mô phỏng hiện thị mục tiêu radar trên màn hình pc

Chương I Giới Thiệu Chung Về RadarI.Khái Niệm,Nguyên Tắc Hoạt Động Và Phân Loại Radar : Radar là một hệ thống thông tin viễn thông dùng năng lượng sóng điện từ nhằm tìm kiếm, phát hiện v

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Viện Điện Tử Viễn Thông

Giáo Viên Hướng Dẫn:

Thầy Phạm Văn Tuân Sinh Viên Thực Hiện:

Lưu Tiến Đạt-20070716

Trịnh Lê Tuân-2007

Hà Nội 12/2011

Chương I Giới Thiệu Chung Về Radar

I.Khái Niệm,Nguyên Tắc Hoạt Động Và Phân Loại Radar :

Radar là một hệ thống thông tin viễn thông dùng năng lượng sóng điện từ nhằm tìm kiếm, phát hiện và xác định vị trí của một vật thể ( gọi là mục tiêu ) nào đó trong không gian Đặc biệt là không gian khí quyển.

Nguyên tắc hoạt động của nó là nó phải phát sóng định hướng về phía mục tiêu rồi nhận tín hiệu phản xạ từ mục tiêu về Từ hai tín hiệu phát bức xạ và tín hiệu phản xạ thu được mà radar xử lí đo được các thông số về tọa độ hay

vị trí của mục tiêu, các thông số tọa độ và thông số chuyển động mà radar xác định được gọi là tin tức về mục tiêu Hệ thống thực hiện theo nguyên tắc trên gọi là Radar sơ cấp hay radar mode P.

Hệ thống có thể bức xạ, chiếu xạ hỏi bằng các các mã hỏi quy ước về phía mục tiêu, trên mục tiêu có gắn hệ thống thiết bị thu và phát trả lời lại cũng theo

mã quy ước Từ hai tín hiệu hỏi và phát trả lời mà Radar xác định được các thông số tọa độ và chuyển động của mục tiêu và nhiều thông tin khác về mục tiêu.Hệ thống được tổ chức theo cách này gọi là thứ cấp hay Mode S.

Cả radar sơ cấp và thứ cấp ở trên được gọi là các hệ thống Radar chủ động Nếu hệ thống chỉ có thu năng lượng do mục tiêu bức xạ về từ đó hệ thống định hướng được mục tiêu ( định vị thô ) Rồi từ suy hao truyền sóng trung bình trong môi trường mà tính ra gần đúng khoảng cách giữa mục tiêu và radar Theo nghĩa này gọi là hệ thống radar thụ động Radar thụ động để cảnh giới và canh gác từ xa thường dùng trong an ninh, quốc phòng.

Mục tiêu của radar có thể là các mục tiêu bay như : máy bay, tên lửa, vệ tinh,đầu đạn hạt nhân,cũng có thể là các mục tiêu khác như xe tăng, tàu , thuyền, tàungầm…

II.Nguyên Tắc Nhận Tin Tức Về Mục Tiêu:

-Có hai nguyên tắc chủ động và thụ động Hệ thống radar chủ động gồm có

radar sơ cấp và radar thứ cấp

-Tin tức về mục tiêu là tin tức vị trí mục tiêu :

( D,,H hay β, Vxt ) hoặc ( D,, Vxt )

Dựa vào các tính chất sau của sóng điện từ để radar có thể nhận biết tin tức

về mục tiêu:

-Trong môi trường đồng nhất, đẳng hướng sóng điện từ truyền thẳng

-Trong môi trường đồng nhất đẳng hướng, SDT truyền với một vận tốc tb là3.10^8 m/s

-Khi sóng điện từ truyền trong môi trường truyền sóng gặp phải môi trường thứhai không đồng nhất với môi trường thứ nhất thì xảy ra tán xạ, phản xạ sdt Hiệntượng này xảy ra trên biên giới của hai môi trường Chỉ có một phần diện tích

bề mặt xung quanh của mục tiêu gây ra hiện tượng phản xạ gọi là diện tích phản

xạ hiệu dụng Nhờ có năng lượng phản xạ mà radar phát hiện ra được mục tiêu-Khi chiếu xạ sóng điện từ vào mục tiêu đang chuyển động thì xảy ra hiệu ứngdoppler Hiệu ứng doppler là hiệu ứng dịch tần của f tín hiệu phản xạ so vờichiếu xạ, do vậy :

