Kỹ thuật nén xung trong các hệ thống rađa hiện đại

8-9, 2008: Nghiên cứu kĩ thuật phát tín hiệu mã xen kẽ tìm kiếm các mục tiêu gần và xa trong các hệ thổng rađa hiện đại ■ 01 simulation program of Pulse Compression ■ 01 thesises of und

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN

* * * * * * * * *

KỸ THUẬT NÉN XƯNG TRONG CÁC HỆ THỐNG

RAĐA HIỆN ĐẠI

(Pulse compression technique using ỉn modern radar systems)

MÃ SỐ: QT-08-09

THS LÊ QUANG THẢO

rTiẠl HC-: / ' ~ n

HÀ NỘI - 2008

1 Báo cáo tóm tắt (tiếng Việt)

ThS Lê Quang Thảo

d Mục tiều và nội dung nghiên cứu

Tìm hiểu các kĩ thuật xử lí túi hiệu số cho các hệ thống rađa hiện đại, đặc biệt là

kỹ thuật nén xung tăng độ phân giải mục tiêu

e Các kết quả đạt được

■ 01 bài báo VNU 2008: Simulation of Alternative Transmission of Barker Code and M-Code in Radar System to Detect Near and Far Targets

■ 01 bài báo in Kỷ yếu Proceedings of ICT.rda'08 Hanoi Aug 8-9, 2008:

Ngbỉên cửu kĩ thuật phát tín hiệu mã xen kẽ tìm kiếm các mục tiêu gần và

xa trong các hệ thống rađa hiện đại

■ 01 chương trình mô phỏng kỹ thuật nén xung

■ 01 khóa luận tốt nghiệp sinh viên khóa K49, 2008

f Tình hình kỉnh phí của đề tài: Đã thanh toán hết kinh phí của đề tài

Chi phí hết kinh phí tạm ứng của đề tài là: 20.188.000VNĐ

- Thuê khoán chuyên môn: 12.000.000VNĐ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN

2 Summary {by English)

a Project, code

P u lse com pression technique using in m odern radar system s

b Main responsible person

MS Do Trung Kien, Faculty of Physics,

Hanoi University of Science (HUS), Hanoi National University

c Incorporated members

MS Nguyen Anh Due

MS Le Quang Thao

d Purposes and contents

Reseach of pulse compresson for improvement of radar resolution

e Results

■ 01 paper of VNU Journal

Simulation of Alternative Transmission of Barker Code and M-Code in Radar System to Detect Near and Far Targets

■ 01 paper of Proceedings of ICT.rda'08 Hanoi Aug 8-9, 2008:

Nghiên cứu kĩ thuật phát tín hiệu mã xen kẽ tìm kiếm các mục tiêu gần và

xa trong các hệ thổng rađa hiện đại

■ 01 simulation program of Pulse Compression

■ 01 thesises of undergraduated student K49, 2008

MỤC LỤC

MỤC LỤC 4

MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 5

CÁC KÉT QUẢ CHÍNH 6

1 KỸ THUẬT NÉN XUNG TRONG CÁC HỆ THỐNG RAĐA 6

1.1 Tổng quan về hệ thống rađa 6

1.2 Kỹ thuật nén xung nâng cao độ phân giải 7

2 Nén xung sử dụng mã Barker 9

2.1 Sự tương quan 10

2.2 Mã Barker 13

3 Kết quả mô phỏng việc phát mã xen kẽ, điều chế BPSK và quá Ưình nén xung 14 3.1 Phát mã Barker và mã M đan xen, điều chế BPSK 14

3.2 Mô phỏng nén xung mã Barker và mã M 16

KẾT LUẬN 19

TÀI LIỆU THAM KHẢO 20

PHỤ LỤC 21

TÓM TẮT CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN c ứ u CỦA CÁ NHÂN 30

SCIENCE PROJECT 32

PHIẾU ĐẢNG KÍ KẾT QỦA NGHIÊN c ứ u KHOA HỌC 33

MỤC TIÊU ĐÈ TÀI

Rađa là một hệ thống điện tử rất có nhiều ứng đụng trong kĩ thuật quân sự cũng như dân sự Sự phát triển của rađa gần như gắn liền với các cuộc chiến tranh lớn trên thế giới giữa các cường quốc hùng mạnh Ngày nay, rađa có những ứng dụng vỏ cùng hữu ích trong thực tế đời sống xã hội

