Bài toán mô phỏng xử lý tín hiệu số DSP trong hệ định vị vô tuyến radar = DSP Simulations in Radar System.PDF

Hệ thống radar sử dụng các dạng sóng điểu ch ế và ăng-ten định hướng để phát đi các sóng điện từ vào những khoảng không gian nhất định nhầm tìm kiếm mục tiêu.. Trước tiên, theo dạng só

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

BÀI TOÁN MỒ PHỎNG x ử LÝ TÍN HIỆU s ố DSP TRONG HỆ ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN RADAR (DSP simulations in Radar System)

O A I H O C Q U O C G I A H Á N O '

TRUNG TẦM THÔNG TIN THƯ VIỀN

1 Báo cáo tóm tắt (tiếng Việt)

Thân Thanh Anh Tuấn, K48

d Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Thực hiện thuật toán xử lý tín hiệu siêu cao tẩn radar trên môi trường mô phỏng

e Các kết quả đạt được

■ 01 báo cáo Hội nghị Vô tuyến toàn quốc, REV2006:

Estimation of R adar Detection and False Alarm Probability in the Presence

of Noise.

■ 02 bài báo Tạp chí Khoa học VNU, 2006:

Design waveform generators and filters in rad ar system

R adar digital filters using TMS320C6416T DSK

f Tình hình kinh phí của đề tài

TRƯỜNG ĐAI HOC KHOA HỌC T ự NHIÊN

HIẼU iruóng

<J T ự N H IB W ,/• J

-tìS.TS ?ĩ& úvrv

2

2 Summary (by English)

a Project, code

DSP Simulations in Radar System

Code : QT-06-07

b Main responsible person

MS Do Trung Kien, Faculty of Physics,

Hanoi University of Science (HUS), Hanoi National University

c Incorporated members

MS Tran Vinh Thang

BA Le Quang Thao

BA Nguyen Anh Due

Than Thanh Anh Tuan, K48

d Purposes và contents

Simulation of Radar Ultra-High Frequency Digital Signal Processing

e Results

■ 01 report: Biennial Vietnam Conference on Radio & Electronics (REV 2006)

- Estimation of Radar Detection and False Alarm Probability in the Presence

of Noise.

• 02 papers: Journal of Science for Mathematics - Physics 2006:

Design waveform generators and filters in rad ar system

MỤC LỤC

Mục lục 4

Mục tiêu đề tài 5

Các kết quả chính 6

1 Sơ lược về hệ thống radar [/, 2 ] 6

2 Kết quả thực nghiệm 9

Kết lu ậ n 10

Tài liệu tham k h ảo 11

Phụ lụ c 12

Scientific Project 30

Phiếu đăng ký kết quả nghiên cứu K H -C N 31

4

MỤC n Ê U ĐỂ TÀI

Radar được viết tắt từ thuật ngữ RAdio Detection And Ranging Hệ thống radar sử

dụng các dạng sóng điểu ch ế và ăng-ten định hướng để phát đi các sóng điện từ vào

những khoảng không gian nhất định nhầm tìm kiếm mục tiêu Các mục tiêu trong không gian tìm kiếm này sẽ phản xạ một phần năng lượng sóng điện từ trở lại ăng-ten Những phản xạ này sau đó sẽ được xử lý bởi khối thu radar để tách ra các thông tin của đối tượng như là vị trí, vận tốc, góc độ và các thông sô' quan trọng khác.

Radar thường được phân loại theo dạng sóng m à chúng sử dụng, hoặc theo tần số làm việc Trước tiên, theo dạng sóng, có radar sóng liên tục (Continuous Wave - CW)

và radar xung (Pulsed Radar - PR)

Các radar c w không điều chế có thể xác định chính xác vận tốc mục tiêu (dựa theo độ dịch tần Doppler) và góc tọa độ Thông tin vị trí không thể thu được nếu không

sử dụng sóng điều chế.

Radar xung dùng các chuỗi xung (thường có điều chế) Trong loại này, hệ thống radar có thể được phân loại theo tần số lặp lại xung (Pulse Repetition Frequency - PRF), như PRF thấp, PRF trung bình, và PRF cao PRF thấp dùng để xác định vị trí và không quan tâm đến vận tốc mục tiêu PRF cao mới được sử dụng chính để xác định vận tốc c w cũng như PR đều có thế’ đổng thời xác định được vị trí và vận tốc đối tượng khi sử dụng các dạng sóng điều chế khác nhau.

