Beamforming trong kỹ thuật radar

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - NGUYỄN HỮU HIẾU BEAMFORMING TRONG KỸ THUẬT RADAR Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã ngành: 60.52.70 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2008 ii CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS Phan Hồng Phương Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬNVĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2008 iii TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp HCM, ngày tháng năm 200 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN HỮU HIẾU Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 18/02/1975 Nơi sinh: Thái bình Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử I- MSHV: 01406738 TÊN ĐỀ TÀI: BEAMFORMING TRONG KỸ THUẬT RADAR II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG • Nghiên cứu tổng quan hệ thống radar • Mô hình hệ thống anten thông minh sử dụng mảng anten vi dải • Nghiên cứu/áp dụng giải thuật tạo hướng tới mục tiêu (Beamforming) xác định hướng đến (DOA)cho hệ thống sử dụng anten vi dải • Viết chương trình mô giải thuật III-NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/01/2008 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 14/12/2008 V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS PHAN HỒNG PHƯƠNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Học hàm, học vị, họ tên chữ ký) CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội đồng chuyên ngành thông qua Ngày tháng năm 200 TRƯỞNG PHÒNG ĐT-SĐH TRƯỞNG KHOA QL CHUYÊN NGÀNH iv LỜI CẢM ƠN Tôi trân trọng gửi đến tiến sỹ PHAN HỒNG PHƯƠNG lời cảm ơn chân thành lòng biết ơn sâu sắc động viên đóng góp ý kiến cô suốt thời gian qua Xin chân thành cảm ơn thầy cô khoa Điện – Điện tử, trường Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh tận tình giảng dạy, hướng dẫn giúp đỡ trình học tập hoàn thành luận văn Sau cùng, xin bày tỏ tình cảm đến bạn khóa trao đổi nhiều tài liệu, giúp đỡ động viên trình học trường Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng11 năm 2008 Nguyễn Hữu Hiếu v GIỚI THIỆU CHUNG Ngày kỹ thuật radar sử dụng rộng rãi nhiều lónh vực đời sống Điển hình quân khí tài thiếu Nó dùng để cảnh giới, phát mục tiêu địch ( máy bay, tên lửa, tàu chiến…), điều khiển vũ khí ( tên lửa, pháo, ngư lôi …) để tiêu diệt mục tiêu Trong dân dùng để dẫn đường cho máy bay, khảo sát khí tượng, … Trong hệ thống radar cũ để quét búp sóng phát mục tiêu anten phải xoay tròn Điều gây khó khăn hệ thống dễ bị hỏng, địch dễ phát anten chuyển động quay tròn Để giải vấn đề này, ta cho anten đứng yên tạo búp sóng tự dịch chuyển hướng không gian để phát mục tiêu Đó giải pháp ta áp dụng lý thuyết anten thông minh để thiết kế, chế tạo loại anten radar quân Trong đài radar việc tạo hướng tới mục tiêu (Beamforming) xác định hướng đến (DOA) mục tiêu thông số quan trọng, giúp ta xác định xác vị trí mục tiêu ( yêu cầu quan trọng đài radar nào) khả bắt, bám mục tiêu giúp ta có thông tin cập nhật mục tiêu (góc phương vị, góc tà…) để điều khiển hỏa lực tiêu diệt mục tiêu Một loại anten phù hợp cho việc triển khai hệ thống anten radar sử dụng kỹ thuật anten thông minh anten vi dải Với đặc điểm kích thước nhỏ gọn, dễ tạo mảng anten với số lượng phần tử lớn, anten vi dải ứng dụng hầu hết đài radar dân quân Do giải thuật Beamforming DOA xây dựng chủ yếu dựa giả thiết dãy anten lý