Việc nghiên cứu và triển khai các hệ thống rađa tại Việt Nam là một yêu cầu thực

tế không thể phủ nhận, giúp cho việc vận hành, phát huy và tự chế tạo được các hệ thống theo yêu cầu, phù hợp yêu cầu và giá thành hợp lí

Việc nghiên cứu này tập trung chủ yếu vào khai thác thêm các bài toán rađa hiện đại, dựa vào các kĩ thuật, các linh kiện và thuật toán hiện đại để có thể triển khai những ứng dụng độ chính xác cao

Công việc chính của đề tài là tập trung kỳ thuật nén xung số của rađa, đưa thêm vào giải pháp phát mã xen kẽ để dò quét các mục tiêu gần và xa Với các tín hiệu cao tần, việc triển khai còn hạn chế, nghiên cứu đi vào việc kiểm tra giải pháp thông qua công cụ mô phỏng Matlab Simulink

Nhân dịp này, tôi xin trân ữọng cảm ơn Đại học Quốc gia Hà nội, Ban Giám hiệu, Phòng Khoa học và Công nghệ, Phòng Ke hoạch tài vụ, Ban chủ nhiệm Khoa Vật lý Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã giúp đỡ và tạo điều kiện về mặt tài chính và các thủ tục khác trong suốt thời gian tôi làm đề tài

Xin trân trọng cảm om

1880 bởi nhà vật lý người Đức Heinrich Hertz ở cuối nhừng năm 1880.

Vào năm 1904, Christian Hiilsmeyer nhận được một bằng sáng chế cho thiết bị

gọi là Teỉemobiloscope (hay thiết bị quan sát vật thể từ xa) Nó được đề nghị sử dụng

như một thiết bị tránh va trạm cho những con tàu Nhưng nó không thu hút được sự chú ý và nhanh chóng rơi vào quên lãng

Năm 1922, Guglielmo Marconi đã có một bài diễn thuyết,ông có ý tưởng cho rằng có thể phát hiện các vật thể từ xa sử dụng sóng vô tuyển Nhưng mãi đến năm

1933 ông mới đưa ra được thiết bị đầu tiên như vậy

Năm 1925/26, 2 nhà vật lý người Mỹ, và 2 nhà nghiên cửu người Anh đưa ra những thí nghiệm đo các thông số của khí quyển sự dụng thiết bị phát xung vô tuyến

và được coi như là một radar

Năm 1933 khi mà Hitler lên nắm quyền ở Đức thì viện German Kriegsmarine

(Navy) bắt đầu nghiên cứu Funkmesstecknik hay còn gọi là công nghệ đo đạc từ xa.

Những nghiên cứu ờ nước Nga bắt đầu từ những năm 1934, Nhưng ban đầu gặp phải những khó khăn do vấn đề chính trị, tuy vậy vẫn cho ra đời thiết bị phát hiện máy bay từ khoảng cách 70 km

Những năm 1935-37,Sir Robert Watson-Watt (1892-1973) đã thành công trong việc tạo ra một hệ thống thiết bị cho phép phát hiện máy bay ném bom từ khoảng cách

150 km thậm trí còn xa hơn Và ông được coi là người phát minh ra hệ thống radar hoàn chỉnh

Và đến năm 1939, thì các hệ thống như vậy đã xuất hiện ở các nước như là: Anh, Pháp, Đức, Hungary, Ý, Nhật, Hà Lan, Phần Lan, Nga và Mỹ

Thời kỳ chiến tranh thế giới lần thứ II, cùng với sức mạnh của người Đức, sự ác liệt cùa chiến tranh, tốc độ phát triên của khoa học quân sự Radar trở thành một khí tài quân sự không thê thiếu với quân đội bất cứ nước nào Làm cho sự phát triển của radar đạt được những kết quả rất lớn

Sau chiến tranh thế giới thứ II, người Đức đã tạm dừng tât cả các nghiên cứu vê radar, cho đến năm 1950 bất kỳ một dự án nghiên cứu nào về radar đều bị cẩm Rất nhiều nhà nghiên cứu đã phải di cư sang các nước khác để có thể tiếp tục sự nghệp của mình.