Công việc chính của chúng tôi tập trung vào các nguyên tắc hoạt động cơ bản của radar thể hiện trong các biểu thức toán học Mục tiêu là phân tích và hiếu thấu các cơ chế này để có thể phân tích và thiết kế các hệ thống radar thực tế.

Cuối cùng, tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, Phòng Khoa học và Công nghệ, Phòng K ế hoạch tài vụ, Ban chủ nhiệm Khoa Vật lý 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 ơn.

CÁC KẾT QUẢ CHÍNH

1 S ơ LƯỢC VỂ HỆ THỐNG RADAR [1 ,2]

Hình 1 đưa ra một sơ đổ khối của hệ thống radar xung Khối tim e control phát ra

tín hiệu đổng bộ thời gian cho toàn hệ thống Tín hiệu điều ch ế được phát ra và gửi tới

ăng-ten nhờ khối modulator/tranmitter Chuyển m ạch cho ăng-ten giữa mode phát và thu được điều khiển bởi bộ duplexer Duplexer cho phép một ăng-ten có thể dùng

chung cho cả phần phát và thu Khối thu khuếch đại tín hiệu phản xạ và đưa chúng đến

khối signal processing Thông tin thu được là đầu ra của khối này.

K

Hình 1 Sơ đồ khối của hệ thống radar xung

1.1 Vị trí

VỊ trí của mục tiêu, R, được tính từ thời gian trễ At là khoảng thời gian mà xung đi

được theo hai chiều giữa radar và mục tiêu Vì sóng điện từ di chuyển với vặn tốc ánh

sáng, c = 3 X 10H m/s, nên

2

1.2 Đ ộ p hân giải vị trí

Độ phàn giản, kí hiệu là AR, miêu tả khả năng hay khoảng cách tối tiểu mà vẫn có

thê phãn biệt các mục tiêu gần nhau

r - độ rộng xung; B - băng thông của radar

Nói chung, người vận hành và thiết kế radar luôn muốn tìm cách cải thiện khả năng hoạt động cùa radar Theo biểu thức (2), để đạt được độ phân giải cao thì cần thu hẹp độ rộng xung Nhưng khi đó sẽ giảm công suất phát và tãng băng thông Để vừa có

6

độ phân giải cao trong khi vẫn bảo đảm được công suất phát thì cần xử dụng kỹ thuật nén xung.

1.3 Tần số Doppler

Radar sử dụng tần số Doppler để xác định vận tốc mục tiêu, cũng như để phân biệt các mục tiêu chuyển động hay đứng yên Hiệu ứng Doppler miêu tả độ dịch tần số trung tâm của sóng tới khi mục tiêu chuyển động tương đối so với radar Tùy theo hướng của chuyển động, tần số này có thể có giá trị dương hoặc âm.

Sóng tới mục tiêu có các mặt đẳng pha phân tách bởi bước sóng Ả Các mục tiêu lại

gần sẽ có các mặt phẳng pha gần nhau hơn Ngược lại, các mục tiêu ra xa sẽ có các mật sóng cách nhau xa hơn, hình 2.

- ► inciikmrctleiMCil — — -

t

u

iiequeucỴ

Hình 2 Hiệu ứng của mục tiêu chuyển động lén tấn sô'sóng

f - i L f J k L

1.4 Phương trình radar

Phương trình radar đưa ra các mối quan hệ của công suất phát, các thông số truyền sóng với tín hiệu vọng Hơn nữa, gần như toàn bộ thông sô' tính toán cùa radar đều thể hiộn trong phương trình radar

(4tt) kT'BFLR*

p, - công suất đỉnh; G - hệ số khuếch đại ăng-ten; ơ - tiết diện cắt của mục tiêu

Te - nhiệt độ hiệu dụng; F - ảnh nhiễu; L - các mất mát của radar

Phạm vi cực đại có thể phát hiện, Rm 'max’

^raax =

2 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

2.1 Nâng cao tỉ số tín hiệu/tạp, khả năng phát hiện, độ phân giải của radar

Tăng tỉ số tín hiệu/tạp nhờ tăng năng suất đỉnh phát ăng-ten, tăng độ phân giải radar nhờ các xung cực ngắn Hai yêu cầu mâu thuẫn được giải quyết thỏa đáng nhờ kỹ thuật nén xung điều chế tần số tuyến tính Sự trì trễ tín hiệu vọng và dịch tần số Doppler được qua bộ lọc nhận và soi chiếu nhờ hàm mờ sẽ đánh giá chính xác vị trí và vận tốc mục tiêu.

