Điều khiển đặc trưng hướng của anten thay đổi thích nghi theo hướng nguồn nhiễu có tính đến cực tiểu sai số đo tọa độ góc

Trong bài viết trình bày phương pháp ước lượng tham số cho hệ thống anten mạng pha tích cực để thay đổi thích nghi đặc trưng hướng của nó theo hướng nguồn nhiễu nhằm cực đại tỉ số tín/nhiễu tạp ở đầu vào thiết bị thu có tính đến cực tiểu sai số đo tọa độ góc, làm cơ sở để tính toán, thiết kế hệ thống anten của các đài rađa đa chức năng.

Nghiên cứu khoa học công nghệ ĐIỀU KHIỂN ĐẶC TRƯNG HƯỚNG CỦA ANTEN THAY ĐỔI THÍCH NGHI THEO HƯỚNG NGUỒN NHIỄU CĨ TÍNH ĐẾN CỰC TIỂU SAI SỐ ĐO TỌA ĐỘ GĨC Bùi Chí Thanh*, Phùng Ngọc Anh, Nguyễn Huy Tùng Tóm tắt: Tác chiến đại đặc trưng tốc độ biến đổi tình khơng nhanh phức tạp Các đài rađa đại sử dụng hệ thống anten mạng pha tích cực cho phép thích nghi nhanh chóng với tình Nó cho phép nâng cao khả chống nhiễu tích cực đối phương chế áp nhiễu từ phương tiện điện tử khác Tuy nhiên, việc tính tốn tham số thiết kế hệ thống anten mạng pha tích cực đòi hỏi u cầu cao cơng nghệ, giải pháp kỹ thuật thực phức tạp Trong báo trình bày phương pháp ước lượng tham số cho hệ thống anten mạng pha tích cực để thay đổi thích nghi đặc trưng hướng theo hướng nguồn nhiễu nhằm cực đại tỉ số tín/nhiễu tạp đầu vào thiết bị thu có tính đến cực tiểu sai số đo tọa độ góc, làm sở để tính tốn, thiết kế hệ thống anten đài rađa đa chức Cơ sở phương pháp phân tích mơ tốn học phụ thuộc hình dạng giản đồ hướng anten mạng pha thích nghi tích cực vào phân bố cơng suất pha tín hiệu phần tử phát xạ Mơ hình anten mạng pha thích nghi tích cực lựa chọn khảo sát mạng phẳng tuyến tính Từ khố: Anten mạng pha tích cực; Hệ số trọng lượng; Giản đồ hướng ĐẶT VẤN ĐỀ Trong lĩnh vực quân sự, hệ thống anten với hệ chuyển động khí chậm có qn tính khó đáp ứng u cầu biến đổi tình khơng nhanh phức tạp Nó khơng cho phép điều khiển đặc tính định hướng (hình dạng giản đồ hướng) cách tức thời q trình quan sát khơng gian Sự phát triển công nghệ điện tử cho phép thiết kế, chế tạo hệ thống anten sử dụng phương pháp “quét điện tử” giản đồ hướng (GĐH) Nhờ ưu điểm vượt trội mà hệ thống anten mạng pha tích cực (AMT) ngày sử dụng rộng rãi đa quân sự, hệ thống đa hàng không, hệ thống đa liên lạc vệ tinh với trái đất, liên lạc với mục tiêu di động đảm bảo an toàn cho vận tải ô tô, Trong lĩnh vực quân sự, tác chiến đại xuất nhiều tình nhiễu tích cực khơng mong muốn, đòi hỏi hệ thống đa cần nhanh chóng thích nghi hiệu với tình nhiễu Các nghiên cứu [1-3] đề xuất thuật tốn điều khiển thích nghi đặc trưng hướng hệ thống AMT theo tiêu chuẩn cực đại tỷ số tín hiệu/nhiễu đầu hệ thống ATM, theo tiêu chuẩn này, mức nhiễu đầu hệ thống AMT giảm cực tiểu nhờ thay đổi thích nghi hình dạng giản đồ hướng (ở hướng có nguồn nhiễu tác động, hệ số khuếch đại anten giảm cực tiểu) Thế nhưng, thuật tốn khơng đề cập đến tượng