Radar được bảo mật rất cao trong suốt chiến tranh thế giới II, và chỉ đên năm

1946 thì một thiết bị của người Mỹ đã được công bố rộng rãi, nó dùng để đo khoảng cách đến mặt trăng (và nó cho kết quả là khoảng 385 000 km),và đến bây giờ người ta biết rằng thậm chí người Hungary đã làm được được điều tương tự từ năm 1944

Thời kỳ chiến tranh lạnh (1945-1989), trong chiến tranh ở Việt Nam (1961- 1975) những tên lửa chống phản xạ được mang trên máy bay F-105 của Mỹ lần đẩu tiên được sử dụng,được quân Mỹ gọi là “Chồn hoang”

Cho đến ngày hôm nay thì ngoài mục đích phục vụ chiến tranh thì radar có mặt trong rất nhiều lĩch vực của đời sống như:

Radar trong lĩnh vực hàng không:

• Máy bay dân dụng được trang bị các thiết bị Radar để cảnh báo chướng ngại v ậ t, thăm dò đường đi và đưa ra độ cao chính xác

• Máy bay có thể hạ cánh trong sương mù tại các sân bay được trang bị hệ thống điều khiển mặt đất được hỗ trợ bởi Radar.Trong đó đường bay được theo dõi trên màn hình Radar

• Điều khiển giao thông hàng không

Đặc biệt trong lĩnh vực quân SỊT thì radar đã trở thành một trong những trang bị quan trọng quan trọng nhẩí của quan đội mỗi quốc gia:

• Rađar được sử dụng để phát hiện máy bay và tàu của đối phương.

• Radar điều khiển hoả lực để tiêu diệt mục tiêu

• Radar dẫn đường cho không quân tiêm kích , oanh tạc các mục tiêu không nhìn thấy được

• Các hệ thống giám sát và dẫn đường, Radar được sử dụng cho nghiên cứu khoa học và phòng thủ

Radar trong lĩnh vực khi tượng:

Radar cũng được ứng dụng để đo khoảng cách , diện tích địa lý ,tìm và định vị ngoài khơi

Ngoài ra, radar còn được sử đụng để nghiên cứu các hành tinh và tầng điện ly thuộc hệ mặt trời, phát hiện các tia sáng và các vật thể di chuyển ngoài không gian

1.2 Kỹ thuật nén xung nâng cao độ phân giải

Độ phân giải theo khoảng cách:

Độ phân giải theo khoảng cách của radar ỉà khả năng về khoảng cách cùa radar còn có thể phân biệt được hai hoặc nhiều mục tiêu rất gần nhau.

cr

Xung phản xạ Xung phản xạ

Vật 1

Hình 1 ỉ Độ phân giải của radar

Khả năng phân giải của radar phụ thuộc thời gian có xung:

<rr L

Vật 2

(1.1)

r: Thời gian có xung, B: Bandwidth của tín hiệu.

Ta thấy như trên hình 1 ỉ.

cr

• Trường hợp đâu khi khoảng cách giữa 2 vật là R < —:

2 xung phản xạ sẽ bị chồng chập lên nhau vì vậy radar sẽ hiểu đây là 1

v ậ t Như vậy có nghĩa ỉà nó không có khả năng phân biệt đây là 2 vật

• Trường hợp thứ 2 khi khoảng cách giữa 2 vật là R >

Khi đó 2 xung phản xạ không bị chập vào làm 1 vì vậy radar có khả

năng phân biệt đây là 2 vật

Dễ thấy nếu độ rộng xung càng ngắn thì độ phân giải càng tốt

Nhưng khi xung càng ngấn thì công suất phát trung bình càng nhỏ không đảm bảo được điều kiện phát Dan tới để dam bảo công suất phát trung bình thì công suất phát đỉnh tại thời điểm phát là rất lớn điều đó dẫn đến một loạt những khó khăn như:

• Yêu cầu về nguồn nuôi còng suất cao

• Khó khăn trong vấn đề linh kiện

Radar chế tạo ra sẽ có kích thước lớn hơn,nặng hơn,đắt hơn

Ta lấy 1 ví dụ đcm giản để thấy rõ điều này: Với yêu cầu độ phân giải p=15cm,

năng lượng của 1 xung E = 1 mJ Dễ thấy độ rộng xung của radar này là ĩ = :0 -9 s thì

với công thức: E(J) = P(w) ĩ ( s)