2.2 Ước tính khả năng phát hiện và xác suất báo động lầm của radar trong trường hợp có nhiễu

Đưa ra một số kỹ thuật phát hiện mục tiêu sử dụng công cụ mô phỏng Matlab Sự phụ thuộc của xác suất phát hiện PD theo tỉ số tín hiệu/tạp, khi cố định xác suất báo động lầm để khảo sát, sẽ đưa ra sự lựa chọn thông số tốt nhất cho các hệ thống radar pfa được giữ cố định tại giá trị cho phép gần thực tế và điểu chỉnh sao cho PD cực đại

PD có thể được nâng cao khi cộng tất cả các xung phản xạ theo kỹ thuật tích phân xung tương can và không tương can Khi xem xét các mục tiêu không thãng giáng và có thăng giáng, PD sẽ giảm và tương ứng SNR cũng sẽ giảm đối với mục tiêu thăng giáng.

2.3 D esign w aveform generators and filters in ra d a r system

Kết quả này sử dụng phần mềm Goldwave để nghiên cứu những nguyên tắc hoạt động cơ bản cùa một hệ radar điển hình Dạng sóng như LFM và các chuỗi xung tương can được phát ra một cách dễ dàng nhờ các mạch điện tử số của máy tính và card, âm thanh mà không cần dùng các mạch điện tử phức tạp bên ngoài Thời gian trễ và tần số Doppler được tách ra từ tín hiệu phản xạ dùng để tính toán vị trí và vận tốc của mục tiêu Các bộ lọc cũns được thiết kế để lọc nhiễu, nâng cao tỉ số tín hiệu/tạp.

2.4 Thiết k ế bộ lọc rad ar số sử dụn g bo m ạch T M S 320C 6416T DSK

Kết quả này thực hiện các bộ lọc đáp tuyến xung hữu hạn FIR và bộ lọc xung vô hạn IIR là những bộ phận không thể thiếu trong các khối xử lý tín hiệu sô' của radar, dùng bo mạch DSP chuyên dụng TMS320C6416T DSK cùa hãna Texas Instrument Các mã c được viết với sự trợ giúp của phần mềm M atlab SPTool để tạo ra các file hệ

số phù hợp với cấu trúc địa chỉ vòng của DSK Bằng cách thay đổi các file hệ số, chúng

ta có thể tạo ra các bộ lọc khác nhau tại các vùng tần số khác nhau.

KẾT LUẬN

Các kết quả của đề tài đã đưa ra được các kỹ thuật mô phỏng cho:

- Thuật toán cải thiện tỉ số tín hiệu/tạp sử dụng kỹ thuật nén xung, điển hình với xung điều tần tuyến tính LFM sử dụng trong hệ định vị vô tuyến radar.

- Hiệu ứng của thời gian trễ và độ dịch tần Doppler được xử lý bởi các bộ lọc thích hợp và được phân tích bởi các hàm m ờ để có thể đo được chính xác các thông tin về tọa độ và vận tốc của mục tiêu trong hệ định vị vô tuyến.

- Những tính toán về xác suất phát hiện PD và xác xuất báo động lầm p fa theo các

tỉ số SNR yêu cầu.

- Sử dụng phần mềm Goldwave, chúng ta có thể vượt qua được những khó khăn

về trang bị các thiết bị siêu cao tần trong khi nghiên cứu radar Các dạng sóng đều có thể được tạo ra dễ dàng, các ước tính về tọa độ, vận tốc và các bộ lọc số được thiết kế cho ta một công cụ tuyệt vời về mô phỏng hệ radar trong phòng thí nghiệm Các công việc sắp tới là đưa các tín hiệu này xử lv trên bo DSP, hoàn chỉnh hệ thống định vị vô tuyến radar hiện đại

- Thực hiện trên TMS320C6416T DSK, các bộ lọc sô' radar có thể được tạo ra một cách dễ dàng và linh hoạt Các tần số chúng ta muốn cho qua, muốn chặn

và dải thông cùa bộ lọc có thể được thiết kế và xuất ra thành các file hệ số trong môi trường Matlab.