biến dạng búp sóng điều khiển thích nghi đặc trưng hướng hệ thống AMT theo hướng nguồn nhiễu Hiện tượng dẫn đến sai số đo tọa độ góc mục tiêu đài đa Do vậy, ước lượng tham số cho hệ thống AMT để thay đổi thích nghi GĐH theo hướng nguồn nhiễu nhằm giảm tối thiểu cơng suất nhiễu đầu vào máy thu đa, có tính đến cực tiểu sai số đo tọa độ góc mục tiêu nghiên cứu báo MƠ HÌNH TỔNG QT ANTEN MẠNG PHA TÍCH CỰC CHO ƯỚC LƯỢNG THAM SỐ 2.1 Mơ hình tổng qt Mơ hình tổng qt hệ thống anten mạng pha tích cực đưa hình Trong Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 66, - 2020 71 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử đó: K1 ÷ K2n hệ số trọng lượng; Σ lấy tổng kênh thành phần; HC hướng chính; HNN hướng nguồn nhiễu,  góc tạo hướng hướng nguồn nhiễu Hướng (HC) hướng bám sát mục tiêu hệ thống AMT trùng với pháp tuyến mạng phẳng tuyến tính Hướng nguồn nhiễu (HNN) lệch so với hướng góc θ Bộ phân tích nhiễu điều khiển thích nghi đặc trưng hướng thực phân tích, đánh giá đặc trưng thống kê tọa độ nguồn nhiễu, từ đó, thiết lập trọng số K  K n nhằm thay đổi phân bố biên độ pha tín hiệu phần tử phát xạ mạng anten nhằm hình thành đăc trưng hướng hệ thống AMT theo yêu cầu thu, phát lượng siêu cao tần Hình Mơ hình tổng qt hệ thống anten mạng pha tích cực 2.2 Nguyên lý điều khiển thích nghi đặc trưng hướng hệ thống AMT Cơ sở vật lý điều khiển đặc trưng hướng hệ thống AMT thay đổi quy luật phân bố pha cơng suất tín hiệu thành phần phát phần tử mạng cho chúng cộng pha không gian phát, thu chúng pha đầu vào lấy tổng tín hiệu kênh thành phần hướng xác định Do đó, lượng tồn mạng tập trung vào hướng cần quan sát Việc phát từ phần tử phát xạ “i” hệ thống AMT đặc trưng giản đồ định hướng fi(θ,α) Khi đó, vùng xa trường nhận trường tổng, đặc trưng cho đặc trưng hướng hệ thống anten mạng [4]: 2n   ,     f i  ,   (1) i 1 Trong đó: 2n số lượng đầu phát xạ anten Cơ sở để lựa chọn hình dạng GĐH hệ thống AMT thực sau phân tích, đánh giá tính chất nguốn nhiễu Tín hiệu đầu hướng có dạng [4]: y (t ) HC  yV (t ) K  K  K n 1  K n  đây, yV e j t  (2) tín hiệu đầu vào hệ thống AMT Tín hiệu đầu hệ thống AMT hướng nguồn nhiễu có dạng [4]: 72 B C Thanh, P N Anh, N H Tùng, “Điều khiển đặc trưng hướng … sai số đo tọa độ góc.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ y (t ) HNN  yV e j t  K f d ,  ,  HNN   K f d ,  ,  HNN        K n 1 f n 1 d ,  ,  HNN   K n f n d ,  ,  HNN  (3) Ở đây, 0 độ dài bước sóng xạ; d khoảng cách phần tử phát xạ liên tiếp mạng Từ biểu thức cho thấy, tín hiệu có ích nhiễu đầu hệ thống AMT (đầu vào máy thu) phụ thuộc vào trọng số K  K n Như vậy, để đạt giá trị cực đại tỉ số tín/nhiễu tạp đầu hệ thống AMT cần ước lượng giá trị trọng số K  K n với giả thiết xác định góc hướng nguồn nhiễu Về chất thay đổi phân bố trường lượng sóng phát từ phần tử riêng biệt mạng anten thông qua việc lựa chọn phù