Fpxa=Fchxa ± ΔF=Fchxa ± FdopplerTrong đó ΔF gọi là tần số Doppler Dấu + khi mục tiêu tiến tới gần nguồn chiếu

xạ Dấu – khi mục tiêu tiến ra xa nguồn chiếu xạ

Bốn bước của quá trình nhận biết tin tức về mục tiêu :

B1.Bước phát hiện mục tiêu:

-Ở bước này radar phải quay anten để quét cánh sóng sục sạo tìm kiếm mục tiêutrong vùng không gian cần quan sát Đó là một góc khối không gian cần quan sát (Ω ه) rồi đi tới quyết định có hay không có mục tiêu trong Ω với một xác suất phát hiện đúng hay không đúng cho trước Để đảm bảo bước này thì xác suất phát hiện đúng lớn hơn rất nhiều so với xác suất phát hiện sai

B2 Đo đạc thông số tọa độ và thông số chuyển động của mục tiêu:

Mục tiêu M ( Dm, , Hm, Vxt ) :

a.Đo Dm ( cự ly, khoảng cách, tầm xa ) Có nhiều phương pháp đo D:

-Đo Dm thông qua đo td là khoảng thời gian đo nhờ Radar bức xạ xung chủ động, sơ cấp

-Đo Dm trong khoảng cách ngắn với độ chính xác cao và chỉ có một mục tiêu bằng cách đo độ di tần Δf nhờ Radar chủ động sơ cấp bức xạ liên tục, đo độ di pha Δ ,

b.Đo tọa độ góc để định hướng:

-Đo góc , người ta đo góc quay của Radar trong mặt phẳng ngang so với phương chính bắc; cho tới khi trục của cánh sóng chiếu xạ vào mục tiêu

-Đo và β không dùng Radar : Người ta sử dụng phương pháp đo pha, phương pháp biên độ hoặc phương pháp biên độ pha Phương pháp đo pha có thể đồng thời đo được cả và β cùng một lúc khi bố trí hệ thống đo có 2 đường đáy

c Đo H:

-Từ Radar sơ cấp đo D và β ta tính được H= D sinβ, ngoài ra H còn được đo bằng áp kế đo cao là áp lực kk trên 1 cm2 được gắn trên máy bay Từ việc xác định áp suất không khí để suy ra độ cao

-H còn được xác định bằng máy thu GPS

d Đo vận tốc Vxt:

Ta có :

Fpxa=Fchxa ± ΔF=Fchxa ± Fdoppler

Mà Fdoppler=( 2*Fchxa Vxt )/C do đó đo được Fdoppler sẽ tính được Vxt:

Vxt= (λcxa* Fdoppler)/2

III.Tính Năng Kĩ Thuật-Chiến Thuật Của Radar :

1.Tính năng kĩ thuật:

- Nguyên tắc xây dựng đài Radar: phương pháp nhận tín hiệu Radar,dạng dao động bức xạ, phương pháp gia công tín hiệu trong máy thu

- Tần số sóng 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 công suất đỉnh Pd

- Dạng và độ rộng của giản đồ anten

Độ nhạy của máy thu theo công suất Ptmin hay năng lượng

2.Tính năng chiến thuật:

- Vùng quan sát: Radar có nhiệm vụ quan sát mục tiêu trong phạm vinày Vùng quan sát giới hạn bởi cự ly cực đại Dmax và cực tiểu Dmin

và các góc quan sát trong mặt phẳng ngang và đứng

- Chu kỳ quét Tq: là thời gian để Radar quét hết vùng quan sát một lần

- Các tọa độ được đo

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

- Độ tin cậy sử dụng: độ tin cậy nêu lên khả năng hoàn thành chức năngcủa đài trong một khoảng thời gian xác định Thông thường độ tin cậyđược biểu thị bởi xác suất đài làm việc trong một khoảng thời gian đãcho

- Khả năng chống nhiễu: là khả năng duy trì được các chỉ tiêu kỹ thuậtcủa đài Radar trong điều khiển có nhiễu tác động

- Về tính năng chiến thuật đôi khi người ta còn kể thêm những điều kiệnlàm việc của đài: tính chất của mục tiêu, điều kiện thời tiết, vị trí triểnkhai

- Các tính năng chiến thuật của đài radar xác định bởi tính năng kỹ thuậtcủa nó.