Cụ thể, có 01 báo cáo Hội nghị Vô tuyến toàn quốc 2006, 02 bài báo Tạp chí Khoa học Toán - Lý VNU 2006 và 02 khóa luận tốt nghiệp sinh viên K47 2006 về các kết quả nghiên cứu mô phỏng xử lý tín hiệu số DSP cho hệ định vị vó tuyến.

10

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Bassem R Mahafza, Radar Systems Analysis and Design Using Matlab,

Chapman & Hall /CRC, 2000.

2 M errill I Skolnik, Radar Handbook, Me Graw Hill, Second edition, 1990

3 Rulph Chassaing, “Digital Signal Processing and Applications with the C6713

and C6416 DSK", John Wiley & Sons, Inc., 2005.

4 B A Shenoi, “Introduction to Digital Signal Processing and Filter Design”,

John W iley & Sons, Inc., 2006.

TM S32010/TM S32020", Digital Signal Processing Solutions, Texas Instruments,

1989.

6 “Digital Filters Using the TMS320C6000", Digital Signal Processing Solutions,

Texas Instrum ents, 1997.

PHỤ LỤC

1 Photocopy bài báo kèm bìa và mục lục Tạp chí công bố

01 báo cáo Hội nghị Vô tuyến toàn quốc 2006:

Do Trung Kien, Bach Gia Duong, Tran Thi Bich Hai, Estimation

o f Radar Detection and False Alarm Probability in the Presence

o f Noise, National Conference on Physics 2006, p.231

02 bài báo Tạp chí Khoa học Toán - Lý 2006

Journal of Science for Mathematics - Physics 2006:

- Design waveform generators and filters in radar system

- Radar digital filters using TM S320C6416T DSK

2 Photocopy bìa luận vãn Đại học được thực hiện theo hướng đề tài

Khóa luận Đại học:

• Trần Thị Bích Hải, K47 Vật lý, Bài toán về sự phát hiện mục tiêu trên nền nhiễu, 2006.

Điểm khóa luận: 10

• Bùi Quang Tuấn, K47 Vật lý, Lý tliuyết nén xung s ố của radar, 2006

Điểm khóa luận: 10

12

SESSIO N 4 SIGNAL PR O C ESSIN G & C O D IN G

Session C hair: Prof H u y n h H u u Tue Co-Chair: Prof B Finn

1 C y clic co d cs b a sed nn C yclic M u ltip licative g ro u p s (C M G s)

3 New Q u a lity M easu re for ICA: S im p le, E ffective an d In tu itive

Phan Anh H uy and N guyen K im Saeh

5 D esig n in g K a lm a n F ilters for Integration o f In ertial N avigation System

and G lob al P ositio n in g System

T D Tan H H Tuc N T Long N p Thuy, N V Chuc

7 R esea rch , d esig n and fabrication o f a d igital sign al p ro cessin g system

b ased on the tech n ology D SP56307E V M w ith high speed A /D , D/A

c o n v erter for R ad io N avigation System s

B;ich Gia D uong V'u Tuan A nh Tran Q uant; Vinh, N guyen I rung Kien and N guyen

Tu;tn Anh

236

14

E stim atio n o f R adar D etection and F alse A larm P ro b ab ility

in the Presence o f N o ise

D o T ru n g K ien a, B ach G ia D u o n g b, T ra n T h i B ich H a i a

a) F a c u lty o f P h y sic s U n iv ersity o f Scien ce, H a n o i N a tio n a l U n iv e r s ity

h> C o lle g e o j T ech n o lo g y, H a n o i N a tio n a l U n iversity.

Abstract — T his r e p o rt investigates som e im p o rtan t

techniques in r a d a r d etectio n usin g M atlab

sim ulation T h e d ep endence o f th e detection

probability p„ on th e signal to noise ra tio S N R % with

the false a larm p ro b ab ility Pj, as a p a ra m e te r,

shows the besr choice o f specifications fo r typical

r a d a r system T h e pf is held fixed at an acceptable

values and th e Pp is m axim ized T h e pfi can he

enhanced by su m m in g all o f re tu rn e d pulses in

coherenr an d n o n -co h eren t p ulse in teg ratio n

processes W hen co n sid erin g th e difference between

non-fluctuating an d flu c tu atin g ta rg e ts, th e p a will

decrease, o r eq u iv alen tly , th e S N R is reduced in

la tte r ease.