tưởng, đẳng hướng, nên cần thiết phải có khảo sát khả áp dụng giải thuật vào anten vi dải Và mục tiêu đề tài vi TÓM TẮT Kỹ thuật anten RADAR sử dụng anten thông minh (Smart antenna) kỹ thuật xử lý phân tích tín hiệu áp dụng cho hệ thống anten hệ nhằm nâng cao khả thu phát tín hiệu với mục tiêu di động Mục tiêu nội dung nghiên cứu đề tài: • Nghiên cứu tổng quan hệ thống radar • Nghiên cứu đặc tính anten mảng anten vi dải • Mô hình hệ thống anten thông minh sử dụng mảng anten vi dải • Nghiên cứu/áp dụng giải thuật tạo hướng tới mục tiêu (Beamforming) xác định hướng đến (DOA) cho hệ thống sử dụng anten vi dải • Viết chương trình mô giải thuật • Chạy mô để lấy kết quả, từ rút đánh giá, nhận xét nhằm đánh giá giải thuật Nội dung cụ thể đề tài trình bày thành chương sau: Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RADAR Giới thiệu tổng quan hệ thống radar Chương 2: ANTEN VI DẢI VÀ MẢNG ANTEN VI DẢI Giới thiệu anten vi dải, tính toán cần thiết cho việc áp dụng vào anten radar sử dụng kỹ thuật anten thông minh Chương 3: ANTEN THÔNG MINH SỬ DỤNG CÁC PHẦN TỬ ANTEN VI DẢI VÀ MÔ HÌNH TOÁN HỌC Đưa mô hình anten thông minh sử dụng anten vi dải công thức toán học có liên quan Chương 4: CÁC GIẢI THUẬT TẠO HƯỚNG TỚI MỤC TIÊU - BEAMFORMING vii Các giải thuật tạo hướng tới mục tiêu triển khai áp dụng cho anten vi dải Chương 5: CÁC GIẢI THUẬT XÁC ĐỊNH HƯỚNG ĐẾN CỦA MỤC TIÊU – DOA Các giải thuật xác định hướng đến mục tiêu triển khai áp dụng cho anten vi dải Chương 6: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG CÁC GIẢI THUẬT Chương trình kết mô phỏng, nhận xét kết Chương 7: TỔNG KẾT Các kết đạt Rút kết luận hướng phát triển đề tài Cuối phần tài liệu tham khảo viii Abstract Nowadays, the technical microstrip antenna is being used widely in the radar systems because it have advantage: small size and to make easily array antennas with a lot of elements … Therefore, we need to study algorithms making beamforming and estimate direction-of-arrival of target in microstrip antenna This thesis represents applicability methods of algorithms making beamforming and estimate direction-of-arrival of target in microstrip antenna, it bases on radiation characteristic and gain of microstrip antennas After simulation, this thesis explored and evaluated quality of algorithms, therefore the results of this thesis can be applied to radar systems using microstrip antenna ix TỪ VIẾT TẮT A AM Amplitude Modulation B BER Bit Error Rate BS Base Station C CDMA Code Division Multiple Access CMA Constant Modulus Algorithm D DOA Direct Of Arrival DSP Digital Signal Processing E ESPRIT Estimation of Signal Parameters Invariance Technique F FDMA Frequency Division Multiple Access FSK Frequency Shift Keying G GSM Global System for Mobile Communication H HPBW Half Power Beam Width via Rotational x I ITU International Telecommunication Union L LCMV Linearly Constrained Minimum Variance LMS Least Mean Square LS-ESPIRIT Least Square ESPIRIT M MMSE Minimum Mean Square Error ML Maximum Likelihood MODE Method Of Direction Estimation MS Mobile Station MUSIC MUltiple SIgnal Classification P PAM Pulse Amplitude Modulation PSK Phase Shift Keying Q QPSK Quadrature Phase Shift Keying S SNR Signal to Noise Ratio T TDMA Time Division Multiple Access TSL-ESPRIT Total Least Square ESPRIT 133 Giải thuật Dự đoán tuyến tính 134 Giải thuật MUSIC 135 6.3.4 Các kết Sau số kết mô giải