hợp trọng số K  K n để có đỉnh cực đại phát xạ hướng cần thiết, đồng thời tạo khe lõm hướng có nguồn nhiễu tích cực nhằm hạn chế tác động nguồn nhiễu thu hạn chế trinh sát điện tử đối phương phát ƯỚC LƯỢNG THAM SỐ CỦA HỆ THỐNG ANTEN MẠNG PHA TÍCH CỰC 3.1 Giả thiết cấu trúc hệ thống AMT điều kiện khảo sát Để đơn giản cho việc tính tốn, cấu trúc hệ thống AMT xem xét mạng phẳng tuyến tính gồm 2n phần tử xạ, phần tử phát xạ mạng phần tử độc lập, khoảng cách phần tử d (hình 1) Các trọng số K  K n đặc trưng cho hệ số truyền tín hiệu phần tử xạ hệ thống AMT mô tả biểu thức toán học: K  w1  jw , K  w3  jw , K n  w4 n 1  jw n (4) Ở đây, w1 , w3 , w4 n 1 tương ứng phần thực; w2 , w4 , w4 n phần ảo 3.2 Phương pháp ước lượng tham số hệ thống AMT Với giả thiết cấu trúc hệ thống AMT mạng phẳng tuyến tính tín hiệu đầu hướng có dạng: y (t ) HC  yV (t )w1  jw2   w3  jw4    w4 n 3  jw4 n    w4 n 1  jw4 n  (5) đây, yV e j t tín hiệu đầu vào hệ thống AMT Để tín hiệu đầu hướng yV e j t điều kiện sau cần thoả mãn [6]: w1  w3   w4 n3  w4 n 1    w2  w4   w4 n2  w4 n  (6) Nếu có k nguồn nhiễu tín hiệu đầu hệ thống AMT hướng nguồn nhiễu có dạng [6]:    j t K1  cos 1  j sin 1   K  cos   j sin    j t y (t ) HNN  yV e    yV e  A  jB  (7)     K n 1  cos   j sin    K n  cos 1  j sin 1   Ở đây, 0 độ dài bước sóng xạ; A, B tương ứng phần thực phần ảo khai triển biểu thức […] phương trình Các hệ số  , ,  n xác định sau: k  j   2 (n  j )d  d /  / 0  sin  HNNi , j  1, ,4 i 1 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 66, - 2020 73 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Để nhận giá trị nhỏ tín hiệu đầu hệ thống AMT HNN cần thực điều kiện [6]: A  0&B  (8) Khi đó, giản đồ hướng anten thu, phát hệ thống AMT có dạng: yP    A  B f   (9)  n d  sin  sin     ,   2 , d  0 f    0  d  sin  sin     KẾT QUẢ MƠ PHỎNG, KHẢO SÁT Hình đưa kết tính tốn đặc trưng hướng hệ thống AMT gồm: phần tử phát xạ (hình a) tương ứng với hướng nguồn nhiễu  HNN  600 (nét liền)  HNN  450 (nét đứt) Các trọng số tương ứng tìm từ việc giải phương trình (6, 8) là:     cos sin  HNN  cos sin  HNN  2   ; w  0.5; w     ; phần tử phát xạ w1  0.5; w2      sin  sin  HNN  sin  sin  HNN  2  2  - hình b tương ứng  HNN  50 (nét +) với trọng số w1  w3  w5  w7  0.25, w2  w4  w6  w8  Trong điều kiện khơng có nhiễu tích cực tác động, khơng thiết phải giải phương trình (8) để tạo khe lõm đặc trưng hướng Kết nhận đường “đường liền” Kết tính tốn mơ báo thực phần mềm MATLAB (a) (b) Hình Đặc trưng hướng hệ thống AMT gồm (a) phần tử, đường liền ứng với  HNN  600 , đường nét đứt (  HNN  450 ,) (b) phần tử,  HNN  50 ( đường nét +) Phân tích hình cho thấy rằng, lựa chọn hợp lí phân bố pha cơng suất tín hiệu thành phần phát xạ cho phép tạo khe lõm đặc trưng hướng hướng có nguồn nhiễu Tuy nhiên, tượng “méo” búp sóng đặc trưng hướng anten (hướng bám sát mục