I IN TRODUCTION

The basic principle o f radar m ay be very easy to

understand, how ever, Ihe theory can be quite

complex Therefore, an acknow ledge o f the

operation is essential to w ork with ihc systems

Basically, radar is a dcvice that sends out

electromagnetic waves These waves reflect o ff o f

objects in spucc, and a proportion o f the original

wave energy IS ac tu ally bounced back towards the

radar The radar then reads this returning signals

and analyzes to determ ine m any properties about

the object These signals are com posed o f the

ceho signal s(f) and noises tiff)

Some results have been invest m ated aboul radar

signal waveform , lhc dependence of SNR on radar

parameters, am biuuily function and m atched filler

[/] Our goal for this paper w as 10 sim ulate the

dclcction o f radar syslem using M ATLAB We

will consider how llie probability o f detection

and false alarm p /u depend on SN R with non-

fluctuating target and fluctuating target for single

and integrating o f pulse.

II D ETEC TIO N TH EO RIES

Noise P ro b ab ility D ensity F u n c tio n PD F [2-4J

The majority o f noise entering the receiver is

thermal noise, caused by the inevitable

fluctuations in voltage in and around Ihc activc

region o f deviccs Noise pow er p s has Gaussian

statistics and can be w ritten in the Johnson-

Nyquist form

P s - k T tiB(W ) (I) where kis the B oltzm ann’s constant, To is system noise tem perature, B is receiver noise bandwidth The total noise at the output o f the receiver:

VỊ/ ■ ^ Vị/ * J \ 2\ụ

Iy(P) is the m odified Bessel function o f zero order,

r i s signal and noise, A IS s i g n a l a m p l i t u d e only;

f(r)dr is probability o f finding the noise voltage r

in [r r + iir]\ is variance o f the noise voltage The noise entering the fillers has Gaussian

The pfa fo r single pu lse \2-4\

The pt„is defined as the probability that noise

voltage exceed the threshold Yr when noise alone

p,u = j f ( r Mr = J - j e x p ( - ~ - r ) d r = e x p f ~ ) (6)

I, ry t- V V 2 HI 2vịí

V)

Pfais also d e fin e d a s the ra tio o f th e tim e that the

o utp u t v o lta g e is a b o v e yTto th e to ta l tim e:

The /*0 for single pulse \2-4Ị

Po is a p ro b a b ility w h e n r (l) e x ce e d the VT in the

case o f no ise p lu s sig n al U sin g E q (3 ) w c have:

A ssum e the sig n al is sin e w a v e fo rm a m p litu d e A,

its po w er is A :/2 U sin g S N R = A 1/ 2 y ' (single

pulse), (V T!/2 \ụ 2) = I n f l / P / J Eq (9 ) is rew ritten:

III term s o f the P D F s, th e d e le c tio n an d false

alarm pro cess is sh o w n g ra p h ic a lly in the Fig (2 )

In te g ra tio n im p le m e n te d b e fo re d e te ctio n is called

p re -d e te c tio n o r c o h e re n t in te g ra tio n , req u ires the

ph ase o f c c h o sig n al to be p re serv ed If a pcrfect

in te g ra to r is u sed , th e n in te g ra tin g p u lses w ould

im p ro v e th e S N R by th e sam e factor C o n sid e r the

A lte rn a tiv e ly , in te g ra tio n im p le m e n te d a fte r the

e n v elo p e d e te c to r w h e n the p h ase o f Ihc rcceivcd pulse is u n k n o w n is c a lle d p o st-d e te clio n o r no n ­

co h eren t in te g ra tio n B cc a u se p h ase is destro y ed , som e o f the e n erg y c o n v e rte d to noise in the

d c tc cto r (d e te c tio n lo sses) T h e re fo re, post-

d etcctio n S N R , th o u g h e a s ie r to a ch icv c , IS less

than c o h e re n t ease In te g ra tio n im p ro v es the Pj by red u cin g th e no ise v a ria n c e and (hus n a rro w s the

N oise and S ig n a l+ N o isc PD F s as sh o w n in Klg.(3)

Torgw Dll* Noh*

AmcJitvxiw |V o »a o «|

Fig.3 - Effect of integration on signal anti nt)i\c PDFS

before am ! after integration

T h e in te g ra tio n e ffic ie n c y is d e fin e d as:

S N R

n ( S N R „ )

w here S N R , for sin g le p u lse and S \R „ is lliat

o b tain th e sa m e P[t as S \ 'R i w hen integ ratin g n

p ulses In te g ra tio n im p ro v e m e n t factor: