuật tính khoảng cách, vận tốc, góc đến của vật thể Mô phỏng trên Matlab vớidữ liệu giả lập và dữ liệu thực từ các module phần cứng mmWave Radar .

4 Nghiên cứu giải thuật tái tạo hình ảnh sử dụng hệ thống Radar khẩu độ tổng hợp (Synthetic ApertureRadar - SAR), đánh giá hiệu quả, độ phân giải, tầm hoạt động, của giải thuật và sự phụ thuộc củahiệu quả giải thuật vào các thông số của hệ thống Radar và đề xuất phương pháp cải tiến hiệu quả củagiải thuật nếu có .

5 Xây dựng giải thuật giả lập tín hiệu sau bộ trộn tần của hệ thống Radar, kết hợp với giải thuật táitạo hình ảnh SAR để hoàn thiện toàn bộ hệ thống mô phỏng tái tạo hình ảnh Radar khẩu độ tổng hợp.6 Nghiên cứu khả năng triển khai hiện thực hóa hệ thống Radar tái tạo hình ảnh SAR sử dụng modulephần cứng Radar mmWave và robot 2 trục XY .

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 22/02/2021

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 13/06/2022

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Trịnh Xuân Dũng Tp HCM, ngày 13 tháng 06 năm 2022

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến TS Trịnh Xuân Dũng, ngườiThầy - vô cùng nhiệt huyết, tận tâm và là nguồn kiến thức tuyệt vời - đã hướng dẫn và giúp đỡ tôi trongsuốt quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ này Thầy đã đồng hành và hỗ trợ tôi từ những năm tháng đạihọc đến hiện tại Trong suốt quãng thời gian ấy, Thầy không chỉ truyền đạt những kiến thức chuyên mônđến tôi, mà Thầy còn chia sẻ với tôi những bài học về cuộc sống thật chân tình và vô cùng quý báu Tôi

xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy trong Khoa Điện - Điện Tử đã luôn hướng dẫn nhiệt huyết qua các mônhọc từ lúc Đại học cho đến Cao học, bởi dù ít dù nhiều đã góp phần củng cố và bồi đắp kiến thức đểtôi có khả năng hoàn thành luận văn này Bên cạnh đó, các anh em bạn bè gần xa đã hỗ trợ tôi về mặtkỹ thuật trong quá trình thực hiện đề tài luận văn này cũng xin được ghi nhớ! Tôi cũng xin gửi lời cảmơn đến bộ môn Viễn Thông, khoa Điện - Điện Tử, trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP HCM đã hỗtrợ tôi có điều kiện về cơ sở vật chất và các phòng thí nghiệm, phòng học để tôi có thể hoàn thành luậnvăn một cách tốt nhất! Luận văn này được thực hiện trong một hoàn cảnh vô cùng đặc biệt, khi mà suốt

những năm qua (2019-2022) dịch bệnh COVID-19 xảy ra làm đảo lộn cuộc sống của biết bao nhiêu conngười chúng ta, và vẫn đang hoành hành trên khắp thế giới Ảnh hưởng đến nhiều mặt của xã hội, đặcbiệt là Việt Nam thân yêu này Tuy gặp rất nhiều khó khăn, nhưng thật may mắn rằng cho đến giờ phútnày mọi việc cũng đã dần ổn hơn trước! Đây là một kỷ niệm khó quên trong quãng thời gian của tôi khihọc tập tại trường Đại học Bách Khoa Thật hạnh phúc và hãnh diện vì được học tập và trải nghiệmnhiều điều dưới mái trường này! Xin cảm ơn gia đình lớn Bách Khoa rất nhiều!

Tp Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 06 năm 2022

Nguyễn Cao Hồng Phúc

TÓM TẮT

Nghiên cứu và triển khai các ứng dụng về công nghệ sóng mmWave ở dải tần 77 Ghz đến 81 Ghztrên hệ thống mô-đun FMCW radar của hãng Texas Instrument (TI) là một đề tài thú vị và cũng nhiềuthách thức Đầu tiên, các yếu tố ảnh hưởng đến việc tái tạo hình ảnh 2D của vật mục tiêu bởi hệ thốngđược cân nhắc và nhận định Tiếp theo, phần lý thuyết nền tảng về công nghệ điều chế tần số sóng liêntục FMCW (Frequency-Modulated Continuous-Wave) được nghiên cứu và phân tích qua các đại lượngquan trọng về khoảng cách, vận tốc và góc đến Bên cạnh đó, việc tìm hiểu về các thành phần cấu tạovà cơ chế hệ thống radar FMCW qua các mô-đun phần cứng của hãng TI cũng được đề cập cũng nhưcác kĩ thuật hỗ trợ (SISO/SIMO-SAR) cho việc quét vật và tái tạo ảnh Với mục tiêu nắm bắt rõ hơn vềnhững lý thuyết đã nghiên cứu, việc xây dựng dữ liệu mô phỏng và giải thuật phân tích các dữ liệu đócũng được triển khai và đánh giá chi tiết trong luận văn này Các thí nghiệm với dữ liệu mô phỏng và dữliệu thật thông qua việc đo vật cũng được thực hiện để đánh giá thông qua các đại lượng khoảng cách,vận tốc và góc đến của vật mục tiêu đến hệ thống radar.

Ngoài ra, luận văn này tiến đến việc nghiên cứu các giải thuật tái tạo ảnh, thực hiện thử nghiệmđánh giá mức độ tin cậy của các giải thuật và lý thuyết cơ sở thông qua việc tự triển khai thuật toánvà dữ liệu mô phỏng tín hiệu sau bộ trộn tần (IF signals) trên MATLAB Việc đánh giá mô phỏng thựchiện thành công, bước tiếp theo là triển khai thực hiện một hệ thống thực tự động hóa cho việc quét vậtvà thu thập dữ liệu đã được thực hiện Sau cùng, các dữ liệu thô đã thu thập được xử lý và chuẩn hóathành định dạng dữ liệu phù hợp phục vụ cho việc tái tạo hình ảnh 2D của vật thể mục tiêu bởi các giảithuật Sự phân tích và đánh giá các kết quả thực nghiệm cũng được đề cập chi tiết Bên cạnh đó, các ưuđiểm, mặt hạn chế và hướng phát triển trong tương lai cũng được nêu rõ trong luận văn này.

Researching and implementing applications of mmWave technology in the 77 Ghz to 81 Ghz frequencyband on the Texas Instrument (TI) FMCW radar module system is an interesting and challenging topic.First, the factors affecting the 2D image reconstruction of the target object by the system are consideredand identified Next, the theoretical foundation of FMCW (Frequency-Modulated Continuous-Wave)technology is studied and analyzed through important quantities of range, velocity and angle of arrival Inaddition, learning about FMCW radar system components and mechanisms through TI hardware modulesis also mentioned as well as supporting techniques (SISO/SIMO-SAR) for object scanning and imagereconstruction With the goal of better grasping the studied theories, the construction of simulation dataand algorithms to analyze those data are also deployed and evaluated in detail in this thesis Experimentswith simulated data and real data through object measurement are also carried out to evaluate throughthe quantities of range, velocity and angle of arrival of the target object to the radar system.

In addition, this thesis proceeds to study image reconstruction algorithms, perform tests to evaluatethe reliability of algorithms and basic theory through self-implementation of algorithms and simulateddata right after the mixer (IF signals) on MATLAB The simulation evaluation is successful, the next stepis to implement a real system automation for object scanning and data collection has been implemented.Finally, the collected raw data is processed and normalized into a suitable data format for 2D imagereconstruction of the target object by the algorithms The analysis and evaluation of experimental resultsare also covered in detail Besides, the advantages, limitations and future development directions are alsoclearly stated in this thesis.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên Nguyễn Cao Hồng Phúc, là học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Viễn Thông, khóa 2019,tại Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Quốc Gia TP.HCM Tôi xin cam đoan những nội dung sauđều là sự thật:

- Công trình nghiên cứu này hoàn toàn do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS TrịnhXuân Dũng.

- Các tài liệu và các trích dẫn trong luận văn đều được tham khảo từ các nguồn thực tế, uy tín vàđộ chính xác cao.

- Các số liệu và kết quả thực nghiệm được thực hiện một cách độc lập và hoàn toàn trung thực.