Ta cần phải có công suất phát là: p= 1000000 W=1 MW! một con số khủng khiếp Nếu biết ràng với yêu cầu như vậy nếu ta tăng độ rộng xung phát lên X = 0,1 ms

thì ta chi cần công suất phát p = 10 w

Hình 1.2 Công suẩt xung thay đổi sau khi nén xung

Để dung hòa được vấn đề đảm bảo được công suất phát mà vẫn giữ được độ phân giải phù hợp thì ta sử dụng kỹ thuật nén xung

2 Nén xu n g sử dụng mã Barker.

2.1 Sự tương quan

Sự tương quan là một phép toán được sử dụng trong nhiều ứng dụng cùa DSP Phương pháp này so sánh tín hiệu bổ trợ với một hoặc nhiều tín hiệu để xác định tính chất tương tự giữa các cặp tín hiệu với nhau và để xác định các thông tin bổ sung dựa trên mtính chất tương tự đó Chẳng hạn trong thông tin số, tập hợp các ký tự số liệu được biểu thị bằng một dãy số duy nhất, nếu một trong các dãy số đó được truyền đi, thì ở bên thu phải xác định được dãy số nào đã thu được bằng cách so sánh tín hiệu thu được với mỗi bit cùa các dãy khả dĩ từ tập hợp các ký tự số liệu, trong trường hợp này

là các tín hiệu phản xạ thu được từ mục tiêu, đây là các phiên bản đã bị trễ của tín hiệu truyền dẫn, và nhờ cách đo độ trễ ta có thể xác định được vị trí của mục tiêu

Một cách tổng quát, ta coi sự tương quan giữa các tín hiệu là một số đo sự phù hợp giữa các cặp tín hiệu với nhau

Trong sự tương quan ta sử dụng hai hàm là:

Hàm tương quan chéo (Cross-correlation) Hàm tự tương quan (Autocorrelation)

Để đơn giản ta xét hai dãy giá trị thực có năng lượng xác định là x[n] và y[n]

Hàm tương quan chéo được định nghĩa bởi:

x[n]* -1 1 - 1 - 1 1 1 -1 -1 -1 y[n]

Hình 2.1 Sử dụng hàm tương quan chéo

Su dung ham Auto-Correlation

Hình 2.2: Sử dụng hàm tự tương quan

Chuỗi mã Barker là chuỗi :

(2.4)

{1 1 1 1 1-1-1 1 1-1 1-1 1} ta thu được kết quả đặc biệt:

1 1 1 1 1-1-1 1 1-1 1-1 1{B13m}

1 1 1

Chỉ có một đỉnh cực đại với biên độ gấp 13 lẩn những đỉnh còn lại.

Ngoài ra, trong nghiên cứu của chúng tôi, để đồng thời tìm kiếm các đối tượng

ờ gần và xa, mã M là mã giả ngẫu nhiên được đưa thêm vào để phát xen kẽ với mã Barker Mã Barker độ dài tối đa 13 bít là mã ngẳn, sẽ được đùng để tìm các mục tiêu ở gần Mã GNN có chiều dài mã bàng 2m - 1, với m là trọng số mũ cao nhất trong đa thức nguyên thùy của mã

Một chú ý là nếu dùng mã GNN dài này để tìm kiếm mục tiêu ở gần thì sẽ xảy

ra hiện tượng xung mã chưa phát hết đi đã bị chồng chập bởi sự trở về nhanh chóng của chính xung đỏ, hoặc sự phàn xạ trở về của hai xung phản xạ từ hai mục tiêu rất gần nhau

3 K ết quả m ô ph ỏng việc phát mã xen kẽ, điều chế B P SK và quá trình nén xun g

3.1 Phát mã Barker và mã M đan xen, điều chế BPSK

Công cụ mô phỏng sử dụng ở đây là Matlab Simulink Mô hình khối tạo mã được thiết kế như trong hình 3.1 Trong mô hình này có 2 khối tạo mã, tương ứng cho

mã Barker và mã M Sau đó hai mã được bố trí lệch pha nhau và cộng lại qua bộ cộng