thuật cho mảng anten vi dải tuyến tính gồm phần tử Ta mô hai trường hợp: Hai tín hiệu có SNR = 5dB phương pháp điều chế PSK,các tín hiệu tới góc tới θ = 50, θ = -50 trường hợp thứ θ = 100, θ = -100 trường hợp thứ hai Giải thuật Conventional có hai góc tới θ = 50, θ = -50 Giải thuật Conventional có hai góc tới θ =100, θ = -100 136 Giải thuật Capon có hai góc tới θ = 50, θ = -50 Giải thuật Capon có hai góc tới θ = 100, θ = -100 137 Giải thuật Linear Pridiction có hai góc tới θ = 50, θ = -50 Giải thuật Linear Pridiction có hai góc tới θ = 100, θ = -100 138 Giải thuật Music có hai góc tới θ = 50, θ = -50 Giải thuật Music có hai góc tới θ = 100, θ = -100 139 Giải thuật SPMusic có hai góc tới θ = 50, θ = -50 Giải thuật SP Music có hai góc tới θ = 100, θ = -100 140 Nhận xét: Đối với góc tới 100 -100, tất giải thuật xác định hướng đến tín hiệu xác Nhưng hai góc tới 50 -50, giải thuật Convention phân giải hai tín hiệu Đánh giá giải thuật: Để đánh giá cách hệ thống chất lượng giải thuật áp dụng cho mảng anten vi dải, cần khảo sát đặc tính giải thuật Độ phân giải giải thuật: Đây yếu tố quan trọng để đánh giá chất lượng giải thuật Đối với giải thuật cụ thể, độ phân giải phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu nhiễu SNR tín hiệu đến hệ thống góc tới tín hiệu, đặc điểm anten vi dải đồ thị xạ không đẳng hướng có độ lợi thấp góc tới tạo với hướng xạ góc gần 900, nên góc tới này, lượng thu tín hiệu thấp làm giảm đáng kể khả dự đoán hướng đến tín hiệu Khảo sát độ phân giải giải thuật gócθ gần 00 gần 900: Xét trường hợp hai tín hiệu đến hệ thống góc tới 600 700: 141 Giải thuật Conventional Giải thuật tối thiểu sai biệt Capon 142 Giải thuật dự đoán tuyến tính Giải thuật MUSIC 143 Giải thuật SP MUSIC Nhận xét: Hầu hết giải thuật có độ phân giải giảm đáng kể trường hợp Chỉ có giải thuật MUSIC SP MUSIC phân tách hai tín hiệu, nhiên độ phân giải phổ DOA giảm đáng kể Sự phụ thuộc độ phân giải vào tỷ số tín hiệu nhiễu: Để khảo sát tác động tỷ số tín hiệu nhiễu lên chất lượng giải thuật, ta thực việc mô sau: Đối với giải thuật, cho tỷ số tín hiệu nhiễu giảm dần Thực mô với hai tín hiệu tới với hai góc tới hai phía đối xứng với hướng xạ (-ϕ ϕ), giảm dần khoảng cách góc tới hai tín hiệu để tìm góc tới nhỏ mà giải thuật phân biệt hai tín hiệu, từ tìm độ phân giải ứng với SNR Vẽ đồ thị biễu diễn độ phân giải theo SNR 144 Chương 7: TỔNG KẾT 7.1 CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯC Đề tài thực số nghiên cứu sau: • Tìm hiểu hệ thống radar bản: Nguyên lý hoạt động phương trình radar • Anten vi dải mảng anten vi dải: Giới thiệu anten vi dải, tính toán cần thiết cho việc áp dụng vào anten radar sử dụng kỹ thuật anten thông minh • Anten thông minh sử dụng phần tử anten vi dải mô hình toán học: Đưa mô hình anten thông minh sử dụng anten vi dải công thức toán học có liên quan • Nghiên cứu phương pháp tìm trọng số tối ưu tạo hướng Beamforming áp dụng cho anten vi dải • Nghiên cứu phương pháp ước lượng hướng tới (DOA) mục tiêu áp dụng cho anten vi dải Việc xác định hướng đến xác mục tiêu giúp đài radar xác định xác tọa độ mục tiêu – vấn đề quan trọng đài radar Qua trình thực đề tài, nhiệm vụ đặt lúc đầu đạt được, khảo sát việc áp dụng giải thuật tạo hướng tới mục tiêu xác định hướng đến (DOA) vào cho anten vi dải nhằm tìm kiếm giải pháp phù hợp cho anten vi dải Viết chương trình mô kết mô thu được, ta có đánh giá cụ thể giải thuật ứng dụng điều kiện làm việc cụ thể Tuy nhiên, đề tài số hạn chế chưa thể khắc phục việc mô cho mảng anten mà phần tử không đồng hướng, có nghóa đồ thị xạ 145 phần tử xoay theo hướng khác Vì trường hợp cường độ tín hiệu thu phần tử khác nhau, ta thông tin hướng đến tín hiệu (đang cần dự đoán) nên ta hiệu chỉnh sai lệch để việc dự đoán xác Có lẽ hướng giải cho trường hợp ta phải lấy thông tin pha tín hiệu đến phần tử bỏ qua sai biệt biên độ Tuy nhiên tín hiệu đến phần tử tổng hợp từ nhiều nguồn nên điều không đơn giản Đề tài nghiên cứu giải thuật cho anten radar anten vi dải tuyến tính điều kiện mục tiêu nằm mặt phẳng ϕ = π/2 thực tế đài radar ϕ tham số ta cần phải xác định 7.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Đề tài phát triển theo hướng sau: • Mô cho mảng anten có cấu trúc phức tạp, phần tử không đồng hướng • Triển khai áp dụng cho nhiều loại anten khác anten vi dải • p dụng cho mảng anten vi dải phân cực tuyến tính mà phần tử phương phân cực, ví dụ mảng có hai loại phần tử phân cực theo phương thẳng đứng phương ngang Như việc điều chỉnh vector trọng số không làm thay đổi đồ thị xạ mà thay đổi vector phân cực toàn hệ thống theo mong muốn • Triển khai áp dụng vào thực tế dựa chip DSP mạnh • Triển khai áp dụng cho mảng anten vi dải 146 TÀI LIỆU THAM KHAÛO [1] David K Barton and Sergey A Leonov “ Radar technology encyclopedia” – ‘Electronic Edition’, p.459 [2] I.J.Bahl and P.Bhartia, “Microstrip Antennas” [3] Ramesh Garg, “Microstrip antenna design handbook”, Prakash Bhartia Inder Bahl, Apisak Ittipiboon [4] Constantine A.Balanis, “Antena Theory”, second edition, John Wiley & Son, Inc, 1997 [5] A.G Derneryd, “Linearly Polarized Microstrip Antennas”, IEEE Trans , Antennas Propagal [6] Young Min Jo , Michael H.Thursby, “Theoretical analysis of microstrip patch antennas using transmission line models”, ALS Technical report N0 17, Florida Justitute of technology, June 1998 [7] Speech Signal Enhancement using a microphone Array, Maquette University [8] Merril I.Skolnik, Radar Handbook, Second Edition, McGraw Hill Publishing Company [9] Heinz Mathis and Scott C.Douglas, Bussgang Blind Deconvolution for Impulsive Signals, IEEE Transactions on Signal Processing, No 7.2003 [10] Harry L.Van Trees, “Optimum Array Processing” , John Wiley & Sons, Inc., New York, 2002 [11] Shigang Rong, Simulation of Adaptive Array for CDMA System LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ Tên: Nguyễn Hữu Hiếu Ngày sinh: 18 – 02 – 1975 Quê quán: Thái bình Thường trú: 304/54/1A Tân kỳ-Tân quý, P Sơn kỳ, Q Tân phú, TP HCM Quá trình đào tạo: • Từ 1992 – 1998: Học viên trường Học viện hải quân • Từ 2006 – nay: Học viên cao học trường Đại học Bách khoa TP HCM Quá trình công tác: • Từ 1998 – nay: Giáo viên trường THKT Hải quân ... sinh: Thái bình Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử I- MSHV: 01406738 TÊN ĐỀ TÀI: BEAMFORMING TRONG KỸ THUẬT RADAR II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG • Nghiên cứu tổng quan hệ thống radar • Mô hình hệ thống anten... RADAR 1.1 Giới thiệu chung radar 1.2 Phaân loại đài radar 1.3 Cự ly hoạt động đài radar 1.4 Sơ đồ khối hệ thoáng radar 1.5 Ứng dụng kỹ thuật beamforming. .. 1.5 Ứng dụng kỹ thuật Beamforming dự đoán hướng tới hệ thống anten thông minh đài radar Hình 1.1 Ứng dụng kỹ thuật beamforming dự đoán hướng tới hệ thống anten thông minh Bộ tạo beamforming dự