Tp Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 06 năm 2022

Nguyễn Cao Hồng Phúc

1.2.2 Nhiệm vụ luận văn 2

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu 2

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu 2

1.5 Bố cục của luận văn 3

1.6 Các bài báo đã hoàn thành trong luận văn 3

2 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN 52.1 Hệ thống tái tạo hình ảnh 2D bằng SAR mm-Wave Radar 5

2.1.1 Tổng quan 5

2.1.2 Các yếu tố cần quan tâm khi xây dựng một hệ thống tái tạo ảnh độ phân giải cao 62.1.2.1 Tính chính xác và ổn định của hệ thống dịch chuyển vị trí radar 6

2.1.2.2 Mức độ phức tạp của hệ thống 6

2.1.2.3 Khối lượng dữ liệu cần thu thập và xử lý 6

2.2 Công nghệ Radar điều chế tần số sóng liên tục FMCW (Frequency-Modulated Wave) 7

Continuous-2.2.1 Tổng quan công nghệ Radar FMCW 7

2.2.2 Cấu tạo và cơ chế hệ thống Radar FMCW 8

2.2.2.1 Bộ phát sóng 8

2.2.2.2 Bộ thu sóng 10

2.2.2.3 Bộ xử lý và lưu trữ tín hiệu 11

2.2.3 Lý thuyết nền tảng Radar FMCW 12

2.2.3.1 Lý thuyết ước lượng khoảng cách 12

2.2.3.2 Lý thuyết ước lượng vận tốc 15

2.2.3.3 Lý thuyết ước lượng góc đến 19

2.2.4 Hệ thống SISO/SIMO/MISO/MIMO-SAR Radar 22

2.2.4.1 Hệ thống SISO - SIMO - MISO - MIMO Radar 22

2.2.4.2 Kĩ thuật khẩu độ tổng hợp SAR (Synthetic Aperture Radar) 23

2.3 Kết luận chương 23

3 XÂY DỰNG DỮ LIỆU MÔ PHỎNG VÀ GIẢI THUẬT PHÂN TÍCH KHOẢNGCÁCH, VẬN TỐC, GÓC ĐẾN CỦA VẬT THỂ TRÊN MATLAB 253.1 Mục tiêu 25

3.2 Tổng quan module IWR1642BOOST và DCA1000 25

3.2.1 Tổng quan module IWR1642BOOST 25

3.2.2 Tổng quan module DCA1000 26

3.2.3 Định dạng dữ liệu radar 28

3.2.3.1 Định dạng dữ liệu radar gửi từ DCA1000EVM đến máy tính 28

3.2.3.2 Định dạng dữ liệu radar để phân tích 28

3.3 Phương pháp xây dựng dữ liệu mô phỏng đầu cuối của hệ thống Radar FMCW 29

3.3.1 Tính toán tham số của tín hiệu 29

3.3.2 Xây dựng mô hình tín hiệu 30

3.3.3 Lưu đồ giải thuật dữ liệu mô phỏng 31

3.3.4 Triển khai giải thuật trên MATLAB 31

3.4 Phương pháp phân tích dữ liệu mô phỏng 33

3.4.1 Quá trình tính khoảng cách thông qua tần số 33

3.4.2 Xử lý pha ban đầu và tính toán vận tốc, góc đến 36

3.4.2.1 Tính toán vận tốc 39

3.4.2.2 Tính toán góc đến 39

3.4.3 Lưu đồ giải thuật phương pháp phân tích dữ liệu mô phỏng 40

3.5 Kết quả thực nghiệm và đánh giá 40

3.5.1 Một vật trước radar chuyển động dọc theo phương của vật và radar 40

3.5.2 Nhiều vật trước radar có những vận tốc khác nhau, cùng góc đến 40

3.5.3 Vật thực trước radar có vị trí trực diện và đứng yên 44

3.6 Kết luận chương 46

4 NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT TÁI TẠO ẢNH VÀ XÂY DỰNG GIẢI THUẬT GIẢLẬP TÍN HIỆU SAU BỘ TRỘN TẦN CỦA HỆ THỐNG RADAR 474.1 Giải thuật tái tạo hình ảnh 2D sử dụng SAR mm-Wave Radar 47

4.1.1 Tín hiệu một cặp ăng-ten thu-phát (monostatic transceiver - SISO) 48

4.1.2 Giải thuật tái tạo hình ảnh sử dụng K-Interpolation với dữ liệu SAR 51

4.1.3 Giải thuật tái tạo hình ảnh sử dụng Matched Filter với dữ liệu SAR 53

5.1.1 Mô hình phần cứng 60

5.1.2 Mô hình phần mềm tích hợp vào hệ thống 60

5.2 Triển khai xây dựng hệ thống thực quét vật và tái tạo ảnh 62

5.2.1 Xây dựng và chuẩn hóa bộ dữ liệu thu thập 62

5.2.2 Thực hiện quét vật thật trực diện 63

5.2.3 Phân tích và đánh giá các kết quả đã thực hiện 64

5.3 Kết luận chương 67

6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU KẾ TIẾP 686.1 Kết luận chung 68

6.1.1 Các công việc đã thực hiện được 68

6.1.2 Những hạn chế của luận văn 69

6.2 Hướng phát triển 69

Phụ lục 1: Code Matlab xử lý và chuyển đổi dữ liệu thô thành dữ liệu 3-D datacube 81

Phụ lục 2: Code Matlab khởi tạo tín hiệu mô phỏng ngay sau bộ trộn tần 85

Phụ lục 3: Code Matlab giải thuật dùng K-Interpolation và Matched Filter cho tái tạo

Danh sách hình vẽ

2.1 Các dạng sóng FMCW 8

2.2 Sơ đồ giản lược radar FMCW 8

2.3 Sơ đồ cấu tạo đơn giản của bộ phát sóng 9

2.4 Chirp được tạo ra bởi bộ tạo sóng 9

2.5 Mối quan hệ giữa tần số - thời gian của chirp 9

2.6 Sơ đồ cấu tạo đơn giản bộ thu sóng 10

2.7 Chirp phát và chirp thu 10

2.8 Tín hiệu trung tần từ việc trộn tần cặp chirp phát – thu 11

2.9 Sơ đồ khối xử lý số và lưu trữ tín hiệu 11

2.10 Thời gian trễ giữa Chirp phát và Chirp thu 12

2.11 Khoảng cách d giữa vật và radar 12

2.12 Độ phân giải khoảng cách giữa hai vật 13

2.13 Tín hiệu từ hai vật thể thu về được 13

2.14 Tín hiệu có các thành phần tần số bị trùng do độ phân giải thấp 13

2.15 Tăng thời gian tín hiệu 14

2.16 Tín hiệu tách rời nhau ở miền tần số 14

2.17 Tín hiệu IF phải được lấy mẫu trước khi được lưu trữ 15

2.18 Hai vật cùng khoảng cách tới radar 15

2.19 Hai pha ban đầu khác nhau của hai tín hiệu có cùng khoảng cách – tần số 16

2.20 Độ trễ và độ lệch pha giữa hai Chirp RX liên tiếp 16

2.21 Đỉnh tần số góc của tín hiệu sau biến đổi FFT rời rạc (D-FFT) [1] 18

2.22 Một frame của radar 18

2.23 Các trường hợp chênh lệch pha giữa các Chirp 18

2.24 Đo góc của một vật trước radar cần từ hai kênh thu trở lên 19

2.25 Sự chênh lệch về quãng đường đi của sóng phản xạ từ một vật tới 2 ăng-ten thu 20

2.26 Phân tích hình học sóng tới ăng-ten thu 20

2.27 Biến đổi DFFT để tìm các độ lệch pha khác nhau từ các kênh thu 20

2.28 Các trường hợp độ lệch pha giữa hai kênh thu 21

2.29 Tổng quan 4 mô hình liên kết vô tuyến của radar 23

2.30 Mô hình tổng quan radar khẩu độ tổng hợp (SAR) 24

3.1 Board IWR1642 Radar 26

3.2 Sơ đồ khối module IWR1642 26

3.3 Hình ảnh mặt trên của board DCA1000EVM 27

3.4 Cấu trúc dữ liệu radar thực trong file bin [2] 28

3.5 Cấu trúc dữ liệu radar phức trong file bin từ module IWR1642 và DCA1000EVM [2] 28

3.6 Định dạng dữ liệu đầu vào khâu phân tích [3] 28

3.7 Quỹ đạo chuyển động của vật 29

3.8 Sơ đồ giải thuật hàm tạo một frame dữ liệu 32

3.9 Minh họa dữ liệu của một frame 32

3.10 Đồ thị tín hiệu Chirp 1, RX 1 trên miền thời gian 33

3.11 Đồ thị tín hiệu Chirp 1, RX 1 trên miền tần số 34

3.12 Phóng lớn giá trị của đồ thị Chirp 1, Rx 1 trong miền tần số 34

3.13 Đồ thị vị trí – giá trị của vector kết quả FFT 35

3.14 Đồ thị tín hiệu Chirp 1, Rx 1 miền thời gian của ba vật gần nhau 36

3.15 Đồ thị tín hiệu Chirp 1 của 3 vật thể gần nhau ở miền tần số 37

3.16 Đồ thị vị trí – giá trị của vector kết quả FFT sau khi đệm so le số 0 38

3.17 Minh họa kết quả FFT số phức 38

3.18 Mảng dữ liệu với số chỉ cột là vị trí khoảng cách, chứa thông tin pha ban đầu 39

3.19 Mảng dữ liệu lưu trữ vận tốc của các vật ở kênh thu thứ nhất 39

3.20 Kết quả tính toán góc đến cho chirp thứ nhất của các vật 40

3.21 Sơ đồ giải thuật phân tích dữ liệu 41

3.22 Số liệu triển khai trên phần mềm ở Bảng3.4 41

3.23 Các kết quả mảng dữ liệu từ phân tích khung dữ liệu dựa trên đầu vào ở Bảng3.4 42

3.24 Số liệu triển khai trên phần mềm ở Bảng3.5 43

3.25 Kết quả mảng dữ liệu từ phân tích khung dữ liệu dựa trên đầu vào ở Bảng3.5 43

3.26 Mô hình đo đạc vật thật 44

3.27 Kết quả phân tích đo đạc vật thật 45

4.1 Hình dạng của mô hình hệ thống quét vật 48

4.2 Các tham số đánh giá của tín hiệu chirp FMCW 49

4.3 Khối dữ liệu SAR băng thông rộng đơn tĩnh 3-D, s(x, y, k) 50

4.4 Lưu đồ giải thuật K-Interpolation 52

4.5 Lưu đồ giải thuật Matched Filter 54

4.6 Lưu đồ tóm tắt các bước triển khai tín hiệu mô phỏng vật thể 56

4.7 Mô hình vật thể dưới dạng số liệu 57

4.8 Mô hình các vật thể 57

4.9 Kết quả hình ảnh mô phỏng trường hợp z0= 280mm 58

4.10 Kết quả hình ảnh mô phỏng trường hợp z0= 500mm 59

5.1 Hai mô-đun quan trọng trong hệ thống tái tạo ảnh 61

5.2 Hệ thống tái tạo hình ảnh thực tế dùng trên hệ trục XY-X Yamaha 61

5.3 Tổng quan kết nối của hệ thống và khối phần mềm xử lý 62

5.4 Cấu hình mặt phẳng khẩu độ quét vật 62

5.5 Cấu hình thông số Chirp 63

5.6 Khối dữ liệu 3-D SAR 63

5.7 Sơ đồ các bước xử lý dữ liệu thô 64

5.8 Lưu đồ các bước thu thập dữ liệu tự động 65

5.9 Tổng quan môi trường quét vật 65

5.10 Kết quả 3D và 2D qua xử lý của hai phương pháp 66

1 Bảng thông số thí nghiệm 98

2 Giao diện ban đầu mmWave GUI 99

3 Giao diện thông số quan trọng 99

4 Các mục lưu ý điều chỉnh thông số 100

5 Môi trường 1 100

6 Kết quả MT1 trên mmWave GUI-1 101

7 Kết quả MT1 trên mmWave GUI-2 101

8 Thực nghiệm môi trường 2 (MT2) 102

3.1 Thông số cấu hình radar cho những ứng dụng tiêu biểu [4] 27

3.2 Thông số 3 vật thể phục vụ ví dụ FFT 33

3.3 Thông số 3 vật có khoảng cách gần nhau 35

3.4 Thông số vật chuyển động trước radar có khoảng cách là bội số của độ phân giải khoảngcách 40

3.5 Thông số 3 vật trước radar với những vận tốc khác nhau 42

3.6 Thông số vật thật trước radar 44

4.1 Danh sách các thông số tiêu biểu của FMCW radar 50

4.2 Các thông số tiêu biểu mô phỏng vật của FMCW radar 56

4.3 Bảng giá trị các thông số cho từng trường hợp z0= 280mm 56

4.4 Bảng giá trị các thông số cho từng trường hợp z0= 500mm 58

5.1 Tổng hợp các thông số quan trọng cho các thí nghiệm đã thực hiện 66

Từ viết tắt

ADC Analog to Digital Converter (Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số)FFT Fast Fourier Transform (Biến đổi nhanh Fourier)

FMCW Frequency-Modulated Continuous-Waves (Sóng điều chế tần số liên tục)

MIMO Multiple Input Multiple Output (Nhiều đầu phát, nhiều đầu thu)MISO Multiple Input Single Output (Nhiều đầu phát, một đầu thu)

MSP Method of Stationary (Phương pháp pha tĩnh)

RADAR Radio Detection and Ranging (Sóng vô tuyến phát hiện và định vị)

SAR Synthetic Aperture Radar (Radar khẩu độ tổng hợp)

SIMO Single Input Multiple Output (Một đầu phát, nhiều đầu thu)SISO Single Input Single Output (Một đầu phát, một đầu thu)

USRR Ultra-short Range Radar (Radar tầm cực ngắn)

MỞ ĐẦU

Công nghệ hình ảnh sóng milimet (mmWave) đã thu hút được sự chú ý đáng kể trong những năm gầnđây và đóng một vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng bao gồm chẩn đoán y tế [5]-[6], sàng lọc bảomật [7] và kiểm tra cấu trúc [8] Trong những năm gần đây, công nghệ bán dẫn đã đạt được nhiều tiếnbộ vượt bậc cho phép các giải pháp cảm biến tiết kiệm chi phí phần cứng Tuy nhiên, việc triển khai cácbộ thu phát cần thiết tái tạo hình ảnh độ phân giải cao vẫn là một nỗ lực đầy thách thức.

Luận văn này đề cập đến các lý thuyết nền tảng của công nghệ sóng mmWave, cụ thể là FMCWradar và một số kỹ thuật thực hiện thí nghiệm đo đạc khoảng cách, vận tốc, góc đến của tín hiệu giữaradar và vật mục tiêu Sau đó, các giải thuật và hệ thống tái tạo hình ảnh vật thể mục tiêu dùng sóngmmWave ở trường gần được nghiên cứu và triển khai Trong đó, một cặp ăng-ten thu-phát (SISO) khẩuđộ tổng hợp SAR được sử dụng Các kỹ thuật và thuật toán khác tăng độ chính xác của tín hiệu, giảmnhiễu trên MATLAB cũng được thực hiện để nâng cao chất lượng tín hiệu truyền nhận và tái tạo hìnhảnh hai chiều (2-D) chất lượng hơn.

Luận văn nghiên cứu, triển khai hệ thống qua các mục tiêu sau:

1 Nghiên cứu về hệ thống Radar FMCW và các ứng dụng cơ bản của hệ thống để đo đạc thông tinvề khoảng cách, vận tốc và hướng tương đối giữa hệ thống radar và các vật thể trước hệ thống.

2 Đánh giá các hiệu quả của hệ thống (sai số, giới hạn hoạt động, ).

3 Xây dựng các giải thuật tính khoảng cách, vận tốc, góc đến của vật thể Mô phỏng trên Matlab vớidữ liệu giả lập và dữ liệu thực từ các module phần cứng mmWave Radar.

4 Nghiên cứu giải thuật tái tạo hình ảnh sử dụng hệ thống Radar khẩu độ tổng hợp (SyntheticAperture Radar - SAR), đánh giá hiệu quả, độ phân giải, tầm hoạt động, của giải thuật và sựphụ thuộc của hiệu quả giải thuật vào các thông số của hệ thống Radar và đề xuất phương pháp

cải tiến hiệu quả của giải thuật nếu có.

5 Xây dựng giải thuật giả lập tín hiệu sau bộ trộn tần của hệ thống Radar, kết hợp với giải thuật táitạo hình ảnh SAR để hoàn thiện toàn bộ hệ thống mô phỏng tái tạo hình ảnh Radar khẩu độ tổnghợp.

6 Nghiên cứu khả năng triển khai hiện thực hóa hệ thống Radar tái tạo hình ảnh SAR sử dụngmodule phần cứng Radar mmWave và robot 2 trục XY.

Nghiên cứu các giải thuật, xây dựng hệ thống tái tạo hình ảnh độ phân giải cao sử dụng hệ thống RadarFMCW khẩu độ tổng hợp ở bước sóng milimet.

Hệ thống tái tạo hình ảnh dùng trong luận văn này được xây dựng dựa trên hai tiền đề thuật toán táitạo ảnh là K-interpolation và Matched filter và nền tảng công nghệ radar FMCW với bước sóng milimetthông qua việc sử dụng module IWR1642BOOST được sản xuất bởi hãng Texas Instruments và moduleDCA1000 nhận dữ liệu và xử lý Các giá trị mô phỏng và giá trị thực thu thập sẽ được đưa về máy tínhvà xử lý, tính toán và đánh giá bằng phần mềm Matlab.

Hệ thống FMCW Radar tái tạo hình ảnh vật thể 2D dùng trong luận văn này được xây dựng và áp dụngtrong môi trường một phòng làm việc thông thường, với các vật dụng và thiết bị văn phòng xung quanhcơ bản như bàn, ghế làm việc, máy tính để bàn, các thùng giấy có chứa các vật dụng khác nhau Các vậtthể được dùng thí nghiệm để đo đạc hoặc tái tạo hình ảnh là vật kim loại như chìa khóa, ổ khóa, hộpkim loại.

Trong đề tài này, phương pháp nghiên cứu được sử dụng là kế thừa các công trình nghiên cứu trước đây.Các công trình liên quan được khảo sát, phân tích, tổng hợp, và đánh giá ưu nhược điểm Hệ thống triểnkhai được thực nghiệm bằng giải thuật tín hiệu mô phỏng và tín hiệu dữ liệu thật thông qua việc đo đạcvà quét vật Các hệ thống phần cứng, phần mềm, lập trình giải thuật được tích hợp nhằm đánh giá hiệuquả, đi sâu hơn về việc phân tích các ưu điểm, các kết quả dựa trên tính kỹ thuật và chỉ ra các vấn đềcòn cần được nghiên cứu để tiếp tục phát triển Cuối cùng đề tài đưa ra một hệ thống thực tế để chứngminh khả năng hiện thực hóa các giải thuật tái tạo hình ảnh.

Phương pháp nghiên cứu trình bày qua các bước sau:1 Tìm kiếm các tài liệu, công trình nghiên cứu liên quan.

2 Đọc và xem xét tổng quan các công trình nghiên cứu, các tài liệu đã tìm kiếm có liên quan đến đềtài đang hướng tới, chỉ ra các khe hẹp chưa được nghiên cứu hay so sánh, đánh giá và từ đó tiếptục phát triển.

3 Phân tích và phân loại các phương pháp tiếp cận vấn đề của các công trình nghiên cứu trước đó sosánh ưu, nhược điểm của các phương pháp Từ đó đưa ra sự lựa chọn phương pháp phù hợp cũngnhư triển khai mô phỏng cho hệ thống đề xuất.

4 Tiến hành xây dựng hệ thống thực tế bằng các phương pháp và thuật toán đã tìm hiểu, so sánhkết quả với một số đề tài nghiên cứu có liên quan trước đó Rút ra nhận xét ưu, nhược điểm củahệ thống và hướng phát triển trong tương lai Những đóng góp khoa học của đề tài.

5 Viết báo cáo đánh giá các kết quả đạt được, đưa ra nhận xét và kiến nghị cho hệ thống đã xây dựng.

Luận văn này được trình bày với nội dung các chương như sau:

Chương1trình bày những điểm chính và mục tiêu của luận văn.

Chương2 trình bày các khái niệm liên quan về việc xây dựng một hệ thống tái tạo hình ảnh dùngRadar FMCW khẩu độ tổng hợp ở bước sóng milimet Cơ sở lý thuyết và cấu tạo của hệ thống.

Chương3trình bày việc xây dựng các giải thuật tính khoảng cách, vận tốc, góc đến của vật thể, môphỏng trên Matlab với dữ liệu giả lập từ các module phần cứng mmWave Radar.

Chương4trình bày các giải thuật tái tạo hình ảnh sử dụng hệ thống Radar khẩu độ tổng hợp thetic Aperture Radar) Xây dựng giải thuật giả lập tín hiệu sau bộ trộn tần của hệ thống Radar, kếthợp với giải thuật tái tạo hình ảnh SAR để hoàn thiện toàn bộ hệ thống mô phỏng tái tạo hình ảnhRadar khẩu độ tổng hợp.

(Syn-Chương5trình bày mô hình kết nối phần cứng và phần mềm được sử dụng triển khai hiện thực hóahệ thống Radar tái tạo hình ảnh SAR qua việc quét vật trực diện và vật được ẩn giấu bên trong Sau đókết quả được phân tích và đánh giá.

Cuối cùng, chương6Đưa ra kết luận đánh giá tổng quát và trình bày về các hướng phát triển trongtương lai.

Trong quá trình thực hiện luận văn, các nội dung nghiên cứu đề cập trong các chương kế tiếp đã đượcviết thành 1 bài báo khoa học (tính đến ngày nộp luận văn 16/06/2022) đã được gửi và chấp thuận đăngtại hội nghị khoa học quốc tế Cụ thể như sau:

1 PHUC Nguyen Cao Hong & DUNG Trinh Xuan, “Performance Evaluation of mmWave SAR ing Systems Using K-Domain Interpolation and Matched Filter Methods”, The 2022 InternationalConference on Communications and Electronics (ICCE 2022), July 2022, Nha Trang, Vietnam.

Imag-TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀNGHIÊN CỨU VÀ CƠ SỞ LÝTHUYẾT LIÊN QUAN

Việc tái tạo hình ảnh độ phân giải cao sử dụng radar sóng milimet (mmWave) đã thu hút được sự chúý đáng kể trong những năm gần đây và hiện nó đóng một vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng baogồm chẩn đoán y tế [5]-[6], kiểm tra an ninh [7]-[9], kiểm tra không phá hủy (NDT) của cấu trúc [8]-[10],và chụp ảnh từ trên không [11]-[12] Các thành công đằng sau những công trình này một phần là do cácsóng điện từ ở tần số mmWave (từ 30GHz (bước sóng 10mm) đến 300 GHz (bước sóng 1mm)), có khảnăng xuyên qua nhiều loại vật liệu điện môi và không trong suốt về mặt quang học, chẳng hạn như vậtliệu tổng hợp, gốm sứ, nhựa, bê tông, gỗ và quần áo Bên cạnh đó, các tín hiệu ở mmWave tần số khôngion hóa và do đó không được coi là nguồn bức xạ nguy hiểm.

Những thách thức lớn khi xây dựng hệ thống hình ảnh mmWave là chi phí và độ phức tạp phát sinhtừ nhu cầu về một số lượng lớn các phần tử thu phát và ăng-ten Độ phân giải hình ảnh phạm vi chéo vàtiêu chí lấy mẫu không gian là hai thông số hệ thống chính xác định số lượng ăng-ten cần thiết Trongkhi độ phân giải phạm vi có liên quan trực tiếp đối với băng thông của tín hiệu được truyền, độ phângiải dải chéo cũng được xác định bằng chiều dài hiệu dụng của khẩu độ radar Cụ thể, kích thước khẩuđộ hiệu dụng là 50 bước sóng (λ) dọc theo cả phương ngang và phương thẳng đứng là cần thiết để đạtđược 5mm độ phân giải theo cả hai trục ở phạm vi 50cm [7]-[8] Mặt khác, khoảng cách (λ/4) là cầnthiết giữa các điểm đo để ngăn ngừa sự hình thành các hình ảnh ảo không mong muốn trong một trườnghợp trường gần sử dụng khẩu độ lớn không giới hạn [7] Do đó, để đáp ứng các điều trên độ phân giảihình ảnh được đề cập theo các tiêu chí lấy mẫu không gian bắt buộc, một hình ảnh lý tưởng hệ thống sẽbao gồm một mảng hai chiều (2-D) với khoảng 40000 ăng-ten các yếu tố thành phần [12].

Trong thập kỷ qua, công nghệ bán dẫn đã đạt được nhiều tiến bộ lớn kích hoạt các giải pháp radarmmWave hiệu quả về chi phí Chất bán dẫn oxit kim loại bổ sung tích hợp (CMOS) dựa trên sóng liêntục mmWave được điều chế tần số (FMCW) tất cả chức năng xử lý tín hiệu tương tự và tần số sóng vôtuyến (RF) cũng như khả năng xử lý tín hiệu trong một chip duy nhất với hình thức tinh gọn hơn [13].Như một sự tích hợp cao cấp, thiết bị cho phép hệ thống radar mmWave tiết kiệm chi phí và thu nhỏ

gọn hơn Tuy vậy, việc triển khai các bộ thu phát được đặt dày đặc cần thiết cho hình ảnh có độ phângiải cao vẫn là một nỗ lực không ngừng.

Một cách tiếp cận nổi tiếng để giảm thiểu thách thức này là thực hiện nhiều đầu vào cấu trúc liênkết mảng nhiều ăng-ten phát, nhiều ăng-ten thu (MIMO) [14]-[15] Trong tài liệu này sẽ nghiên cứu tổngquan về hệ thống một bộ ăng-ten thu phát (SISO), một bộ ăng-ten phát nhiều bộ ăng-ten thu (SIMO) vàmảng nhiều ăng-ten phát thu (MIMO) cùng với kĩ thuật khẩu độ tổng hợp (SAR) [16]-[17] Tuy nhiên,trọng tâm luận văn hướng đến việc nghiên cứu lý thuyết nền tảng về FMCW radar, tạo mô hình dữ liệumô phỏng để giả lập và so sánh với dữ liệu thu thập thực tế Bên cạnh đó, giải thuật tái tạo ảnh cũngđược nghiên cứu thông qua các thiết bị phần cứng quan trọng, xây dựng các mô hình tính toán tái tạoảnh của vật thể Triển khai hiện thực hóa mô hình hệ thống tái tạo ảnh dùng một bộ ăng-ten thu phát(SISO) bằng kĩ thuật SAR, xử lý ảnh qua các giải thuật được đề cập và cho ra kết quả cuối cùng.

phân giải cao

2.1.2.1 Tính chính xác và ổn định của hệ thống dịch chuyển vị trí radar

Tái tạo hình ảnh vật mục tiêu phụ thuộc rất nhiều vào độ chuẩn xác của từng điểm dữ liệu trên mặtphẳng quét vật bởi hệ thống Việc có nhiều điểm dữ liệu cũng như khoảng cách lấy mẫu giữa điểm càngnhỏ là yếu tố quan trọng cho chất lượng ảnh tái tạo của vật rõ ràng, chất lượng và chính xác hơn Dovậy, yếu tố khoảng cách giữa các điểm tạo bởi sự dịch chuyển một cách tự động hóa của hệ trục gắn hệthống radar cần được đảm bảo tính chính xác và ổn định càng cao càng tốt.

Ngoài ra, kích thước vật càng lớn thì mặt phẳng quét sẽ càng lớn Vì vậy, kích thước chiều dài trục cơsở của hệ trục dịch chuyển cũng cần được cân nhắc phù hợp với các thí nghiệm dự định thực hiện Trongluận văn này, một hệ trục dịch chuyển của hãng Yamaha được thiết lập và sử dụng cho các thí nghiệmthực tế kí hiệu SXY-X Pole type Các thông số hệ trục như sau: X − 650mm, Y − 600mm, M in4x =M in4y= 0.05mm.

2.1.2.2 Mức độ phức tạp của hệ thống

Hệ thống phần cứng là điều vô cùng quan trọng trong hệ thống tái tạo hình ảnh 2D của vật thể Ngoàimột board radar bao gồm các bộ thu phát, chip xử lý, bộ tạo dao động, các bộ khuếch đại, bộ trộn tầntín hiệu thì cần thêm một board mạch có khả năng truyền tải dữ liệu tốc độ cao xuống hệ thống máytính để lưu trữ các dữ liệu tại từng điểm Vì ứng dụng kĩ thuật khẩu độ tổng hợp (SAR) nên cần có thêmmột hệ thống trục dịch chuyển trên một mặt phẳng quét trực diện với vật thể.

Mỗi thiết bị phần cứng như vậy thì cần tìm hiểu cách thức vận hành nhịp nhàng, đồng thời và độchính xác cao tại từng vị trí thông qua các bảng mã lệnh của nhà sản xuất từ đó dùng các ngôn ngữlập trình như Python, Lua, Matlab để điều khiển đồng bộ hệ thống Đối với phần đo khoảng cách vật,vận tốc và góc đến thì giải thuật giả lập tín hiệu được triển khai, cũng như một giao diện nhập thôngsố được lập trình trên Matlab để trực quan hơn Đối với phần quét vật và các giải thuật tái tạo ảnh củavật thể thì phức tạp hơn về lập trình giải thuật cũng như hệ thống phần cứng, phần mềm tích hợp Dữliệu thô ban đầu sẽ được tiền xử lý thành dạng dữ liệu 3 chiều (3D datacube), đưa vào thuật toán để táitạo ảnh Từ đó mới đánh giá hiệu quả hệ thống.

2.1.2.3 Khối lượng dữ liệu cần thu thập và xử lý

Một vấn đề khác cần quan tâm là khối lượng dữ liệu cần thu thập và xử lý để chuẩn hóa dữ liệu phục vụcho việc tái tạo ảnh Dữ liệu càng nhiều thể hiện việc có nhiều thông tin về vật mục tiêu sẽ giúp nâng

cao chất lượng hình ảnh tái tạo Tuy nhiên, dữ liệu như thế nào là "nhiều" hay "ít" hay "đủ" sẽ phảiphụ thuộc vào kích thước vật, mặt phẳng quét, số khoảng cách dịch của hai trục cho từng điểm dữ liệutrên mặt phẳng quét và cần thỏa mãn những điều kiện sẽ được đề cập chi tiết hơn ở Chương5 Dữ liệucàng lớn sẽ càng mất nhiều thời gian để thu thập dữ liệu và sau đó cũng cần phải tốn nhiều thời gianhơn để chuẩn hóa các dữ liệu thô thành định dạng dữ liệu phù hợp cho việc tái tạo ảnh trong các giảithuật sẽ được đề cập ở Chương4 Vật thể càng lớn thì thời gian quét vật sẽ càng lâu, dữ liệu lớn, cũngcó thể gây nên sai số trong quá trình quét bởi hệ trục cơ khí, dẫn đến hình ảnh tái tạo sẽ không rõ rànghoặc không ra hình ảnh vật thể.

(Frequency-Modulated Continuous-Wave)

Radar sóng liên tục điều chế tần số (Frequency-Modulated Continuous-Wave Radar hay FMCW-Radar)là một loại Radar cảm biến có khả năng bức xạ công suất truyền liên tục giống như một radar sóngliên tục đơn giản (Continuous-Wave Radar hay CW-Radar) [18] Ngược lại với Radar CW này thì RadarFMCW có thể thay đổi tần số hoạt động trong quá trình đo: tức là tín hiệu truyền được điều chế theotần số Khả năng đo Radar thông qua các phép đo trong thời gian hoạt động chỉ khả thi về mặt kỹ thuậtvới những thay đổi tần số (hoặc pha) Các thiết bị radar sóng liên tục đơn giản (CW-Radar) không điềuchế tần số có nhược điểm đó là không thể xác định phạm vi mục tiêu vì thiếu mốc thời gian cần thiếtcho phép hệ thống định thời gian chính xác chu kỳ phát và nhận và chuyển đổi thành khoảng cách Nhưvậy để đo khoảng cách của các đối tượng tại từng thời điểm cụ thể bằng cách sử dụng điều chế tần sốcủa tín hiệu đã truyền Trong phương pháp này, một tín hiệu được truyền đi, tần số này tăng hoặc giảmtheo chu kỳ Khi nhận được tín hiệu vọng lại (echo signal), sự thay đổi tần số đó sẽ có độ trễ 4t (bằngsự dịch chuyển thời gian) giống như kỹ thuật radar xung (Pulse Radar) Tuy nhiên, trong radar xung,thời gian hoạt động phải được đo trực tiếp Trong FMCW, radar đo sự khác biệt về pha hoặc tần số giữatín hiệu được truyền đi và tín hiệu nhận được.

Các tính năng cơ bản của Radar FMCW bao gồm:

ˆ Khả năng đo phạm vi rất nhỏ từ radar đến mục tiêu (phạm vi đo tối thiểu có thể so sánh với bướcsóng truyền qua).

ˆ Khả năng đo đồng thời phạm vi mục tiêu với độ chính xác cao và vận tốc tương đối của vật.

ˆ Xử lý tín hiệu sau khi trộn được thực hiện ở dải tần số thấp, đơn giản hóa đáng kể việc thực hiệncác mạch xử lý.

ˆ An toàn do không có bức xạ xung với công suất cao.

Có 3 loại điều chế tần số được minh họa trong hình 2.1, trong đó điều chế FMCW dạng răng cưađược sử dụng cho đề tài luận văn.

Hình 2.1: Các dạng sóng FMCW

Các radar đều được cấu tạo từ những khối cơ bản: Bộ phát sóng, bộ thu sóng và bộ xử lý và lưu trữ tínhiệu [19] Các loại radar khác nhau sỡ hữu những thành phần khác nhau trong những khối như hình2.2

Đặc điểm riêng của FMCW nằm ở bộ phát sóng có bộ tạo sóng với tần số được điều chế (thay đổi theothời gian) như tên gọi của nó.

Hình 2.2: Sơ đồ giản lược radar FMCW

Hình 2.3: Sơ đồ cấu tạo đơn giản của bộ phát sóng

nhất đến tần số lớn nhất trong một khoảng thời gian nhất định Tín hiệu này được đặt tên là “Chirp”.

Hình 2.4: Chirp được tạo ra bởi bộ tạo sóng

Có nhiểu kiểu điều chế tần số tín hiệu, phổ biến nhất là điều chế tần số tuyến tính tức giá trị tần sốtăng tuyến tính theo thời gian, được biểu diễn trên đồ thị thời gian – tần số như sau:

Hình 2.5: Mối quan hệ giữa tần số - thời gian của chirp

Khoảng giá trị tần số điều chế được gọi là "băng thông quét" B Khoảng thời gian điều chế được gọilà "thời gian chirp" T = TC Tỷ số giữa hai đại lượng này được gọi là "độ dốc chirp":

S = B

Tín hiệu được tạo xong sẽ đi qua bộ khuếch đại công suất trước khi được lan truyền ra không gian

qua ăng-ten.

2.2.2.2 Bộ thu sóng

Hình 2.6: Sơ đồ cấu tạo đơn giản bộ thu sóng

Bắt đầu từ ăng-ten thu tiếp nhận sóng phản xạ trở về từ vật thể Tín hiệu phản xạ từ vật thể lantruyền đến ăng-ten thu phải qua một bộ lọc thông dải để chỉ lấy những tín hiệu có tần số trong khoảngbăng thông B Sau đó, tín hiệu được khuếch đại nhiễu thấp và đưa vào bộ trộn tần Bộ trộn tần là thànhphần vô cùng quan trọng của bộ thu vì có chức năng so sánh chirp phát và chirp thu, tạo ra tín hiệu sosánh làm cơ sở để phân tích các thông số của vật thể.

Chirp thu về được biểu diễn cùng với Chirp phát như hình 2.7:

Hình 2.7: Chirp phát và chirp thu

Chirp phản xạ về radar sau khi đã trải qua một thời gian τ ngoài không gian Thời gian này được gọilà “độ trễ” Khoàng độ trễ này tạo ra sự chênh lệch về mặt tần số giữa 2 chirp tại cùng một thời điểm.Bộ trộn tần có nhiệm vụ khai thác sự khác nhau này bằng cách thực hiện hiệu tần số giữa chirp phát vàthu Tín hiệu kết quả mang tần số trung tần – “Intermediate Frequency” hay viết tắt là “IF”.

Nếu đặt chirp phát có biểu thức:

Trong đó hàm f (t) biểu diễn sự thay đổi tần số theo thời gian Biểu thức của chirp thu có dạng:

Thì tín hiệu trung tần đầu ra bộ trộn tần là:

xIF = C cos (2π[f (t) − f (t − τ )] + (φ1− φ2)) (2.4)Dựa trên đồ thị hình2.8, giá trị IF còn có mối quan hệ với độ trễ và độ dốc chirp:

Hình 2.8: Tín hiệu trung tần từ việc trộn tần cặp chirp phát – thu

Tín hiệu trung tần trên có vai trò quan trọng trong phân tích và tính toán các thông số của vật thể.Nhưng trước khi đến khâu phân tích, tín hiệu phải được xử lý số và lưu trữ.

2.2.2.3 Bộ xử lý và lưu trữ tín hiệu

Hình 2.9: Sơ đồ khối xử lý số và lưu trữ tín hiệu

Tín hiệu trung tần phải được chuyển từ dạng tương tự (Analog) sang dạng số (Digital) Trong khâuxử lý số tín hiệu, bộ ADC thực hiện nhiệm vụ này Sau khi được số hóa, tín hiệu được lưu trữ lại đểphân tích, hiển thị,v.v tùy vào mục đích người dùng.

2.2.3Lý thuyết nền tảng Radar FMCW

Các lý thuyết nền tảng của hệ thống Radar FMCW xung quanh việc ước lượng khoảng cách (d), cách(dres), khoảng cách tối đa (dmax) sẽ được nghiên cứu trong mục này Bên cạnh đó, việc ước lượng vậntốc (v) cũng được đề cập đến bao gồm độ phân giải vận tốc (vres), vận tốc tối đa (vmax) Cuối cùng, ướclượng góc đến (θ), độ phân giải góc đến (θres) và góc đến cực đại (θmax) cho phép cũng được phân tíchcụ thể.

2.2.3.1 Lý thuyết ước lượng khoảng cách

Một vật ở trước radar khoảng cách d phản xạ lại Chirp phát từ radar Chirp mà radar thu lại đượctrễ một khoảng thời gian τ so với Chirp phát ban đầu (hình2.10) Vì trước khi về lại radar, Chirp đã

Hình 2.10: Thời gian trễ giữa Chirp phát và Chirp thu

Hình 2.11: Khoảng cách d giữa vật và radar

đi được 2 lần quãng đường d (hình 2.11): một chiều tới và một chiều phản xạ trở về, cho nên biểu thứctính quãng đường sóng đi được trong thời gian τ với vận tốc ánh sáng c là như sau:

Mà tần số trung tần IF có mối quan hệ với độ trễ τ được làm rõ ở công thức 2.5 Từ đó, kết hợp

với2.6cho ra biểu thức tính tần số IF như sau:

Hình 2.12: Độ phân giải khoảng cách giữa hai vật

Trong điều kiện lý tưởng, tín hiệu trung tần của mỗi vật có dạng hình sin như hình2.13 Điểm khácnhau giữa hai tín hiệu là chúng có tần số khác nhau:

Hình 2.13: Tín hiệu từ hai vật thể thu về được

Áp dụng phép biến đổi Fourier cho chuỗi tín hiệu ở trên sẽ thu về được thành phần tần số của mỗitín hiệu Tuy nhiên, nếu tần số của hai tín hiệu gần nhau mà thời gian của mẫu tín hiệu lại ngắn hoặcsố điểm lấy mẫu ít, phép biến đổi Fourier cũng không thể tách được những thành phần tần số đó (hình

Hình 2.14: Tín hiệu có các thành phần tần số bị trùng do độ phân giải thấp.

Vì thành phần tần số của tín hiệu là cố định, nên chỉ có thể điều chỉnh thời gian tín hiệu Nếu nhưthời gian của mẫu tín hiệu T được tăng lên gấp đôi 2T (hình2.15) Kết quả tần số trung tần (IF)- của

Hình 2.15: Tăng thời gian tín hiệu

biến đổi Fourier sẽ cho ra các đỉnh tần số tách rời nhau như hình2.16 Dựa trên phép biến đổi Fourier,

Hình 2.16: Tín hiệu tách rời nhau ở miền tần số

điều kiện khoảng tần số nhỏ nhất giữa các tín hiệu để các thành phần này còn có thể phân biệt đượctrên miền tần số: [1]

Hình 2.17: Tín hiệu IF phải được lấy mẫu trước khi được lưu trữ

2.2.3.2 Lý thuyết ước lượng vận tốc

Một trong những thông số quan trọng cần đo của một vật thể bất kỳ là đại lượng vận tốc Qua việc đovận tốc mà 2 vật thể cùng khoảng cách tới radar có thể phân biệt được [1] Hai tín hiệu trung tần cùng

Hình 2.18: Hai vật cùng khoảng cách tới radar

khoảng cách sẽ có cùng tần số Tuy nhiên nếu vận tốc của chúng khác nhau sẽ tạo sẽ khác biệt ở phaban đầu của mỗi tín hiệu như Hình2.19.

Như vậy nếu một vật di chuyển trước radar, hai tín hiệu trung tần từ 2 chirp liền kề nhau sẽ khácnhau ở góc pha ban đầu Mà tín hiệu trung tần là hiệu tần số của chirp phát và thu, và vì chirp phát cótần số cố định, độ lệch pha của hai tín hiệu trung tần liên tiếp cũng là độ lệch pha giữa hai chirp thuliên tiếp Điều này được biểu diễn ở tín hiệu chirp thu B và E như mô tả ở Hình2.20.

Hai chirp thu B và E thu về cách nhau một khoảng thời gian 4τ , gọi chu kỳ của một chirp là Tchirp, từđó suy ra được độ lệch pha giữa hai chirp này:

4φ = 4τTchirp

4τ còn là thời gian chirp đi tới vật và phản xạ về trên quãng đường 4d, vốn là khoảng cách giữa vị trí

Hình 2.19: Hai pha ban đầu khác nhau của hai tín hiệu có cùng khoảng cách – tần số

Hình 2.20: Độ trễ và độ lệch pha giữa hai Chirp RX liên tiếp

vật ở chirp phát thứ nhất và vị trí vật ở chirp phát thứ hai:

Các tần số góc ωi chỉ xuất hiện từ chirp thứ 2 trở lên khi có sự chêch lệch giữa 2 pha của 2 chirp Vàkhi số chirp tăng càng nhiều, giá trị ωi cũng được lấy mẫu nhiều theo Tương tự như phân biệt tần số,càng nhiều chirp sẽ giúp phân biệt rõ hơn được các ωi

Theo biến đổi rời rạc D-FFT, điều kiện để 2 tần số góc còn có thể phân biệt được:4ω ≥ 2π

Trong đó, N là số khoảng giữa các chirp Theo đó, thời gian của một khung (frame) được tính nhưsau:

Hình 2.21: Đỉnh tần số góc của tín hiệu sau biến đổi FFT rời rạc (D-FFT) [1]

Hình 2.22: Một frame của radar

Áp dụng2.24vào2.27với lưu ý 4φ ≡ ω:

Như vậy, vận tốc nhỏ nhất (vres) để phân biệt hai vận tốc:

vres= λ2Tf

Một vật di chuyển dọc theo phương nối giữa vật và radar có hai hướng khả năng: Tiến xa khỏi radar(a), tần số góc ω > 0 thuộc nửa trên của đường tròn lượng giác [0, π]; Tiến lại gần radar (b), ω < 0 thuộcnửa dưới của đường tròn lượng giác [−π, 0] [1]

Hình 2.23: Các trường hợp chênh lệch pha giữa các Chirp

Nếu ω ở mỗi nửa đường tròn lượng giác vượt quá giới hạn của mỗi bên: π và −π, nó sẽ bị nhầm lẫn

thành giá trị tần số góc của nửa bên kia (c) Do đó, điều kiện đặt ra giới hạn ω là như sau:

Áp dụng2.22:

v < λ4Tc

(2.34)Từ bất đẳng thức trên suy ra được vận tốc cực đại (vmax) mà radar có thể quét:

vmax= λ4Tc

2.2.3.3 Lý thuyết ước lượng góc đến

Góc đến từ vật thể tới radar (θ) được giới hạn bởi trục hoành có gốc tại radar và tia nối từ radar đếnvật.

Hình 2.24: Đo góc của một vật trước radar cần từ hai kênh thu trở lên

Để xác định được góc đến, 2 ăng-ten thu cách nhau một khoảng dRX trong không gian được sử dụngthu về 2 Chirp phản xạ Khoảng cách của dRX: [4]

dRX =λ

Vì 2 ăn-ten ở hai vị trí khác nhau, một chirp phản xạ phải đi với quãng đường dài hơn so với chirpcòn lại như hình2.25 Áp dụng công thức2.24vốn là biểu thức độ lệch pha giữa hai chirp với một chúthiệu chỉnh: theo hình2.25, quãng đường 4d là quãng đường đi thêm của riêng 1 chirp thu ở kênh thuthứ 2, khác với trường hợp của tính toán vận tốc là cả chirp phát và thu của chirp thứ 2 đều đi quaquãng đường 4d Mất đi bội số 2 lần của 4d, biểu thức tần số góc (hay độ lệch pha) giữa 2 chirp của 2kênh thu:

ω = 2π4d

Để xác định chênh lệch quãng đường 4d, coi các tia chirp phản xạ tới các kênh thu là song song dokhoảng cách từ radar tới vật rất lớn so với khoảng cách vật lý giữa hai kênh thu (Hình2.26) Phân tích

Hình 2.25: Sự chênh lệch về quãng đường đi của sóng phản xạ từ một vật tới 2 ăng-ten thu

Hình 2.26: Phân tích hình học sóng tới ăng-ten thu

hình học lượng giác, suy được quãng đường đi chênh lệch giữa 2 chirp thu:

Thay2.39cùng với chênh lệch góc đên được biểu diễn bằng 4θ:4ω = 2πdRX(sin(θ + 4θ) − sin θ)

Hình 2.28: Các trường hợp độ lệch pha giữa hai kênh thu

Điều kiện của ω chính là2.33 Thay2.39vào, suy ra:2πdRXsin θ

Biến đổi:

θ < sin−1( λ2πdRX

2.2.4Hệ thống SISO/SIMO/MISO/MIMO-SAR Radar

Như đã được đề cập ở đầu chương này, một vài dạng tiêu biểu của ăng-ten trên hệ thống radar cũngcần được tìm hiểu rõ hơn Hiện nay có bốn mô hình liên kết tiêu biểu thông qua việc sử dụng số lượngăng-ten thu-phát như SISO, SIMO, MISO và MIMO qua các kênh vô tuyến [20] Trong số tất cả bốn loạiđược đề cập trên thì MIMO cung cấp độ lợi phân loại tốt nhất của tín hiệu - được bức xạ ở ăng-ten phát(Tx) - nhận được ở ăng-ten thu (Rx) cũng như nó có khả năng xử lý bên ngoài hiệu ứng tiếng nhiễu theocách thích hợp nhất so với cách khác để tái tạo lại tín hiệu tương tự ở cuối đầu nhận.

2.2.4.1 Hệ thống SISO - SIMO - MISO - MIMO Radar

Các dạng khác nhau của công nghệ ăng-ten đề cập đến một hoặc nhiều đầu thu và đầu phát trong liênkết vô tuyến Trong đó, đầu vào là máy thu khi có tín hiệu truyền đến, và đầu ra là máy phát để truyềntín hiệu đi Qua đó, các dạng liên kết đơn hay nhiều ăng-ten khác nhau được định nghĩa như sau:

ˆ SISO - Một đầu thu, một đầu phát (Single Input Single Output).ˆ SIMO - Một đầu thu, nhiều đầu phát (Single Input Multiple Output).ˆ MISO - Nhiều đầu thu, một đầu phát (Multiple Input Single Output).ˆ MIMO - Nhiều đầu thu, nhiều đầu phát (Multiple Input Multiple Output).

Dạng liên kết vô tuyến đơn giản nhất có thể được định nghĩa theo thuật ngữ MIMO là SISO - Mộtđầu thu, một đầu phát Đây là một kênh vô tuyến tiêu chuẩn - máy phát và máy thu này hoạt động chỉdùng với một cặp ăng-ten thu-phát Ưu điểm của hệ thống SISO là tính đơn giản Tuy nhiên, kênh SISObị hạn chế về hiệu suất Nhiễu và sự yếu đi của tín hiệu sẽ ảnh hưởng đến hệ thống nhiều hơn hệ thốngMIMO - mô hình sử dụng một số dạng phân tập - và băng thông kênh bị giới hạn bởi định luật Shannon- thông lượng phụ thuộc vào băng thông kênh và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu.