tiêu) xuất thay đổi dạng phân bố pha công suất tín hiệu thành phần phần tử phát xạ nhằm đạt khe lõm đặc trưng hướng thay đổi thích nghi theo hướng nguồn nhiễu Hiện tượng “méo” thể khía 74 B C Thanh, P N Anh, N H Tùng, “Điều khiển đặc trưng hướng … sai số đo tọa độ góc.” Nghiên cứu khoa học công nghệ cạnh: độ rộng, đỉnh cực đại so với hướng pháp tuyến mạng anten (hướng 00) tính đối xứng so với đỉnh cực đại búp sóng bị thay đổi khi thay đổi dạng phân bố pha cơng suất tín hiệu thành phần phần tử phát xạ mạng Điều làm tăng sai số đo tọa độ góc mục tiêu tăng thăng giáng tín hiệu phản xạ từ chúng Để khắc phục “méo” thay đổi quy luật phân bố pha cơng suất tín hiệu thành phần phát phần tử mạng nhằm thích nghi với hướng nguồn nhiễu điểm cực đại cánh sóng GĐH phải trùng với pháp tuyến anten Khi đó, đạo hàm theo biến  biểu thức phần thực “A” phần ảo “B” phương trình phải không   0 , tức cần thực điều kiện sau: A B  0;  với     (10) Giải phương trình 10 cho phép xác định trọng số phức K  K n , định quy luật phân bố pha cơng suất tín hiệu thành phần phát phần tử mạng Hình đưa kết tính tốn đặc trưng hướng hệ thống AMT gồm phần tử phát xạ phần mềm MATLAB Đối với hình 3a, điều kiện ban đầu lựa chọn là: w1  0.25; w2  0.25; w3  0.25; w5  0.25 Các trọng số tương ứng tìm từ việc giải phương trình (6, 8, 10) là: w4  0.2637; w6  0.2637; w7  0.25; w8  0.25 với  HNN  500 (đường liền), đường “+” ứng với w1  w3  w5  w7  0.25, w2  w4  w6  w8  Kết mô hình 3b tương ứng với điều kiện ban đầu là: w1  0.25; w3  0.25; w5  0.25; w7  0.25 Các trọng số tìm từ việc giải phương trình (6, 8, 10) là: w2  0.0534; w4  0.0534; w6  0.0534; w8  0.0534 với  HNN  600 ; w2  0.0134; w4  0.0134; w6  0.0134; w8  0.0134 với  HNN  750 (a) (b) Hình Đặc trưng hướng hệ thống AMT gồm phần tử: a) tương ứng với hướng nguồn nhiễu so với pháp tuyến anten  HNN  500 (đường liền), đường “+” tương ứng w1  w3  w5  w7  0.25, w2  w4  w6  w8  ; b)  HNN  60 (đường chấm),  HNN  75 (đường đứt nét) Kết tính toán phầm mềm Matlab đánh giá hiệu phương pháp ước lượng trọng số hệ thống AMT thích nghi theo hướng nguồn nhiễu tích cực thể Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 66, - 2020 75 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử cụ thể bảng sau: Giả thiết phân bố biên độ pha Số lượng (giá trị trọng số hệ thống AMT) phần tử θHNN phát xạ Phân bố biên Sử dụng phương pháp (độ độ pha tín hiệu ước lượng trọng số thích góc) trong phần tử mạng nghi theo hướng nguồn mạng anten nhiễu (hình 2a) w1  w3  0.5; (hình 2a) w1  w3  0.5; γ (dB) Δθsl Δθ20dB (độ (độ góc) góc) w1  w3  0.5; 450 34.8 9.30 11.60 -600 43.5 2.70 10.30 500 -36.8 7.10 8.90 500 -36.4 00 00 w1  w3  w5  w7  0.25; w2  0.0534; w4  0.0534; 600 w  w  w  w  w   0534 ; w   0534 (hình 3b) 8 -32.6 00 00 -28.2 00 00 w2  w4  w2  w4  w2  0.2477; w4  0.2477 w1  w3  0.5; w2  0.1064; w4  0.1064 w  w  w  