2.Radar Xung :

-Dạng tín hiệu bức xạ của Radar xung :

-Sơ đồ khối hệ thống Radar xung :

- Các thành phần chính của hệ thống radar xung bao gồm :

The Transmitter: bao gồm 1 bộ tạo dao động và 1 bộ điều chế xung

The antenna system: nhiệm vụ phát năng lượng sóng điện từ từ máy phát tới

môi trường truyền dẫn và nhận tín hiệu phản xạ từ phía mục tiêu

The receiver: khuếch đại tín hiệu nhận được bởi và xác định mục tiêu

Interfaces: hiển thị giao diện của hệ thống điện tử

-Các thống số kỹ thuật của hệ thống Radar xung:

PRF : variable 396 - 960 Hz (maximum of 4 specificed at a time)

Polarization : Horizontal and vertical

Beamwidth: 1.120

Antenna dimension : 8.23 cm

Antenna height : 24.8 m above msl

Maximum scan speed : 20 degrees/second

Elevation range : -04 to 90

V.Giới Thiệu Kĩ Thuật Target Tracking

Dùng để đo mối quan hệ của phạm vi (range), góc phương vị, góc ngẩng, và vậntốc Bằng cách sử dụng các thông số đo được radar có thể các giá trị tiếp theo Target tracking rất quan trọng với các hệ thống radar dùng trong quân đội cũng như đối với các hệ thống radar dùng trong dân sự.

Kĩ thuật tracking được chia làm 2 loại:

- tracking phạm vi và vận tốc

- tracking góc

Những giới hạn của hệ radar quét dùng cơ khí:

- thay đổi vị trí của anten chậm

- thời gian tương tác bị giảm

- Xuất hiện vùng mù không quan sát được mục tiêu trong vùng này

- Xảy ra lỗi cơ khi nếu hệ thống không được bảo trì sau một quá trình hoạt động

Hệ thống quyet điện tử:

- Tăng tốc độ dữ liệu

- Thay đổi vị trí búp sóng ngay lập tức

- Loại trừ được lỗi cơ khí xảy ra trong khi hệ thống hoạt động

- Hoạt động ở nhiều chế độ

- Quan sát và bám nhiều mục tiêu cùng lúc

Để thực hiện được các chức năng như vậy thì hệ thống radar cần phải sử dụng một hệ thống anten thông minh và linh động, ví dụ : phased array (mảng đồng pha)

Kiến trúc Phased Array

khái niệm tổng quát của anten

mảng pha (phased array) là một

mẫu của sự kết hợp giữa các

phần tử về điện để tạo ra búp

sóng của Radar có một hướng

riêng biệt Hệ thống anten sử

dụng các phần tử dịch pha để

lái búp sóng của Radar về

những sector được quét Nguồn

sóng vô tuyến tạo ra dạng sóng

của Radar mà được chia vào

những đường riêng được gọi là

các kênh nguyên tố mỗi kênh

chứa một phần tử dịch pha và

một bộ khuêch đại Một mẫu

bức xạ lý tưởng từ một phần tử anten đơn bao phủ sector được quét với độmạnh tín hiệu giảm mạnh ngoài sector đó Khi tất cả các phần tử dịch pha củamảng được sắp xếp thẳng hàng thì mảng sẽ tạo ra một búp sóng chính theohướng quét mong muốn

Ví dụ mảng tuyến tính của K phần tử:

Trong các ứng dụng phased array cho phép chuyển gần như lập tức từ một mục tiêu này đến một mục tiêu khác, và dò tìm trong chế độ bám mục tiêu.

Các nguyên tắc bám mục tiêu

Nguyên lý cơ bản và quan trọng : Năng lượng sóng phản xạ quay trở lại từ

mục tiêu mạnh nhất trên trục của búp sóng, và giảm dần khi xa khỏi trục

Coordinate td1 = new Coordinate (1,400, 400, 4000, 1000, "abc" );

Coordinate td2 = new Coordinate (2, 200, 200, 4000, 1000, "abc" );

List < Coordinate > qd1 = new List < Coordinate >();

System.Windows.Forms Timer t = new System.Windows.Forms Timer ();

//update vi tri cac May bay trong khoang thoi gian = t.Interval

void t_Tick( object sender, EventArgs e)

// select which of the three items to update

foreach ( FlyingItem item in listTarget)

{

//khoang cach di duoc cua muc tieu trong 1 s

double s = item._current.velocity * 1000 / (3600000 * 3);

//toa do tuong doi giua diem di va diem den

double x = item._to.X - item._current.X;

double y = item._to.Y - item._current.Y;

double chenhlech_kc = Math Sqrt(x * x + y * y);

double gocngang = Math Acos(x / chenhlech_kc);

//doi sang do.