Kết quả được chi ra trong hình ảnh chụp của dao động kí trong hình 3.2

Hình 3.2 Tín hiệu mã Barker và mã Mphải xen kẽ

Ở kênh 1 là hỉnh ảnh của mã Barker 13 bít Ở đây để mô phỏng, mã được phát như sau: Trong một khoảng thời gian lặp lại xung 156 xung nhịp thì phát ra một mã Barker 13 bít có giá trị: {11111-1-111-11-11}

Ở kênh 2 là mã GNN với đa thức phát sinh: X 6 + X + 1 và trạng thái ban đầu {000001} cho 6 thanh ghi dịch

Với bố trí như vậy, mã GNN 26 - 1 = 63 bít được phát ra có giá trị:

{111001001011011101100110101011111100000100001100010100111101000}.Cho mã GNN phát ra trễ sau 30 xung nhịp để tránh chồng chập lên mã Barker

Ở kênh 3, 2 tín hiệu mã này được cộng lại với nhau Cuối cùng được dòng mã như sau: trong 156 xung nhịp, phát ra 13 nhịp cho mã Barker, nghi 17 nhịp rồi tiếp tục phát đi mã GNN 63 nhịp, phần cuối cùng lại về trạng thái 0

Trên thực tế, thời gian lặp lại xung phải dài hơn để các mã trong hai xung mã phải cách xa nhau Ở đây để dễ dàng quan sát, chúng tôi chọn là 156 xung nhịp

Tiếp theo, trong hình 3.3 là mô hình điều chế khóa dịch pha nhị phân BPSK (Binary Phase Shift Keying) Bằng cách tạo ra khối sin trung tần, nhân với tín hiệu mã được tạo trong hình 3.2, sẽ thu được tín hiệu BPSK trong hình 3.4

Sine W ave

Hình 3.3 Mô hình điểu chế BPSK

Hình 3.4 Điều chế khóa dịch pha nhị phán BPSK cho chuỗi mã

3.2 Mô phỏng nén xung mã Barker và mã M

Quá trình nén xung có nhiều tên gọi, là khối lọc phối hợp, là quá trinh tụ tương quan Đó là việc sử dụng các thanh ghi dịch để làm trễ đi các tín hiệu thu nhận được Sau đó tẩt cả các tín hiệu bị dịch đi này được cộng lại sẽ thành đầu ra của hàm tự tương quan

Quá trình tự tương quan của mã Barker 13 bít được mô tả trong bảng như đã trình bày ở trên

Hàm tự tương quan cho thấy sẽ có một đinh (main lobe) có độ cao bằng chiều dài chuỗi mã Barker 13 bít Còn tất cả các thùy phụ (sidelobes) có độ cao bàng 1 Quá trình cũng được thực hiện tương tự với mã GNN Sơ đồ khối mô phỏng nén xung được trình bày trong hình 3.5

' ** ệi

BP8K*iflnal Lã vảo Lối ra

T/hBPSK T/h phản xạ

Hàmtựtưdng quan

□

Dao động kí

TỉhBPSK T/h phản xạ

đáu ra

Hình 3.5 Mô phỏng quá trình nén xung tín hiệu mã xen kẽ

Trong hinh 3.5 cho thấy, có khối giả lập kênh truyền, trong đó có mô phỏng sự suy hao tín hiệu và tạp nhiễu tác động vào tín hiệu

Việc nén xung được tách thành 2 phần, một phần thiết kế cho mã Barker gồm

12 mắt trễ và bộ cộng 13 đầu vào cho 12 mắt trễ và bản thân tín hiệu phản xạ Một phần thiết kế cho mã GNN gồm 62 mắt trễ và bộ cộng 63 phần tử (hình 3.6)

r ^ i 12

Hĩnh 3.6 Aíạch nén xung cho 2 loại mã

Trong trường hợp mức tạp nhiễu thấp, ta có tín hiệu đầu ra thể hiện trên hỉnh 3.7 Trong đó, kênh 1 là tín hiệu phản xạ thu được qua kênh truyền

Tín hiệu kênh 2 là đầu ra khối nén mã Barker, có đỉnh chính có độ cao khoảng 13 Tín hiệu kênh 3 là đầu ra khối nén mã GNN, đỉnh chính có độ cao xấp xỉ 60