w  0.25; w1  w3  w5  w7  0.25; w4  0.1824; w6  0.1824; (hình 3a) w2  w4  w6  w8  w7  0.25; w8  0.25 w  w  w  w  0.25; w1  w3  w5  w7  0.25; w4  0.2637; w6  0.2637; (hình 3a) w2  w4  w6  w8  w7  0.25; w8  0.25 w1  w3  w5  w7  0.25 w  w  w  w  0.25 w1  w3  w5  w7  0.25; w  0.0134; w  0.0134; -750 (hình 3b) w2  w4  w6  w8  w6  0.0134; w8  0.0134 Ở đây, γ – Hệ số giảm nhiễu đầu vào máy thu đa sử dụng hệ thống AMT; γ = KHNN/K0 với K0 – hệ số khuếch đại anten hướng nguồn nhiễu so với đỉnh cực đại GĐH phân bố biên độ pha tín hiệu phần tử mạng anten; KHNN – hệ số khuếch đại anten hướng nguồn nhiễu so với đỉnh cực đại GĐH sử dụng phương pháp ước lượng trọng số hệ thống AMT đề cập báo; Δθsl – Góc sai lệch đỉnh cực đại cánh sóng thay đổi thích nghi GĐH anten theo hướng nguồn nhiễu so với hướng pháp tuyến anten; Δθ20dB – Độ thăng giáng bề rộng cánh sóng mức -20 dB so với đỉnh cực đại GĐH ước lượng trọng số hệ thống AMT thích nghi theo hướng nguồn nhiễu,  20 dB    1 ; θHNN – Góc hướng nguồn nhiễu so với pháp tuyến hệ thống AMT; Các đại lượng Δθsl, θ0, θ1, θHNN, K0, KHNN biểu đạt hình 76 B C Thanh, P N Anh, N H Tùng, “Điều khiển đặc trưng hướng … sai số đo tọa độ góc.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ θ0 θ1 Δθsl dB 10 -10 -20 -30 -40 -50 HNN K0 KHNN -60 -40 -20 20 40 60 θ0 Hình Đặc trưng hướng hệ thống AMT, “đường liền” tương ứng thực phân bố biên độ pha tín hiệu phần tử phát xạ, “đường đứt đoạn” tương ứng với trọng số từ việc giải phương trình (6), (8) Phân tích kết mơ hình bảng cho thấy việc thay đổi quy luật phân bố pha biên độ tín hiệu thành phần phát phần tử mạng nhằm thích nghi với hướng nguồn nhiễu không dẫn đến tượng “méo” cánh sóng GĐH anten, cho phép nâng cao độ xác đo tọa độ góc mục tiêu KẾT LUẬN Trên sở phương pháp ước lượng trọng số anten mạng pha tích cực trình bày phần kết tính tốn, mơ phần báo cho phép giải vấn đề: Thứ nhất, tỉ số tín/tạp đầu vào máy thu đạt giá trị cực đại khe lõm GĐH anten trùng với hướng có nguồn nhiễu tích cực nhờ xác định phân bố pha biên độ tín hiệu thành phần phần tử xạ mạng; Thứ hai, khắc phục tượng méo cánh sóng GĐH anten thay đổi quy luật phân bố pha cơng suất tín hiệu thành phần phần tử mạng Khi có số lượng lớn phần tử xạ xuất m hướng nguồn nhiễu, việc tính tốn trọng số hệ thống AMT thực sở giải phương trình Пистолькорса А.А sở phân tích tính chất tương quan tín hiệu nhờ sử dụng phương trình Винера-Хопфа [5] TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] C Tang, K.Liu, S Tretter, "Optimal weight extraction for adaptive Beamforming using systolic arrays", IEEE Transactions on Aerospace and Electronic System, vol 30, NO 2, April 1994 [2] R Schreiber, "Implementation of adaptive array algorithms", IEEE Transactions on Acounstics, Speech, Signal Processing, ASSP - 34, (October 1986), 1034 - 1045 [3] T Tang, "Adaptive array systems using QR - based RLS and CRLS techniques with systolic array architectures", Ph.D dissertation, University of Maryland, Baltimore County, May 1991 [4] Г З Айзенберга “Антенны УКВ”, М Связь 1977 [5] Р.