gocngang = gocngang / 0.0174532925d;

if (y < 0)

{

gocngang = 360d - gocngang;

}

//doi sang radian de tinh sin va cos

gocngang *= 0.0174532925d;

double z = item._to.Z - item._current.Z;

double gocdung = Math Asin(z / Math Sqrt(z * z + chenhlech_kc * chenhlech_kc));

//toa do muc tieu sau 1s

double z1 = item._current.Z + (s * Math Sin(gocdung));

double chenhlech_kc1 = ( float )(s * Math Abs( Math Cos(gocdung)));

double x1 = item._current.X + chenhlech_kc1 *

if (_radar._az + 20 > Radar getAzimuth(current) && _radar._az - 20

< Radar getAzimuth(current) && Radar getRange(current) <=

pictureBox1.Width / 2 && ( Radar getRange(item._current) *

Math Sin(max_angle)) > item._current.Z)

{

bool Flag = true ;

for ( int j = 0; j < lvTarget.Items.Count; j++)

{

if (lvTarget.Items[j].Text.Trim() == item.ID.ToString().Trim())

int rg = ( int ) Radar getRange(item._current);

lvItem.SubItems[3].Text = (rg.ToString());

lvItem.SubItems[4].Text = (item._current.Z.ToString()); lvItem.SubItems[5].Text =

// select which of the three items to update

for ( int m=0;m<listTenlua.Count;m++)

{

Rocket item= listTenlua[m];

//khoang cach di duoc cua muc tieu trong 1 s

double s = item._current.velocity * 1000 / (3600000*3);

//toa do tuong doi giua diem di va diem den

double x = item._to.X - item._current.X;

double y = item._to.Y - item._current.Y;

double chenhlech_kc = Math Sqrt(x * x + y * y);

double gocngang = Math Acos(x / chenhlech_kc);

//doi sang do.

Math Asin(z / Math Sqrt(z*z+chenhlech_kc*chenhlech_kc));

//toa do muc tieu sau 1s

double z1 = item._current.Z+(s* Math Sin(gocdung));

double chenhlech_kc1 = ( float )(s * Math Abs( Math Cos(gocdung)));

double x1 = item._current.X + chenhlech_kc1 *

//tim vi tri hien tai cua muc tieu

for ( int i = 0; i <listTarget.Count; i++)

{

FlyingItem mb = listTarget[i]; if (mb.ID == item.targetID) {

if (( int )mb._current.X == ( int )item._current.X && ( int )mb._current.Y == ( int )item._current.Y) {

for ( int n=0;n<_radar.TargetList.Count;n++) {

FlyingItem mb1 = _radar.TargetList[n]; if (mb1.ID == item.ID ) _radar.TargetList.Remove(mb1);

}

for ( int n = 0; n < _radar.TargetList.Count; n++) {

FlyingItem mb1 = _radar.TargetList[n];

if (mb1.ID == mb.ID) _radar.TargetList.Remove(mb1); }

for ( int n = 0; n < lvTarget.Items.Count; n++) {

if (lvTarget.Items[n].Text == mb.ID.ToString()) {

lvTarget.Items.Remove(lvTarget.Items[n]); }

if (lvTarget.Items[n].Text==item.ID.ToString()) lvTarget.Items.Remove(lvTarget.Items[n]); }

listTenlua.Remove(item); listTarget.Remove(mb);

backgroundWorker1.RunWorkerAsync(); MessageBox Show( "Mục tiêu đã bị tiêu diệt" );

}

else

{

item._to = mb._current;

_radar.AddItem(item);

if (_radar._az + 20 > Radar getAzimuth(current) &&

_radar._az - 20 < Radar getAzimuth(current) && Radar getRange(current) <= pictureBox1.Width / 2 && ( Radar getRange(item._current) *

Math Sin(max_angle)) > item._current.Z)

{

bool Flag = true ;

for ( int j = 0; j < lvTarget.Items.Count; j++)

lvItem.SubItems.Add( Radar getAzimuth(item._current).ToString()); double rg = Radar getRange(item._current); lvItem.SubItems.Add(rg.ToString()); lvItem.SubItems.Add(item._current.Z.ToString()); lvItem.SubItems.Add(item._current.velocity.ToString()); lvItem.BackColor = item._color; lvTarget.Items.Add(lvItem); }