Phiên bản SIMO (Single Input Multiple Output) của MIMO xảy ra khi máy phát có một ăng-ten vàmáy thu có nhiều ăng-ten Điều này còn được gọi là đa dạng nhận Dạng này thường được sử dụng đểkích hoạt một hệ thống máy thu nhận tín hiệu từ một số nguồn độc lập để chống lại các tác động củasự yếu đi của tín hiệu cần Mô hình này đã được sử dụng trong nhiều năm với các trạm thu / phát sóngngắn để chống lại tác động của nhiễu và nhiễu sóng tầng điện ly Cùng với SISO, đây là hai mô hình sẽđược sử dụng và phân tích chủ yếu để làm rõ cũng như triển khai các vấn đề liên quan trong đề tài luậnvăn này SIMO có ưu điểm là tương đối dễ thực hiện mặc dù bên cạnh có một số nhược điểm là yêu cầuxử lý ở bộ thu phức tạp hơn chút so với SISO Việc sử dụng SIMO có thể được chấp nhận trong nhiềuứng dụng, nhưng khi đầu thu được đặt trong thiết bị di động như điện thoại di động, mức độ xử lý cóthể bị giới hạn bởi kích thước, chi phí và mức tiêu hao pin.

MISO còn được gọi là sự đa dạng truyền Trong trường hợp này, dữ liệu giống nhau được truyền dựphòng từ hai ăng-ten của máy phát Sau đó bộ thu có thể nhận được tín hiệu tối ưu có thể được sử dụngđể nhận dữ liệu được yêu cầu trích xuất Ưu điểm của việc sử dụng MISO là nhiều ăng-ten và mã hóa /xử lý dự phòng được chuyển từ máy thu sang máy phát Trong các trường hợp của điện thoại di động,đây có thể là một lợi thế đáng kể về không gian cho ăng-ten và giảm mức độ xử lý cần thiết trong máythu để mã hóa dự phòng Điều này có tác động tích cực đến kích thước, chi phí và tuổi thọ pin vì mứcđộ xử lý thấp hơn đòi hỏi mức tiêu thụ pin ít hơn.

Khi có nhiều hơn một ăng-ten ở một trong hai đầu của liên kết vô tuyến, được gọi là MIMO - Nhiềuđầu thu, nhiều đầu phát MIMO có thể được sử dụng để cải thiện cả độ ổn định của kênh cũng nhưthông lượng kênh Để có thể tận dụng đầy đủ từ MIMO, cần có khả năng sử dụng mã hóa trên các kênh

để tách dữ liệu khỏi các đường dẫn khác nhau Điều này yêu cầu xử lý nhiều hơn, nhưng cung cấp thêmđộ mạnh của kênh / dung lượng thông lượng dữ liệu.

Hình 2.29: Tổng quan 4 mô hình liên kết vô tuyến của radar

2.2.4.2 Kĩ thuật khẩu độ tổng hợp SAR (Synthetic Aperture Radar)

Radar khẩu độ tổng hợp (SAR) là một dạng radar được sử dụng để tạo ra hình ảnh hai chiều hoặc táitạo ba chiều của các đối tượng vật thể [21] SAR sử dụng chuyển động của ăng-ten radar trên một vùngmục tiêu để cung cấp độ phân giải không gian tốt hơn so với các radar quét tia đứng yên thông thường.Hệ thống radar khẩu độ tổng hợp thuộc vào nhóm "liên kết bản đồ radar" (radar bản đồ) Những radarloại này thường được sử dụng trên máy bay hoặc vệ tinh để tái hiện lại hình ảnh của một vùng trên mặtđất bằng việc quét bề mặt đó bằng sóng điện từ Trong trường hợp này, hệ thống SAR sẽ di chuyển dọctheo bề mặt mà nó muốn tái hiện và lưu trữ dữ liệu rồi chuyển sang bộ xử lý tín hiệu từ đó tái hiện lạihình ảnh của bề mặt đó Độ phân giải của hệ thống càng cao ta sẽ thu được hình ảnh càng rõ nét và cóthể so sánh với ảnh chụp từ camera, ưu điểm này sẽ được tận dụng để quét vật thể.

Một cách chi tiết hơn, để tạo hình ảnh SAR, các xung sóng vô tuyến liên tiếp được truyền hướng vậtmục tiêu, và tiếng vọng của mỗi xung - tín hiệu phản xạ (echo of each pulse) được nhận và lưu lại Cácxung được truyền đi và nhận được tiếng vang bằng một ăng-ten tạo chùm tia đơn, có bước sóng từ mộtmét đến vài mm Khi thiết bị SAR trên máy bay hoặc tàu vũ trụ di chuyển, vị trí ăng-ten so với mụctiêu sẽ thay đổi theo thời gian Xử lý tín hiệu vọng lại radar được ghi liên tiếp cho phép kết hợp các bảnghi từ nhiều vị trí ăng-ten này Quá trình này tạo thành khẩu độ ăng-ten tổng hợp và cho phép tạo racác hình ảnh có độ phân giải cao hơn so với khả năng có thể xảy ra với một ăng-ten vật lý nhất định.

Trong chương này, các khái niệm cơ bản và các yếu tố ảnh hưởng đến độ hiệu quả của hệ thống FMCWradar về khoảng cách, vận tốc và góc Các đặc tính và ứng dụng của công nghệ sóng mmWave cũngđã được trình bày Ngoài ra, chương này cũng giới thiệu về các mô hình ăng-ten phát/thu nhận tínhiệu (SISO/SIMO/MISO/MIMO) đặc biệt là mô hình SISO và SIMO được tiến hành sử dụng trong cácchương tiếp theo và kĩ thuật khẩu độ tổng hợp (SAR) Chương tiếp theo sẽ trình bày chi tiết hơn về cách

Hình 2.30: Mô hình tổng quan radar khẩu độ tổng hợp (SAR).

thức xây dựng dữ liệu mô phỏng và giải thuật phân tích ba đại lượng khoảng cách, vận tốc và khoảngcách cũng như triển khai mô hình tính toán trên MATLAB.

XÂY DỰNG DỮ LIỆU MÔ

PHỎNG VÀ GIẢI THUẬT PHÂNTÍCH KHOẢNG CÁCH, VẬN

TỐC, GÓC ĐẾN CỦA VẬT THỂTRÊN MATLAB

Giới thiệu về module radar IWR1642BOOST và DCA1000EVM với những chức năng và nhiệm vụ liênquan đến việc thu thập dữ liệu Bên cạnh đó, phương pháp xây dựng dữ liệu radar được triển khai thôngqua việc tìm hiểu về phương thức lưu trữ dữ liệu của những loại module phần cứng trên.

Xây dựng dữ liệu radar từ những thông số thực của vật thể nhằm phân tích ngược lại những thông sốđó [22] Đồng thời, xây dựng giải thuật phân tích dữ liệu radar từ các lý thuyết đã đề cập trong Chương

2 để tính toán lại được các thông số khoảng cách, vận tốc và góc của vật thể Tổng hợp hai khối chứcnăng trên tạo thành mô hình phân tích dữ liệu radar.

Board IWR1642BOOST là cảm biến radar mmWave dựa trên công nghệ radar FMCW với khả năng hoạtđộng trong dải tần từ 76 đến 81 GHz và có thể tạo chirp với băng thông quét tới 4GHz Chip của boardđược sản xuất theo quy trình 45 nm RFCMOS, tiêu thụ công suất thấp của Texas Instument, cho phépmức độ tích hợp cao đa dạng những tính năng trên diện tích nhỏ Có thể nói, IWR1642 là giải pháplý tưởng dành cho những ứng dụng công nghiệp yêu cầu hệ thống radar năng lượng thấp, tự điều hànhvới độ chính xác cao như xây dựng tự động, tự động hóa nhà máy, rô-bốt không thám, quán lý giaothông và do thám [23] IWR1642 thực hiện những chức năng cơ bản của một hệ thống radar FMCW,bộ thu-phát bao gồm 2 ăng-ten phát, 4 ăng-ten thu cùng với với vòng khóa pha và bộ ADC tích hợp sẵnbên trong Ngoài ra, IWR1642 được thiết kế thêm một bộ DSP với chip C674x DSP hiệu suất cao của