А Монзинго, Т.У Миллер, “Адаптивные антенные решетки”, Введение в теорию, М Радио и связь 1986 [6] Воскресенский Д.И, “Антенны собработкой сигнала”, Учеб Пособие для вузов, М сайнс-пресс, 2002 – 80 с ил Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 66, - 2020 77 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử ABSTRACT CONTROL THE ANTENNA'S DIRECTIONAL CHARACTERISTICS TO ADAPT TO THE DIRECTION OF THE NOISE SOURCE, TAKING INTO ACCOUNT THE MINIMUM ERROR OF THE ANGULAR COORDINATE MEASUREMENT Modern combat is characterized by the speed of changing air situations very quickly and complicated Modern radar stations use active phase network antennas to enable quick adaptation to such situations It allows improving the ability of antijamming positives caused by opponents and interference from other electronic means However, the calculation of parameters and the design of active phase network antennas require high technology requirements, complicated technical solutions In the article, the parameter estimation methods of the active phased array antenna system are presented to adapt the variable directional characteristic towards the source of noise to maximize the signal/noise ratio at the receiver input, taking into account the minimum angle measurement error, as a basis for the calculation and design of antenna systems of multifunction radios The basis of this method is mathematical analysis and simulation of the dependence of the shape of the directional diagram of the adaptive phase network antenna positively on the power distribution and signal phase of the emissive elements The model of active adaptive phase network antenna selected to be surveyed is a linear planar network Keywords: Active phased array antenna; Weight factor; Directional diagram Nhận ngày 21 tháng 10 năm 2019 Hoàn thiện ngày 22 tháng 11 năm 2019 Chấp nhận đăng ngày 10 tháng năm 2020 Địa chỉ: Học viện Phòng khơng - Khơng qn * Email: ngocanhd36k33@gmail.com 78 B C Thanh, P N Anh, N H Tùng, “Điều khiển đặc trưng hướng … sai số đo tọa độ góc.” ... đạt khe lõm đặc trưng hướng thay đổi thích nghi theo hướng nguồn nhiễu Hiện tượng “méo” thể khía 74 B C Thanh, P N Anh, N H Tùng, Điều khiển đặc trưng hướng … sai số đo tọa độ góc. ” Nghi n cứu... phẳng tuyến tính Hướng nguồn nhiễu (HNN) lệch so với hướng góc θ Bộ phân tích nhiễu điều khiển thích nghi đặc trưng hướng thực phân tích, đánh giá đặc trưng thống kê tọa độ nguồn nhiễu, từ đó,... hình tổng qt hệ thống anten mạng pha tích cực 2.2 Nguyên lý điều khiển thích nghi đặc trưng hướng hệ thống AMT Cơ sở vật lý điều khiển đặc trưng hướng hệ thống AMT thay đổi quy luật phân bố pha