}

}

}

}

}

}

}

private void Form1_Load( object sender, EventArgs e) {

_radar = new Radar (pictureBox1.Width,pQuetThang.Width,pQuetThang.Height,pQuetVong Width); _radar.numberOfSpirals = 3; pictureBox1.Image = _radar.Image; _radar.ImageUpdate += new ImageUpdateHandler (_radar_ImageUpdate); _radar.DrawScanInterval = speed; txtMaxAngle.Text = _radar.maxAngle.ToString(); trackBarSpeed.Maximum = 20; trackBarSpeed.TickFrequency = 1; pQuetThang.Image = _radar.outputImageStraightSweep; pQuetVong.Image = _radar.outputImageCircleSweep; pXoanOc.Image = _radar.outputImageSpiralSweep;

}

void _radar_ImageUpdate( object sender, ImageUpdateEventArgs e) {

// this event is important to catch!

pictureBox1.Image = e.Image;

pQuetThang.Image = _radar.outputImageStraightSweep;

//may bay 1- dan su - mau do

Coordinate toado1 = new Coordinate (1, 439, 451, 10, 1000, "abc" ); Coordinate toado2 = new Coordinate (2, 101,377, 10, 1000, "abc" ); List < Coordinate > qd= new List < Coordinate >();

qd.Add(toado1);

qd.Add(toado2);

FlyingItem mb = new FlyingItem ( "Dân sự" , 1, qd, Color Red);

MainForm listTarget.Add(mb);

//may bay 2- dan su- da troi

toado1 = new Coordinate (1, 239, 480, 8, 800, "abc" );

toado2 = new Coordinate (2, 440, 157, 8, 800, "abc" );

qd = new List < Coordinate >();

qd.Add(toado1);

qd.Add(toado2);

mb = new FlyingItem ( "Dân sự" , 2, qd, Color Blue);

MainForm listTarget.Add(mb);

//may bay 3 - quan su(ta)

toado1 = new Coordinate (1, 494, 115, 12, 2000, "abc" );

toado2 = new Coordinate (2, 352, 428, 12, 2000, "abc" );

qd = new List < Coordinate >();

toado1 = new Coordinate (1, 227, 79, 14, 2000, "abc" );

toado2 = new Coordinate (2, 436, 483, 14, 2000, "abc" );

qd = new List < Coordinate >();

toado1 = new Coordinate (1, 58, 242, 6, 1200, "abc" );

toado2 = new Coordinate (2, 512, 372, 6, 1200, "abc" );

qd = new List < Coordinate >();

toado2 = new Coordinate (2, 390, 419, 12, 1500, "abc" );

qd = new List < Coordinate >();

public Coordinate _current;

public Coordinate _to;

public string _category;

public int ID;

public List < Coordinate > airline= new List < Coordinate >();

public Color _color;

public FlyingItem()

{ }

public FlyingItem( int targetID)

{

_current = new Coordinate (0, 300, 300, 0, 4000, "abc" );

_to = new Coordinate (1, 600, 600, 0, 0, "abc" );

_category = "Tên lửa" ;

}

// ve cac muc tieu tren man hinh scan cua radar

public void DrawItem( Radar radar, Graphics g)

{

PointF cp = new PointF (( float )_current.X, ( float )_current.Y);

//loai 1 - Hinh vuong - Quan ta

if (_category == "Quân sự (ta)" )

{

//PointF cp = radar.AzRg2XY(_azimuth, _range);

//cp = this.From;

PointF topLeft = new PointF (cp.X - (( float )8 / 2), cp.Y - (( float )8 / 2));

g.FillRectangle( new SolidBrush (_color), new RectangleF (topLeft,

new SizeF (( float )8, ( float )8)));

}

//loai 2 - Hinh tron - Dan su

else if (_category == "Dân sự" )

{

//PointF cp = radar.AzRg2XY(_azimuth, _range);

PointF topLeft = new PointF (cp.X - (( float )8 / 2), cp.Y - (( float )8 / 2));

g.FillEllipse( new SolidBrush (_color), new RectangleF (topLeft, new

SizeF (( float )8, ( float )8)));

}

//loai 3 - Hinh tam giac - Quan dich

else if (_category == "Quân sự (địch)" )

{

//PointF cp = radar.AzRg2XY(_azimuth, _range);

PointF _topLeft = new PointF (cp.X - (( float )8 / 2), cp.Y - (( float )8 / 2));

PointF p1 = new PointF ((( float )_topLeft.X + (( float )8 / 2F)),

GraphicsPath _gp = new GraphicsPath ( FillMode Winding);

_gp.AddPolygon( new PointF [] { p1, p2, p3 });

g.FillPath( new SolidBrush (_color), _gp);